Ziel dieser Dissertation ist, Wissensdefizite im Bereich der Bioirrigation von Süßwassersedimenten abzubauen. Als Untersuchungsorganismus wurde Chironomus plumosus ausgewählt weil diese weit verbreitete Larve ihre U-förmigen Röhren mit Überstandswasser durchspült und so Nahrung aus dem Wasser filtriert. Um Bioirrigation in Wohnröhren mit einem Durchmesser von ca. 1,7 mm zu untersuchen, wurden geeignete Messmethoden entwickelt, mit denen für das 4. Larvenstadium die Parameter Fließgeschwindigkeit (14,9 mm/s), Pumpzeit (33 min/h) und Pumprate (61 ml/h) gemessen wurden. Bei einer Populationsdichte von 745 Larven/m2 kann somit ein Wasservolumen äquivalent zum Volumen des Müggelsee in Berlin, innerhalb von 5 Tagen durch das Sediment gepumpt werden. Die Positronen-Emissions-Tomographie wurde für die Sedimentanalytik adaptiert und der Transport im Porenwasser analysiert. Mit den Untersuchungen wure gezeigt, dass auch in schlammigen Seesedimenten ein advektiver Transport durch Bioirrigation verursacht wird, der nicht zu vernachlässigen ist. Steigende Temperaturen resultieren aufgrund steigender Fließgeschwindigkeit in einen signifikanten Anstieg der Pumprate sowie der Eintragsrate von Überstandswasser ins Sediment. Ein abfallender Sauerstoffgehalt verlängert die Pumpzeit und führt zu einer sinkenden Fließgeschwindigkeit. Außerdem wird aus den Untersuchungen eine jahreszeitliche Variabilität der Bioirrigation sichtbar, welche unabhängig von konstanten Laborbedingungen auftritt. Mit dem Wasserstrom werden Porenwasserspezies wie SRP in den Wasserkörper abtransportiert, wohingegen SO42- und O2 aus dem Überstandswasser in das Sediment eingetragen werden. Ferner kommt es zur Oxidation von Fe2+ infolgedessen Phosphat im Sediment festgelegt wird, wie mittels P-Fraktionierung gezeigt werden konnte. Mikrobiologische Untersuchungen zeigten, dass Bioirrigation die mikrobielle Abundanz steigert, die Bakteriengemeinschaft verändert und das Potential zur enzymatischen Hydrolyse erhöht. / The aim of this thesis is to fill gaps of knowledge regarding bioirrigation in freshwater sediments. Chironomus plumosus was chosen for the investigations since the filter-feeding larva dwelling in U-shaped burrows is quite common and flushes its burrow with water from the overlying water body. To investigate bioirrigation activity in burrows of approximately 1.7 mm in diameter appropriate measurement techniques were developed. With the methods several parameters were measured for 4th stage of larvae: flow velocity (14.9 mm s-1), pumping time (33 min h-1), and pumping rate (61 ml h-1). Consequently, a water volume equivalent to the volume of Lake Müggelsee in Berlin is pumped through the sediment every 5 days by a population density of 745 larvae m-2. The nuclear medicine imaging technique Positron Emissions Tomography was adapted and used to analyze the transport in the sediment pore water. By means of the experiments, it could be shown that even in muddy lake sediments advection is a relevant transport process and should not be neglected. Rising temperatures result in increased pumping rates and increased influx rates of surface water into the sediment due to increased flow velocities in the burrows. Dropping oxygen concentrations prolong the pumping duration while the flow velocity decreases. Furthermore, experiments show a seasonal variability of bioirrigation which is independent of constant laboratory conditions. Pore water species such as SRP are transported with the water flow into the overlying water body, whereas SO42- and O2 are transported from the overlying water into the sediment. Due to the oxidation of Fe2+, phosphorus is fixed into the sediment, a result confirmed by P-fractionation. Microbiological investigations of the burrow walls demonstrated that the bioirrigation activity enhances the microbial abundance, changes the community structure, and increases the potential of enzymatic hydrolysis.

