The Hepatitis C Virus (HCV) is a global health problem as it afflicts an estimated 170 million people worldwide and is the major cause of viral hepatitis, cirrhosis and liver cancer. HCV is a rapidly evolving virus, with 6 major genotypes and multiple subtypes. Over the past 20 years, HCV therapeutic efforts have focused on identifying the best-in-class direct acting antiviral (DAA) targeting crucial components of the viral lifecycle, The NS3/4A protease is responsible for processing the viral polyprotein, a crucial step in viral maturation, and for cleaving host factors involved in activating immunity. Thus targeting the NS3/4A constitutes a dual strategy of restoring the immune response and halting viral maturation. This high priority target has 4 FDA approved inhibitors as well as several others in clinical development. Unfortunately, the heterogeneity of the virus causes seriously therapeutic challenges, particularly the NS3/4A protease inhibitors (PIs), which suffer from both the rapid emergence of drug resistant mutants as well as a lack of pan-genotypic activity. My thesis research focused on filling two critical gaps in our structural understanding of inhibitor binding modes. The first gap in knowledge is the molecular basis by which macrocyclization of PIs improves antiviral activity. Macrocycles are hydrophobic chains used to link neighboring chemical moieties within an inhibitor and create a structurally pre-organized ligand. In HCV PIs, macrocycle come in two forms: a P1 - P3 and P2 - P4 strategy. I investigated the structural and thermodynamic basis of the role of macrocyclization in reducing resistance susceptibility. For a rigorous comparison, we designed and synthesized both a P1 - P3 and a linear analog of grazoprevir, a P2 - P4 inhibitor. I found that, while the P2 - P4 strategy is more favorable for achieving potency, it does not allow the inhibitor sufficient flexibility to accommodate resistance mutations. On the other hand, the P1 - P3 strategy strikes a better balance between potency and resistance barrier. The second gap my thesis addresses is elucidating the structural basis by which highly potent protease inhibitors function in genotype 1 but not in genotype 3, despite having an 87% sequence similarity. After mapping the amino acids responsible for this differential efficacy in genotypes 1 and 3, I engineered a 1a3a chimeric protease for crystallographic studies. My structural characterization of three PIs in complex with both the 1a3a and genotype 1 protease revealed that the loss of inhibitor efficacy in the 1a3a and GT-3 proteases is a consequence of disrupted electrostatic interactions between amino acids 168 and 155, which is critical for potent binding of quinoline and isoindoline based PIs. Here, I have revealed details of molecular and structural basis for the lack of PI efficacy against GT-3, which are needed for design of pan-genotypic inhibitors.

Immediate occupancy and functionality of critical facilities including hospitals, emergency operations centers, communications centers, and police and fire stations is of utmost importance immediately after a damaging earthquake, as they must continue to provide fundamental health, emergency, and security services in the aftermath of an extreme event. Although recent earthquakes have proven the acceptable performance of the structural system in such buildings, when designed according to recent seismic design codes, in many cases damage to the nonstructural components and systems was the main cause of disruption in their functionality. Seismic isolation is proven to be an effective technique to protect building structures from damaging earthquakes. It has been the method of choice for critical facilities, including hospitals in Japan and the United States in recent years. Seismic isolation appears to be an ideal solution for protecting the nonstructural components as well. While this claim was made three decades ago, the supporting research for freestanding (unanchored) equipment and contents (EC) is fairly new. With the focus on freestanding EC, this study investigates the seismic performance of sliding and wheel/caster-supported EC in fixed-base and base-isolated buildings. The study adopts a comparative approach to provide a better understanding of the advantages and disadvantages of using each structural system. The seismic response of sliding EC is investigated analytically in the first part of the thesis, while the response of EC supported on wheels/casters is examined through shake table experiments on two pieces of hospital equipment. The study finds base isolation to be generally effective in reducing seismic demands on freestanding EC, but it also exposes certain situations where isolation in fact increases demands on EC. Increasing the frictional resistance for sliding EC or locking the wheel/casters in the case of wheel/caster-supported EC is highly recommended for EC in base-isolated buildings to prevent excessive displacement demands. Furthermore, the study suggests several design probability functions that can be used by practicing engineers to estimate the peak seismic demands on sliding and wheel/caster-supported EC in fixed-base and base-isolated buildings. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

