The work of an engineer is closely intertwined with safety. An engineer’s perception of the “safety” task is traditionally inherent in his or her design. However, in the technical world most machines and systems designed by engineers contain a human element, which engineers have to consider in their work. In the oil and gas upstream industry – especially drilling, production and workover operations – petroleum engineers (including drilling and production engineers) are responsible not only for design but also for operational and organizational aspects. The human factor becomes more important in complex offshore operations. Incorporating safety into a sys-tem design requires identifying, analyzing and evaluating risks and ensuring that any not accounted for are taken into consideration. This process requires communication among everyone involved in the process. Analysis of accidents in the oil and gas industry shows that often a lack of that communication led to incident triggering events. In this thesis, the author proposes a novel communication model that improves this exchange of information and supposedly makes the process of risk assessment more effective. In addition, the new model also incorporates factors such as emotions, feelings, needs and imagination into the risk assessment process. This broadens the information base for the risk identification and analysis and creates an atmosphere of psychological ownership for the stakeholders in the process, which leads to a perceived safety climate in the organization where the new model is applied. The innovative communication or consultation model, as it is also referred to in risk assessments, is based on a structured process used in conflict resolution called mediation. Mediation is an alternative conflict resolution process that is centered on mutual under-standing and listening to each other’s needs. The process is composed of elements that characterize it. These elements of mediation are used to assess other communication processes and to develop new communication models. The application of the elements of mediation and the safety-mediation consultation into the risk assessment process enables this process to be enhanced with human factors such as emotions, feelings, intuition and imagination. The inclusion of all stakeholders creates psychological ownership, improves communication, enables organizational learning and expands the knowledge base for risk analysis. The applicability of the safety-mediation consultation process for a human factor-based risk assessment is presented and tested using illustrative examples and field cases from the international oil and gas industry. Possible concerns and limitations are also discussed. This thesis shows that mediation and elements of the mediation process can be applied to improve communication in the international oil and gas industry. This is facilitated by educated safety mediators, who help the petroleum engineer and operational crew on a drilling rig to achieve a better understanding by ensuring that they hear and fully register each other’s needs.

Originally presented as the author's doctoral Thesis (Universität, St. Gallen, 2006). / Includes bibliographical references.

Originally presented as the author's doctoral Thesis (Universität, St. Gallen, 2006). / Includes bibliographical references.

Für zwei ausgewählte sächsische Betriebe wurden quantitative Risikoanalysen auf der Grundlage der vorliegenden Sicherheitsberichte mit einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelten Verfahren erstellt. Nach der Darstellung von bekannten Verfahren zur Durchführung von Risikoanalysen wird die daraus abgeleitete Methodik unter Berücksichtigung der Randbedingungen in Deutschland erläutert. Nach der Beschreibung der Modelle für die Auswirkungsbetrachtungen werden die möglichen Ansätze für die Bewertung der Auswirkungen von Stoff- und Energiefreisetzungen diskutiert. Ein wesentlicher Teil der Risikoanalyse umfasst die Berechnung der Eintrittshäufigkeiten der Szenarien. Hierfür sind Angaben über die Ausfallhäufigkeit von Anlagenteilen, insbesondere von Störfall verhindernden und -begrenzenden Einrichtungen erforderlich. Ausführlich werden die in der Literatur gefundenen Angaben miteinander verglichen und ein einheitlicher Datensatz für die Berechnungen zusammengestellt.

Im Elbtal zwischen tschechischer Grenze und Pirna wurden auf einer Strecke von rund 30 km entlang der teilweise steil aufragenden Felsanschnitte mögliche Sturz-, Rutsch- und Murgangszenarien beurteilt. Daraus wurden die Auswirkungen für die Elbufer und den gesamten Flussquerschnitt unter Einbeziehung von nummerischen Modellierungen abgeleitet. Für die Berechnung und Modellierung wurden das Modell RAMMS und das Debris Flow Modul verwendet. Für Sturz-, Rutsch- und Murgangprozesse werden die »verklausungsrelevanten« Szenarien als äußerst unwahrscheinlich erachtet. Die generelle Gebirgsstabilität ist als gut einzuschätzen. Erstmalig wurden große Sturz-, Rutsch- und Murgangszenarien in einer sehr detaillierten Herangehensweise bearbeitet. Die Ergebnisse bilden eine fundierte Basis für weitere Betrachtungen. Redaktionsschluss: 28.02.2015