An einer rieselfeldbürtigen Altlast werden Ausbreitungs- und Abbaumechanismen von Ammonium basierend auf hydrogeochemischen Parametern und stabilen Isotopen identifiziert und modelliert. Da das Rieselfeld seit fast 20 Jahren geschlossen ist, können auch die Dekontaminationsprozesse untersucht werden. Die Ammoniumausbreitung wird durch Kationenaustausch gesteuert, der durch Eintrag und Akkumulation von abwasserbürtigem organischem Material (OM) zusätzlich erhöht ist. Die stabilen Isotope von Ammonium und Nitrat zeigen vollständigen Abbau des reaktiv verfügbaren Ammoniums durch Nitrifikation in der aeroben Zone direkt an der Schadstoffquelle an. Das entstehende Nitrat wird abstromig durch heterotrophe Denitrifikation abgebaut. Wie die reaktive Stofftransportmodellierung zeigt, sind die am oberen Rand der Fahne im Abstrom des Rieselfeldes auftretenden erhöhten delta15N-Signaturen von Ammonium entweder auf dortige Nitrifikation oder Anammox nahe der Schadstoffquelle zurückzuführen. Das akkumulierte OM liefert durch seine Austauschwirksamkeit zusätzliches Ammonium während der Dekontaminationsphase. Andererseits ermöglicht eingelöstes DOC die Entfernung des sekundären Nitrats durch heterotrophe Denitrifikation. Sollte OM aufgebraucht werden, besteht die Gefahr der Ausbreitung von Nitrat. Sollte innerhalb der Ammoniumfahne Sulfidminerale akkumuliert worden sein, bestünde dann die Gefahr erhöhter Sulfatfrachten durch autotrophe Denitrifikation. Es kann gezeigt werden, dass mit einem reaktiven Multikomponenten-Transportmodell das Langzeitverhalten von Ammonium im Feldmaßstab besser simuliert werden kann als mit einem auf Sorptionsisothermen (Henry, Freundlich) beruhenden Transportmodell. Prognosesimulationen liefern einen deutlich längeren Dekontaminationszeitraum bei Verwendung des reaktiven Modells. Die Anwendbarkeit der Sorptionsisothermen im Feldmaßstab ist deshalb, vor allem bei der Ermittlung von Dekontaminationszeiträumen, grundsätzlich in Frage zu stellen. / Using the example of a contaminant site caused by sewage farm operation ammonium fate and attenuation are identified and modelled based upon hydrogeochemical parameters and stable isotopes. A feature of the site is the chance to investigate the decontamination processes in a contaminant source, which was closed 20 years ago. The ammonium plume migration is controlled by cation exchange, which is increased due to infiltration and accumulation of sewage based organic matter (OM). Complete nitrification of available, i.e. desorbed, ammonium in the aerobic zone directly below the sewage farm is detectable based upon stable isotopes of ammonium and nitrate. The secondary nitrate is degraded downstream the contamination source by heterotrophic denitrification. It is shown by reactive contaminant transport modelling, that increased delta15N signatures at the upper fringe of the plume downstream of the source are caused by nitrification on site or by Anammox close to the contaminant source. The exchange affecting accumulated OM cause a release of additional ammonium. On the other hand DOC dissolved from OM facilitates degradation of secondary nitrate due to heterotrophic denitrification. In the case of depleted OM the risk of nitrate migration is arising. In the case of accumulated sulphide minerals which are precipitated due to redox processes during the sewage water infiltration, there may be a risk of increased sulphate loads due to autotrophic denitrification. It can be shown that a reactive multicomponent transport model is better suited to simulate the long term migration of ammonium in field scale than a transport model based on sorption isotherms (Henry, Freundlich). With regard to the aquifer decontamination the application of the reactive transport model yields a longer future decontamination period than the simple retardation model. Hence the applicability of sorption isotherms in field scale is doubtful, especially for investigations of aquifer decontamination.