A hepatite viral causada pelo vírus da hepatite C (HCV) é um problema à saúde mundial e afeta cerca de 170 milhões de pessoas. O caso crônico da doença resulta em cirrose hepática e a maioria dos pacientes tratados não desenvolve uma resposta imune satisfatória. A proteína não estrutural 3 (NS3) pode estimular uma resposta celular que auxilia a resposta nos infectados. Nosso trabalho desenvolveu duas pseudopartículas virais que carregam um material genético para a protease da NS3 do HCV. Um dos sistemas, a HCVpp é constituída por proteínas do vírus da leucemia murina e outras do HCV. E o outro sistema, a partícula viral é baseada no Semliki Forest Virus (SFV). As células HEK293T e BHK-21 foram transfectadas para a formação das pseudopartículas HCVpp-NS3p1a e SFV-NS3p1a, respectivamente. Essas partículas foram quantificadas pela presença do material genético da NS3 por qRT-PCR, atingindo uma produção aproximada de 4x105 partículas HCVpp-NS3p1a/mL e 2,5x107 partículas SFV-NS3p1a/mL. Essas partículas foram utilizadas para infecção de células HuH-7.0 e BHK-21. / Viral hepatitis caused by the hepatitis C virus (HCV) is a global health problem, affecting about 170 million people. The chronic case of the disease results in liver cirrhosis and most patients do not develop a satisfactory immune response. The nonstructural protein 3 (NS3) can stimulate a cellular response that helps answer the infected. Our work has developed two viral pseudoparticles who carry a genetic material for the HCV NS3 protease. One of the systems is constituted by the HCVpp proteins of murine leukemia virus and other HCV. The other system, the viral particle is based on the Semliki Forest Virus (SFV). The HEK293T and BHK-21 cells were transfected for forming the pseudoparticles HCVpp-NS3p1a and SFV-NS3p1a, respectively. These particles were quantified by the presence of genetic material of NS3 by qRT-PCR, reaching a production of about 4x105 HCVpp-NS3p1a particles/mL and 2,5 x107 SFV-NS3p1a particles /mL. These particles were used for infection of Huh-7.0 cells and BHK-21.

Wald weist gegenüber anderen Landnutzungen meist die günstigeren Wasserrückhalteigenschaften auf. Diese sind jedoch begrenzt. Ob zusätzlicher Wald in einem Einzugsgebiet zur Reduktion eines Hochwassers führt, hängt ab von der Vorwitterung, den Eigenschaften des Bodens, auf dem die Aufforstung etabliert wurde, Dauer und Intensität des hochwasserauslösenden Niederschlagsereignisses und Lage und Größe der Aufforstungsfläche im betrachteten Einzugsgebiet. Weiterhin spielt das Waldmanagement, welches in dieser Arbeit nur am Rande diskutiert wurde, eine bedeutende Rolle. Bei der Umwandlung einer anderen Landnutzung in Wald sind noch nicht alle Prozesse, die den Wasserrückhalt betreffen, ausreichend untersucht und beschrieben. Dies gilt besonders für die Änderungen in der hydraulischen Architektur der Böden. Es wurde dargestellt, dass aufwachsende Wälder schon nach wenigen Jahren die Porenverteilung besonders in den oberen Bodenhorizonten verändern. Obwohl experimentelle Felduntersuchungen besonders durch die Suche nach geeigneten Teststandorten schwierig sind, wären weitere Messergebnisse von anderen Böden mit anderen Baumarten hier wünschenswert. Eine modellhafte Beschreibung einer Landnutzungsänderung hin zu Wald in Bezug auf den Hochwasserrückhalt ist demnach mit hohen Unsicherheiten behaftet. Modelle bleiben dennoch die einzige Möglichkeit, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit vertretbarem Aufwand quantifizierend abzuschätzen. Allgemein gilt bei der Anwendung hydrologischer Modelle zur Prognose von Auswirkungen veränderter Landnutzungen, dass bislang wenig quantitativ verwertbares Wissen über Änderungen im Boden besteht. Weder der Zielzustand noch der Verlauf der Transformation können hier sicher prognostiziert werden. Vernachlässigt man aber solche Prozesse, dürfen bei einer Ergebnisdiskussion auch nur die berücksichtigten Prozesse angeführt werden. Die Weiterentwicklung der Modelle mit gezielter paralleler Datenerhebung ist hier unabdingbar. Die zunehmenden Fragestellungen hinsichtlich veränderter Landnutzungssysteme erfordern auch innovative Formen der Parametrisierung und Kalibrierung der Modelle. Der zunehmende Grad an Prozessabbildungen in den Modellen darf die Parametrisierbarkeit nicht unmöglich machen. Eine adäquate Prozessabbildung ist jedoch der Schlüssel für die szenarienfähige Modellierung. Die Kommunikation der Ergebnisse muss deshalb eine hohe Transparenz mit der Benennung aller bekannten Unsicherheiten aufweisen, da Entscheidungen in der Landnutzung Konsequenzen über sehr lange Zeiträume hinweg nach sich ziehen. Die qualifizierte Prognose von Landnutzungsänderungen ist eine disziplinübergreifende Aufgabe. Hier wirken