Obwohl der Bedeutung von hyporheischen Zonen als Übergangsbereiche zwischen Flüssen und angrenzenden alluvialen Aquiferen eine wachsende Anerkennung zuteilwird, sind dynamische hyporheische Reaktionen auf instationäre hydrologische Bedingungen weiterhin signifikant untererforscht. Um diese Lücke zu schließen, liegt der Fokus dieser Doktorarbeit insbesondere auf den Effekten transienter Abflussverhalten und Temperaturschwankungen in Flüssen auf die raumzeitliche Variabilität von hyporheischen Austauschprozessen. Unter Beachtung dieser Ziele wird ein neues physikalisch basiertes numerisches Modell vorgeschlagen und schließlich angewandt, um systematisch die hyporheischen, durch Sedimentoberflächenstrukturen ausgelösten Reaktionen auf eine Reihe von künstlichen und natürlichen Abflussregimen abzuschätzen. Parameter wie das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone, hyporheische Austauschrate, mittlere Aufenthaltszeit, Temperatur des hyporheischen Flusses sowie das Denitrifikationspotenzial werden definiert, um den Einfluss der Antriebskräfte und Regulatoren auf dynamische hyporheische Reaktionen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Abfluss generell das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone vergrößert wird; jedoch bestimmen geomorphologische Bedingungen und Grundwasserflüsse erheblich das Ausdehnen und Zusammenziehen hyporheischer Zonen zusammen mit Strömungen, Wärme- und Stoffaustausch zwischen Fluss und Grundwasser. Temperaturvariabilität, ein wichtiger Faktor, welcher oft in hydrodynamischen Studien vernachlässigt wird, zeigt direkte kontrollierende Effekte beim Bestimmen hyporheischer Austauschraten und mittlerer Aufenthaltszeiten. Weiterhin spielt die Dynamik von Grundwasserständen eine entscheidende Rolle bei hyporheischen Austauschprozessen. Das Optimieren der Terminierung von Grundwasserförderung ist ausschlaggebend für die Regulierung von Wasserqualität, Nährstoffkreisläufen und der Entstehung thermischer hyporheischer Refugien. / Although there is a growing recognition of the importance of hyporheic zones as transitional areas connecting rivers and adjacent alluvial aquifers, the dynamic hyporheic responses to unsteady hydrological conditions are still significantly understudied. To bridge this gap, the present PhD thesis primarily focuses on the effects of transient river discharge and temperature fluctuations on the spatiotemporal variability of hyporheic exchange processes. With these objectives in mind, a novel physically based numerical model is proposed and then applied to systematically evaluate bedform-induced hyporheic responses to a series of synthetic and natural hydrological regimes. Metrics including spatial hyporheic extent, hyporheic exchange rate, mean residence time, temperature of hyporheic flux, and denitrification potential are defined to quantify the impact of drivers and modulators of dynamic hyporheic responses. Results indicate that increasing river discharge generally enlarges the spatial hyporheic extent; however, geomorphological settings and groundwater fluxes substantially modulate the expansion and contraction of hyporheic zones along with flow, heat and solute exchange between river and groundwater. Temperature variability, an important factor which is often neglected in hydrodynamic studies, displays direct controlling effects in determining hyporheic exchange rates and mean residence times. Groundwater table dynamics also play a critical role in hyporheic exchange processes. Optimizing the timing of aquifer pumping is crucial for regulation of water quality, nutrient cycling, and the formation of thermal hyporheic refugia. The findings largely advanced our mechanistic understandings of dynamic hyporheic responses to varying transient flow and temperature conditions, and therefore shed lights on improving river management and restoration strategies.

Hochwasserschadensprozesse werden von den drei Komponenten des Hochwasserrisikos bestimmt – der Gefahr, der Exposition und der Vulnerabilität. Dabei bleiben wichtige Einflussgrößen auf die Vulnerabilität, wie die private Hochwasservorsorge aufgrund fehlender quantitativer Informationen unberücksichtigt. Diese Arbeit entwickelt daher eine robuste statistische Methode zur Quantifizierung des Einflusses von privater Hochwasservorsorge auf die Reduzierung der Vulnerabilität von Haushalten bei Hochwasser. Es konnte gezeigt werden, dass in Deutschland private Hochwasservorsorgemaßnahmen den durchschnittlichen Hochwasserschaden pro Wohngebäude um 11.000 bis 15.000 Euro reduzieren. Hochwasserschadensmodelle mit Expertenwissen und datengestützten Methoden sind dabei am besten in der Lage Unterschiede in der Vulnerabilität durch private Hochwasservorsorge zu erkennen. Die über Hochwasserschadenprozesse erhobenen Daten und Modellannahmen sind von Unsicherheit geprägt und so sind auch Schätzungen mit. Die Bayesschen Modelle, die in dieser Arbeit entwickelt und angewandt werden, nutzen Annahmen über Schadensprozesse als Prior und empirische Daten zur Aktualisierung der Wahrscheinlischkeitsverteilungen. Die Modelle bieten Hochwasserschadensschätzungen als Verteilung, welche die Bandbreite der Variabilität der Schadensprozesse und die Unsicherheit der Modellannahmen abbilden. Hochwasserschadensmodelle, hinsichtlich der Prognoseerstellung und Anwendbarkeit. Ins Besondere verbessert die Verwendung einer Beta–Verteilung die Zuverlässigkeit der Modellergebnisse im Vergleich zu den häufig genutzten Gaußschen oder nicht parametrischen Verteilungen. Der hierarchische Bayessche Ansatz schafft eine verbesserte Parametrisierung von Wasserstand-Schadens-Funktionen und ersetzt so die Notwendigkeit empirischer Daten durch regional- und Ereignis-spezifisches Expertenwissen. Auf diese Weise kann die Vorhersage bei einer zeitlich und räumlichen Übertragung des Models verbessert werden. / Flood damage processes are influenced by the three components of flood risk - hazard, exposure and vulnerability. In comparison to hazard and exposure, the vulnerability component, though equally important is often generalized in many flood risk assessments by a simple depth-damage curve. Hence, this thesis developed a robust statistical method to quantify the role of private precaution in reducing flood vulnerability of households. In Germany, the role of private precaution was found to be very significant in reducing flood damage (11 - 15 thousand euros, per household). Also, flood loss models with structure, parameterization and choice of explanatory variables based on expert knowledge and data-driven methods were successful in capturing changes in vulnerability, which makes them suitable for future risk assessments. Due to significant uncertainty in the underlying data and model assumptions, flood loss models always carry uncertainty around their predictions. This thesis develops Bayesian approaches for flood loss modelling using assumptions regarding damage processes as priors and available empirical data as evidence for updating. Thus, these models provide flood loss predictions as a distribution, that potentially accounts for variability in damage processes and uncertainty in model assumptions. The models presented in this thesis are an improvement over the state-of-the-art flood loss models in terms of prediction capability and model applicability. In particular, the choice of the response (Beta) distribution improved the reliability of loss predictions compared to the popular Gaussian or non-parametric distributions; the Hierarchical Bayesian approach resulted in an improved parameterization of the common stage damage functions that replaces empirical data requirements with region and event-specific expert knowledge, thereby, enhancing its predictive capabilities during spatiotemporal transfer.

Die Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung der Nährstoffverfügbarkeit und des Nährstoffflusses erschweren das Verständnis von Nährstoffkreislauf und Nährstofftransportprozessen und die Vorhersage des Verhaltens von Nährstoffen. Diese Arbeit beginnt mit einer Literaturüberblick über Arten und Quellen von Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen in Gewässern. Basierend auf dieser Überblick werden drei Fallstudien zur Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen unter Berücksichtigung von Unsicherheiten vorgestellt. In der ersten Studie wurden die Unsicherheiten verschiedener Inferenzmethoden zur Klassifizierung des Gewässergüte in Bezug auf den gesamten reaktiven Phosphor (TRP) mit hochaufgelösten Daten aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten bewertet. In der zweiten Studie wurden die in den hochauflösenden Daten beobachteten Konzentrations-Abfluss (C-Q) Hysteresen mit einem empirischen Modell formuliert, um TRP-Transferereignisse zu charakterisieren. Die Quelle und Pfade von Nährstoffübertragungen wurden aus den Ergebnissen abgeleitet, um Entscheidungen im Wassermanagement zu unterstützen. Die Konzentration-Abfluss-Temperatur (C-Q-T) Beziehung wurde für Nitrat (NO3) in einem von Borkenkäferbefall betroffenen Waldeinzugsgebiet untersucht. Die zeitlichen Variationen der Parameter eines einfachen mechanistischen Modells informierten über die Entwicklung der hydrobiochemischen Prozesse als Reaktion auf die natürliche Störung. In einem interdisziplinären Essay, der diesen Fallstudien folgt, wurde eine buddhistische Perspektive eingenommen und diskutiert, worin die grundsätzlichen Ursachen für das Leiden unter Unsicherheit in der Wissenschaft liegen, sowie Möglichkeiten, Wissenschaft mit Selbstreflexion, Mitgefühl und Frieden