soziologische, ökonomische und ökologische Prozesse zusammen, deren Resultat die zukünftige Landnutzung ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung der vorliegenden Arbeit ist daher, dass für die Umsetzung von Maßnahmen, zur Erhöhung des Wasserrückhaltes, wie hier der Aufforstung, ein breiter wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Konsens herrschen muss. Es braucht integrierte Ansätze zur disziplinübergreifenden Beschreibung von Auswirkungen veränderter Landnutzung. Trotz aller Unsicherheiten bei der wissenschaftlichen Beweisführung wird erwartet, dass bis zur Umsetzung der Hochwasserrisiko-Managementpläne „nachhaltige Flächennutzungen“ zur „Verbesserung des Wasserrückhaltes“ definiert sind. Besonders für die politischen Entscheidungsträger ist zur Entwicklung geeigneter Steuerelemente festzuhalten, das Hochwasserschutzmaßnahmen in der Fläche ihre hauptsächliche Wirkung nicht am Punkt der Implementierung entfalten, sondern erst weiter flussabwärts. Daher sind die bisherigen Förderinstrumente der EU-Agrarflächenförderung für den Hochwasserschutz in der Fläche nahezu nicht anwendbar. Es gilt hier sektorales Denken zu überwinden. Unterschiedliche Ansprüche an Landnutzungssysteme sind durch Lösungsansätze auszubalancieren, die die unterschiedlichen Landschaftsfunktionen berücksichtigen, von denen Wasserrückhalt ein Teil sein kann. Andere Schutzziele wie Naturschutz, Bodenschutz, Ziele der Wasserrahmenrichtlinie, Fragen eines ästhetischen Landschaftsbildes und nicht zuletzt Fragen der wirtschaftlichen Ansprüche an die einzelnen Flächen spielen hier eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung begründeter Zukunftsszenarien ist diese transdisziplinäre Herangehensweise unbedingt zu empfehlen. Hochwasserschutz kann aber nicht die Aufgabe haben, Hochwasserereignisse vollkommen auszuschließen. Schon heute ist bekannt, dass das Ausbleiben kleiner und mittlerer Hochwässer ökologische Konsequenzen hat. Vielmehr könnte in Gebieten, wie dem hier untersuchten, eine Erhöhung des Waldanteils dazu beitragen, die anthropogenen Störungen zu reduzieren und den Wasserrückhalt dahingehend zu erhöhen, dass hochwasserverschärfende Eingriffe in den Einzugsgebieten zurückgebaut werden. / Forests show, compared to other land uses, in many cases good water retention potential. This is however limited. Whether additional forest area in a catchment leads to a reduction of flooding depends on the pre-event atmospheric conditions, the soil characteristics at the afforested site, the duration and intensity of the rain storm event, and location and size of the afforested area. Further, the forest management, which is only briefly discussed in this thesis, plays an important role. Many water retention related processes occurring during the transformation of a landuse into forest are not yet sufficiently investigated an described. This applies especially to the changes in the hydraulic architecture of the soil. It was shown that after a few years growing forests have already changed the pore distribution, especially in the upper soil horizons. However, further research under different soil and tree type would be desirable. Therefore, a model-based description of land use change towards forest with regard to flood retention comprises uncertainties which should be taken into consideration. Nevertheless, models are the only possibility to assess land use change effects with justifiable expenditure. In general, the application of hydrological models comprised sparse useful information about changes in the soil due to a changed land use. Neither the target state nor the progression of the transformation can be predicted with certainty. Further development of models with parallel observations and data gathering is essential. With increasing number of questions regarding modified land use systems, a need arises for innovative forms of parameterisation and model calibration. The increasing degree of process mapping in models may make parameterability difficult, however, adequate process mapping is the key to scenario capable modelling. The communication of results must therefore include a high degree of transparency in the definition of all known uncertainties, because decisions have long lasting consequences. A qualified prediction of land use changes is a cross-disciplinary task. Ecological, economical, and sociological processes together form the future land use distribution. An important conclusion from this thesis is that the implementation of measures targeting increased water retention requires must result in a consensus with society and economics. Integrated approaches and transdisciplinary assessment of impacts of land use modifications are needed. Although, the uncertainties in model-based land use change assessment are high, there is a need for the definition of “sustainable land use” and “increase of water retention” for the flood risk management plans. Adapted land use as a component of integrated flood risk management has a major constraint: the