zu betreiben. In den Schlussfolgerungen wird eine Kontemplation über die Erfahrung, mit der Unsicherheit in der hydrologischen Wissenschaft in dieser Dissertation präsentiert. / Uncertainty in monitoring and modelling availability and flux of nutrient pollutants obscures understanding of nutrient cycle and transport processes and prediction of nutrient behaviours. This thesis starts with a literature review of types and sources of uncertainty in monitoring and modelling of the nutrients in waters. Based on this review, three study cases of monitoring quantities and modelling behaviours of the nutrients with the considerations of uncertainty are presented. In the first study, the uncertainties of different inference methods for classifying physico-chemical status in terms of total reactive phosphorus (TRP) were assessed based on high-resolution data from agricultural catchments. In the second study, concentration-discharge (C-Q) hystereses observed in the high-resolution data were formularised with an empirical model and to characterise TRP transfer events at the sub-hourly scale. The sources and pathways of nutrient transfers were inferred from the transfer event characteristics to inform major targets for water management measures. In the third study, the C-Q relationship was further researched for nitrate (NO3) at a bi-weekly to monthly frequency in a forest catchment affected by bark beetle infestation. The temporal variations of the parameters of a simple mechanistic model describing the concentration-discharge-temperature (C-Q-T) relationship informed the evolution of catchment-scale hydrological and biogeochemical processes in response to the natural disturbance. In an interdisciplinary essay following the case studies, a Buddhist perspective on fundamental causes of the suffering around uncertainty in science and ways to pursue science with self-reflection, compassion and peacefulness were discussed. Contemplations on the experience of confronting the uncertainty in the hydrological science of this thesis are also presented in the conclusions.

Der hydrologische Kreislauf versorgt die Menschheit mit Wasserressourcen, die für ihr Wohlergehen unabdingbar sind. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis über klimabedingte Veränderungen des hydrologischen Kreislaufs zu verbessern, wie diese die Verfügbarkeit von Wasserressourcen in der Zukunft beeinflussen und welche Möglichkeiten bestehen, den Druck auf die verfügbaren Wasserressourcen durch Verringerung des anthropogenen Wasserverbrauchs zu reduzieren. Diese Dissertation zeigt, dass der Klimawandel eine große Bedrohung für die Wasserversorgung der zukünftigen Bevölkerung darstellt. Durch Begrenzung des Anstiegs der globalen Mitteltemperatur auf 2 K oder sogar 1,5 K über das vorindustrielle Niveau können gravierende negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit jedoch weitgehend vermieden werden. Dennoch wären einige Regionen wie der Mittelmeerraum "eher wahrscheinlich" von schwerwiegenden hydrologischen Veränderungen betroffen, und in großen Teilen der Welt könnten negative Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit aufgrund der großen Unsicherheiten in den Projektionen nicht ausgeschlossen werden. Bei der Untersuchung der Nachfrageseite liegt der Schwerpunkt auf der Wassernutzung in der Tierproduktion. Diese Dissertation schätzt den gegenwärtigen Wasserverbrauch für die Produktion von Tierfutter auf 4666 km3/yr (44 % des gesamten landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs). Große Verbesserungen der Wasserproduktivität können bei Schweinen und Geflügel durch Verbesserungen sowohl in der Futtermittelproduktion als auch in der Tierhaltung erzielt werden. Bei Wiederkäuern liegt das größte Potenzial in der Verbesserung der Tierhaltung. Allerdings geht eine effizientere Futterverwertung bei Wiederkäuern, die durch erhöhte Beigabe von Kraftfutter erzielt wird, mit einem erhöhten Wasserbedarf für die Produktion des Futters einher. Dadurch ist die Verbesserung der Wasserproduktivität bei Wiederkäuern begrenzt. / The hydrological cycle provides humanity with water resources that are essential for its well-being. The aim of this thesis is to advance the understanding of climate-related changes in the hydrological cycle, how they will affect the availability of water resources in the future, and what opportunities exist to reduce anthropogenic water use to lower the pressure on water resources. This thesis demonstrates that climate change is a large threat to freshwater supply for future populations. Limiting the increase in global mean temperature to 2 K or even 1.5 K above pre-industrial levels can mitigate most of the severe negative impacts on water resources. However, some regions such as the Mediterranean would still ‘more likely than not’ be affected by severe hydrological change, and in large parts of the world, negative impacts on water availability could not be ruled out due to the large uncertainties in the projections. On the demand side, the focus is on water use in the livestock sector. This thesis estimates that about 4666 km3/yr (44 % of total agricultural water use) are currently used for feed production for the livestock sector. Large improvements in livestock water productivity can be achieved for pigs and poultry by improvements in feed production and livestock rearing alike. For ruminants, the largest potential lies in improving livestock management. However, improving the feed use efficiency of ruminants through increased supplementation with forage crops comes at the cost of increased water requirements to produce the feed. This limits the potential for improving livestock water productivity in ruminant production.

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.

Die Landwirtschaft ist heute der wichtigste Treiber der globalen Degradation von Ökosystemen. Es existiert jedoch wenig konkretes Wissen, wie Ökosysteme zu schützen sind und gleichzeitig die Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung gesichert werden kann. In dieser Dissertation untersuche ich Optimierungsmöglichkeiten im landwirtschaftlichen Wassermanagement. Ich quantifiziere praxisorientierte Verbesserungen der Regenwassernutzung und Optimierungen von Bewässerungssystemen, unter Einhaltung der „environmental flow requirements“ (EFRs). Um diese komplexen Interaktionen zu untersuchen, entwickle ich ein agro-hydrologisches Modell auf Basis detaillierter, mechanistischer Prozessabbildung weiter. Erstens, 39% der derzeitigen Wasserentnahmen für Bewässerung sind nicht nachhaltig und somit auf Kosten der Ökosysteme. Zweitens, solche lokalen Wasserentnahmegrenzen legen nahe, dass die globale Grenze für den menschlichen Wasserverbrauch deutlich niedriger liegt, als bisher angenommen (2800 vs 4000 km3yr-1). Drittens, die Implementierung von EFRs würde die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigen, mit >20% in stark bewässerten Gebieten. Verbesserte Nutzung des Niederschlagswassers und die Optimierung von Bewässerungssystemen, können die weltweite Nahrungsmittelproduktion allerdings um rund 40% nachhaltig steigern - ausreichend, um die Nahrungsmittellücke der wachsenden Weltbevölkerung bis 2050 zu halbieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die erste umfassende und systematische Einschätzung globaler Potentiale der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft aus der Wasserperspektive dar. Die in dieser Arbeit vorgebrachten innovativen und quantitativen Erkenntnisse legen nahe, dass das Potential der diskutierten Interventionen höhere politische Aufmerksamkeit erfahren sollte. Meine Ergebnisse können eine konkretere Diskussion zur Umsetzung der Sustainable Development Goals untermauern. / Agriculture is today''s most important driver of ecosystem degradation across scales. However, there is little evidence on how to attain the historic twin-challenge of maintaining environmental integrity while producing enough food for a growing world population. In this thesis, I assess opportunities in agricultural water management to reconcile future food needs with environmental limits to water use. I explore solution-oriented ways to improve rainfed and irrigation systems alike, while safeguarding environmental flows (EFRs). To study complex interactions quantitatively, I advanced a state-of-the-art global modeling framework based on detailed, mechanistic process representation. First, a systematic upscaling of EFRs to global coverage indicates that 39% of current freshwater withdrawals for irrigation are unsustainable and occur at the cost of ecosystems. Second, accounting for EFRs indicates that the planetary boundary for freshwater use might be notably lower (2800 vs. 4000 km3yr-1) than expected. Third, maintaining EFRs would significantly affect food production, cutting >20% of total kcal production across intensely irrigated areas. Fourth, improving irrigation systems in combination with optimizing the use of precipitation water, provides effective and accessible measures to compensate for adverse impacts from protecting EFRs and climate change. Such integrated interventions could sustainably intensify global food production (+40% kcal) to the degree sufficient to halve the global food gap by 2050. In conclusion, this thesis provides the first comprehensive and systematic assessment of hitherto largely unquantified water opportunities in sustainable intensification of agriculture. While requiring corroboration by finer-scale research, the innovative quantitative foundation provided in this thesis suggests that farm water management merits a rise in political attention, and it can inform a more comprehensive discussion of related SDG target interactions.