benefits of water retention in the landscape are mostly not directly noticeable at the place where a measure is implemented. This is highly important for stakeholders and decision makers. However, given that most of the land available for afforestation is a private property, it may be necessary to provide subsidies to encourage landowners to increase the percentage of forested land. Competitive land use system requirements need to be balanced with approaches dealing with different landscape functions. Water retention is part of this functioning. Other protection aims like nature protection, soil protection, aims of the Water Framework Directive, aesthetic land use pattern but also the agrar-economic production play an important role. Well-founded future land use scenarios should use this transdisciplinary view. Finally, it is also important to keep in mind that floods belong to a healthy river runoff regime. Floods are an important part of the natural hydrological cycle, and therefore the goal of watershed management should not be to eliminate them entirely. Additional forest can help to re-establish the natural water retention potential in anthropogenically disturbed river basins and to decrease the human-made contribution to flood generation.

A hepatite viral causada pelo vírus da hepatite C (HCV) é um problema à saúde mundial e afeta cerca de 170 milhões de pessoas. O caso crônico da doença resulta em cirrose hepática e a maioria dos pacientes tratados não desenvolve uma resposta imune satisfatória. A proteína não estrutural 3 (NS3) pode estimular uma resposta celular que auxilia a resposta nos infectados. Nosso trabalho desenvolveu duas pseudopartículas virais que carregam um material genético para a protease da NS3 do HCV. Um dos sistemas, a HCVpp é constituída por proteínas do vírus da leucemia murina e outras do HCV. E o outro sistema, a partícula viral é baseada no Semliki Forest Virus (SFV). As células HEK293T e BHK-21 foram transfectadas para a formação das pseudopartículas HCVpp-NS3p1a e SFV-NS3p1a, respectivamente. Essas partículas foram quantificadas pela presença do material genético da NS3 por qRT-PCR, atingindo uma produção aproximada de 4x105 partículas HCVpp-NS3p1a/mL e 2,5x107 partículas SFV-NS3p1a/mL. Essas partículas foram utilizadas para infecção de células HuH-7.0 e BHK-21. / Viral hepatitis caused by the hepatitis C virus (HCV) is a global health problem, affecting about 170 million people. The chronic case of the disease results in liver cirrhosis and most patients do not develop a satisfactory immune response. The nonstructural protein 3 (NS3) can stimulate a cellular response that helps answer the infected. Our work has developed two viral pseudoparticles who carry a genetic material for the HCV NS3 protease. One of the systems is constituted by the HCVpp proteins of murine leukemia virus and other HCV. The other system, the viral particle is based on the Semliki Forest Virus (SFV). The HEK293T and BHK-21 cells were transfected for forming the pseudoparticles HCVpp-NS3p1a and SFV-NS3p1a, respectively. These particles were quantified by the presence of genetic material of NS3 by qRT-PCR, reaching a production of about 4x105 HCVpp-NS3p1a particles/mL and 2,5 x107 SFV-NS3p1a particles /mL. These particles were used for infection of Huh-7.0 cells and BHK-21.

HCV afflicts many millions of people globally, and antiviral therapies are often ineffective and intolerable. The Food and Drug Administration approved the HCV protease inhibitors telaprevir and boceprevir in May 2011, marking an important milestone in anti-HCV research over the past two decades. Nevertheless, severe drug side effects of combination therapy – flu-like symptoms, depression and anemia – limit patient adherence to treatment regimens. The acquisition of resistance challenges the long-term efficacy of antiviral therapies, including protease inhibitors, as suboptimal dosing allows for the selection of drug resistant viral variants. A better understanding of the molecular basis of drug resistance is therefore central to developing future generation protease inhibitors that retain potency against a broader spectrum of HCV strains. To this end, my research characterizes the molecular basis of drug resistance against HCV protease inhibitors. Chapter II defines the mode of substrate recognition by the common volume shared by NS3/4A substrate products – the substrate envelope. Chapter III then correlates patterns of drug resistance to regions where drugs protrude from the substrate envelope. Lastly, Chapter IV elucidates the molecular underpinnings of resistance against four leading protease inhibitors – telaprevir, danoprevir, vaniprevir and MK-5172 – and provides practical approaches to designing novel drugs that are less susceptible to resistance. I ultimately hope my work appeals to the broader biomedical community of virologists, medicinal chemists and clinicians, who struggle to understand HCV and other human pathogens in the face of rapid disease evolution.