Die Dissertation erforscht die Unsicherheit, Sensitivität und Grenzen großskaliger Erosionsmodelle. Die Modellierung basiert auf der allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG), Sedimenteintragsverhältnissen (SDR) und europäischen Daten. Für mehrere Regionen Europas wird die Bedeutung der Unsicherheit topographischer Modellparameter, ABAG-Faktoren und kritischer Schwebstofffrachten für die Anwendbarkeit empirischer Modelle zur Beschreibung von Sedimentfrachten und SDR von Flusseinzugsgebieten untersucht. Der Vergleich alternativer Modellparameter sowie Kalibrierungs- und Validierungsdaten zeigt, dass schon grundlegende Modellentscheidungen mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Zur Vermeidung falscher Modellvorhersagen sind kalibrierte Modelle genau zu dokumentieren. Auch wenn die geschickte Wahl nicht-topographischer Algorithmen die Modellgüte regionaler Anwendungen verbessern kann, so gibt es nicht die generell beste Lösung. Die Ergebnisse zeigen auch, dass SDR-Modelle stets mit Sedimentfrachten und SDR kalibriert und evaluiert werden sollten. Mit diesem Ansatz werden eine neue europäische Bodenabtragskarte und ein verbessertes SDR-Modell für Einzugsgebiete nördlich der Alpen und in Südosteuropa abgeleitet. In anderen Regionen Europas ist das SDR-Modell bedingt nutzbar. Die Studien zur jährlichen Variabilität der Bodenerosion zeigen, dass jahreszeitlich gewichtete Niederschlagsdaten geeigneter als ungewichtete sind. Trotz zufriedenstellender Modellergebnisse überwinden weder sorgfältige Algorithmenwahl noch Modellverbesserungen die Grenzen europaweiter SDR-Modelle. Diese bestehen aus der Diskrepanz zwischen modellierten Bodenabtrags- und maßgeblich zur beobachteten bzw. kritischen Sedimentfracht beitragenden Prozessen sowie der außergewöhnlich hohen Sedimentmobilisierung durch Hochwässer. Die Integration von nicht von der ABAG beschriebenen Prozessen und von Starkregentagen sowie die Disaggregation kritischer Frachten sollte daher weiter erforscht werden. / This dissertation thesis addresses the uncertainty, sensitivity and limitations of large-scale erosion models. The modelling framework consists of the universal soil loss equation (USLE), sediment delivery ratios (SDR) and European data. For several European regions, the relevance of the uncertainty in topographic model parameters, USLE factors and critical yields of suspended solids for the applicability of empirical models to predict sediment yields and SDR of river catchments is systematically evaluated. The comparison of alternative model parameters as well as calibration and validation data shows that even basic modelling decisions are associated with great uncertainties. Consequently, calibrated models have to be well-documented to avoid misapplication. Although careful choices of non-topographic algorithms can also be helpful to improve the model quality in regional applications, there is no definitive universal solution. The results also show that SDR models should always be calibrated and evaluated against sediment yields and SDR. With this approach, a new European soil loss map and an improved SDR model for river catchments north of the Alps and in Southeast Europe are derived. For other parts of Europe, the SDR model is of limited use. The studies on the annual variability of soil erosion reveal that seasonally weighted rainfall data is more appropriate than unweighted data. Despite satisfactory model results, neither the careful algorithm choice nor model improvements overcome the limitations of pan-European SDR models. These limitations are related to the mismatch of modelled soil loss processes and the relevant processes contributing to the observed or critical sediment load as well as the extraordinary sediment mobilisation during floods. Therefore, further research on integrating non-USLE processes and heavy-rainfall data as well as on disaggregating critical yields is needed.