Wald weist gegenüber anderen Landnutzungen meist die günstigeren Wasserrückhalteigenschaften auf. Diese sind jedoch begrenzt. Ob zusätzlicher Wald in einem Einzugsgebiet zur Reduktion eines Hochwassers führt, hängt ab von der Vorwitterung, den Eigenschaften des Bodens, auf dem die Aufforstung etabliert wurde, Dauer und Intensität des hochwasserauslösenden Niederschlagsereignisses und Lage und Größe der Aufforstungsfläche im betrachteten Einzugsgebiet. Weiterhin spielt das Waldmanagement, welches in dieser Arbeit nur am Rande diskutiert wurde, eine bedeutende Rolle. Bei der Umwandlung einer anderen Landnutzung in Wald sind noch nicht alle Prozesse, die den Wasserrückhalt betreffen, ausreichend untersucht und beschrieben. Dies gilt besonders für die Änderungen in der hydraulischen Architektur der Böden. Es wurde dargestellt, dass aufwachsende Wälder schon nach wenigen Jahren die Porenverteilung besonders in den oberen Bodenhorizonten verändern. Obwohl experimentelle Felduntersuchungen besonders durch die Suche nach geeigneten Teststandorten schwierig sind, wären weitere Messergebnisse von anderen Böden mit anderen Baumarten hier wünschenswert. Eine modellhafte Beschreibung einer Landnutzungsänderung hin zu Wald in Bezug auf den Hochwasserrückhalt ist demnach mit hohen Unsicherheiten behaftet. Modelle bleiben dennoch die einzige Möglichkeit, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit vertretbarem Aufwand quantifizierend abzuschätzen. Allgemein gilt bei der Anwendung hydrologischer Modelle zur Prognose von Auswirkungen veränderter Landnutzungen, dass bislang wenig quantitativ verwertbares Wissen über Änderungen im Boden besteht. Weder der Zielzustand noch der Verlauf der Transformation können hier sicher prognostiziert werden. Vernachlässigt man aber solche Prozesse, dürfen bei einer Ergebnisdiskussion auch nur die berücksichtigten Prozesse angeführt werden. Die Weiterentwicklung der Modelle mit gezielter paralleler Datenerhebung ist hier unabdingbar. Die zunehmenden Fragestellungen hinsichtlich veränderter Landnutzungssysteme erfordern auch innovative Formen der Parametrisierung und Kalibrierung der Modelle. Der zunehmende Grad an Prozessabbildungen in den Modellen darf die Parametrisierbarkeit nicht unmöglich machen. Eine adäquate Prozessabbildung ist jedoch der Schlüssel für die szenarienfähige Modellierung. Die Kommunikation der Ergebnisse muss deshalb eine hohe Transparenz mit der Benennung aller bekannten Unsicherheiten aufweisen, da Entscheidungen in der Landnutzung Konsequenzen über sehr lange Zeiträume hinweg nach sich ziehen. Die qualifizierte Prognose von Landnutzungsänderungen ist eine disziplinübergreifende Aufgabe. Hier wirken soziologische, ökonomische und ökologische Prozesse zusammen, deren Resultat die zukünftige Landnutzung ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung der vorliegenden Arbeit ist daher, dass für die Umsetzung von Maßnahmen, zur Erhöhung des Wasserrückhaltes, wie hier der Aufforstung, ein breiter wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Konsens herrschen muss. Es braucht integrierte Ansätze zur disziplinübergreifenden Beschreibung von Auswirkungen veränderter Landnutzung. Trotz aller Unsicherheiten bei der wissenschaftlichen Beweisführung wird erwartet, dass bis zur Umsetzung der Hochwasserrisiko-Managementpläne „nachhaltige Flächennutzungen“ zur „Verbesserung des Wasserrückhaltes“ definiert sind. Besonders für die politischen Entscheidungsträger ist zur Entwicklung geeigneter Steuerelemente festzuhalten, das Hochwasserschutzmaßnahmen in der Fläche ihre hauptsächliche Wirkung nicht am Punkt der Implementierung entfalten, sondern erst weiter flussabwärts. Daher sind die bisherigen Förderinstrumente der EU-Agrarflächenförderung für den Hochwasserschutz in der Fläche nahezu nicht anwendbar. Es gilt hier sektorales Denken zu überwinden. Unterschiedliche Ansprüche an Landnutzungssysteme sind durch Lösungsansätze auszubalancieren, die die unterschiedlichen Landschaftsfunktionen berücksichtigen, von denen Wasserrückhalt ein Teil sein kann. Andere Schutzziele wie Naturschutz, Bodenschutz, Ziele der Wasserrahmenrichtlinie, Fragen eines ästhetischen Landschaftsbildes und nicht zuletzt Fragen der wirtschaftlichen Ansprüche an die einzelnen Flächen spielen hier eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung begründeter Zukunftsszenarien ist diese transdisziplinäre Herangehensweise unbedingt zu empfehlen. Hochwasserschutz kann aber nicht die Aufgabe haben, Hochwasserereignisse vollkommen auszuschließen. Schon heute ist bekannt, dass das Ausbleiben kleiner und mittlerer Hochwässer ökologische Konsequenzen hat. Vielmehr könnte in Gebieten, wie dem hier untersuchten, eine Erhöhung des Waldanteils dazu beitragen, die anthropogenen Störungen zu reduzieren und den Wasserrückhalt dahingehend zu erhöhen, dass hochwasserverschärfende Eingriffe in den Einzugsgebieten zurückgebaut werden.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335. / Forests show, compared to other land uses, in many cases good water retention potential. This is however limited. Whether additional forest area in a catchment leads to a reduction of flooding depends on the pre-event atmospheric conditions, the soil characteristics at the afforested site, the duration and intensity of the rain storm event, and location and size of the afforested area. Further, the forest management, which is only briefly discussed in this thesis, plays an important role. Many water retention related processes occurring during the transformation of a landuse into forest are not yet sufficiently investigated an described. This applies especially to the changes in the hydraulic architecture of the soil. It was shown that after a few years growing forests have already changed the pore distribution, especially in the upper soil horizons. However, further research under different soil and tree type would be desirable. Therefore, a model-based description of land use change towards forest with regard to flood retention comprises uncertainties which should be taken into consideration. Nevertheless, models are the only possibility to assess land use change effects with justifiable expenditure. In general, the application of hydrological models comprised sparse useful information about changes in the soil due to a changed land use. Neither the target state nor the progression of the transformation can be predicted with certainty. Further development of models with parallel observations and data gathering is essential. With increasing number of questions regarding modified land use systems, a need arises for innovative forms of parameterisation and model calibration. The increasing degree of process mapping in models may make parameterability difficult, however, adequate process mapping is the key to scenario capable modelling. The communication of results must therefore include a high degree of transparency in the definition of all known uncertainties, because decisions have long lasting consequences. A qualified prediction of land use changes is a cross-disciplinary task. Ecological, economical, and sociological processes together form the future land use distribution. An important conclusion from this thesis is that the implementation of measures targeting increased water retention requires must result in a consensus with society and economics. Integrated approaches and transdisciplinary assessment of impacts of land use modifications are needed. Although, the uncertainties in model-based land use change assessment are high, there is a need for the definition of “sustainable land use” and “increase of water retention” for the flood risk management plans. Adapted land use as a component of integrated flood risk management has a major constraint: the benefits of water retention in the landscape are mostly not directly noticeable at the place where a measure is implemented. This is highly important for stakeholders and decision makers. However, given that most of the land available for afforestation is a private property, it may be necessary to provide subsidies to encourage landowners to increase the percentage of forested land. Competitive land use system requirements need to be balanced with approaches dealing with different landscape functions. Water retention is part of this functioning. Other protection aims like nature protection, soil protection, aims of the Water Framework Directive, aesthetic land use pattern but also the agrar-economic production play an important role. Well-founded future land use scenarios should use this transdisciplinary view. Finally, it is also important to keep in mind that floods belong to a healthy river runoff regime. Floods are an important part of the natural hydrological cycle, and therefore the goal of watershed management should not be to eliminate them entirely. Additional forest can help to re-establish the natural water retention potential in anthropogenically disturbed river basins and to decrease the human-made contribution to flood generation.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335.