Prioritätensetzung in der Agrarforschung ist ein komplexes Entscheidungsproblem angesichts der Unsicherheit in der Abschätzung der erwarteten Wirkungen von Forschung und Technologien und den vielfältigen sozialen und wirtschaftlichen Zielen, die mit der Generierung von Wissen und neuen Technologien in landwirtschaftlichen Forschungsinstitutionen in Entwicklungsländern verbunden sind. Diese Arbeit versucht durch die Anwendung von formalen und quantitativen Evaluierungs- und Entscheidungsmethoden mit der besonderen Berücksichtigung von Unsicherheit und multiplen Zielen einen Beitrag zur Methodenverbesserung in der Prioritätensetzung zu leisten. Zur Darstellung dieser Methoden wurde als Fallstudie das nationale Milchviehforschungsprogramm des "Kenyan Agricultural Research Institute" (KARI) ausgewählt. Gegenstand der Analyse sind 19 geplante Forschungsprojekte, die anhand eines stochastischen Evaluierungsansatzes ("Economic Surplus" und Monte Carlo Simulation) hinsichtlich ihrer ökonomischen Wirkungen auf den kenianischen Milchmarkt untersucht wurden. Die Evaluierungsergebnisse der Forschungsprojekte und anschließende Bewertung anhand verschiedener stochastischer Dominanztests zeigen, daß die Ableitung einer klaren Präferenzstruktur und Rangordnung innerhalb der Projekte nach ökonomischen Kriterien, z.B. Gegenwartswert und Kosten-Nutzenrelation, in vielen Fällen nicht möglich ist, sondern vielmehr von den unterstellten Risikopräferenzen abhängt. Dies bedeutet, daß aus der Sicht eines Planers eine differenzierte und vorsichtige Interpretation und Beratung des Forschungsmanagements vorzunehmen ist. Dies steht im Gegensatz zu einer deterministischen Investitionsanalyse. Mehrere mathematische Programmierungsmodelle wurden zur Analyse von multiplen Zielen, der Untersuchung der Wirkungen von Verteilungsaspekten und unterschiedlicher Risikopräferenzen auf die Zusammensetzung eines optimalen Forschungsportfolios entwickelt und angewandt. Obwohl in den meisten Fällen eine Änderung der Risikoeinstellung auch eine Änderung des optimalen Portfolios bewirken würde, sind die ökonomischen Unterschiede gemessen am Gegenwartswert der alternativen Portfolios unbedeutend. Die Analyse der Zielkonflikte zwischen Effizienz- und Verteilungsziel wurde unter zwei unterschiedlichen Blickwinkeln für das Verteilungsziel untersucht: zum einen als räumliche und regionale Allokation des Forschungsnutzens, und zum anderen zwischen kenianischen Konsumenten und Produzenten von Milch. Aus den Modellergebnissen wird deutlich, daß eine spezielle Förderung von Produzenten- sowie Konsumenteninteressen nur beschränkt möglich ist, d.h. die jeweiligen Planungsoptionen nur geringe Umverteilungswirkungen erzielen. Ganz anders stellt sich die Situation bei einer regionalen Differenzierung dar. Dort würden je nach relativer Bedeutung einzelner Regionen starke Umverteilungswirkungen in den regionalen Einkommen auftreten. Allerdings sind diese Optionen im Vergleich zu einer "neutralen", d.h. regional indifferenten Ausrichtung mit großen Effizienzverlusten verbunden. / Priority setting in agricultural research is a complex decision making problem due to the inherent uncertainty surrounding the impact of research activities and the multiple social and economic research objectives under which research institutions in developing countries have to operate. This study attempts to apply formal and quantitative evaluation and decision making methods for a more rigorous and explicit analysis of the uncertainty and multiple research objectives. These methods are illustrated by applying them to a priority setting exercise for the National Dairy Research Program of the Kenyan Agricultural Research Institute (KARI) conducted in 1996. A set of 19 planned dairy research projects was proposed and specified by KARI scientists and the economic impact assessed based on a stochastic evaluation framework using economic surplus methods and Monte Carlo simulation. Results show that comparing these projects by stochastic dominance criteria with respect to the expected net present value and cost-benefit ratio the final rank order is very much subject to assumed risk preferences of the decision- makers. Thus, decision advice on the type of prioritised projects for implementation and fund raising is much less clear-cut than a deterministic evaluation would suggest. Mathematical programming techniques were applied to analyse the trade-off between multiple research objectives, to examine the distributional consequences of research, and to explore how different risk strategies (from risk aversion to risk proneness) would affect the selection of a optimal research portfolio from the planned dairy research projects. Although risk has a strong bearing on the composition of a research portfolio for various different funding levels the economic implications are not significant in terms of net present value. In a Multiple-objective programming framework the trade-off between efficiency and equity was examined. Equity concern was looked at two different angles: first, by a spatial distribution of the research benefits, and second by the distributions among consumer and producer groups. Results show a limited scope of directing the dairy research plan either for the sake of consumers or producers while the scope of targeting different production zones in Kenya is much larger although the trade-offs in terms of foregone welfare between different zones are very pronounced.

This thesis is concerned with the issue of extinction of populations composed of different types of individuals, and their behavior before extinction and in case of a very late extinction. We approach this question firstly from a strictly probabilistic viewpoint, and secondly from the standpoint of risk analysis related to the extinction of a particular model of population dynamics. In this context we propose several statistical tools. The population size is modeled by a branching process, which is either a continuous-time multitype Bienaymé-Galton-Watson process (BGWc), or its continuous-state counterpart, the multitype Feller diffusion process. We are interested in different kinds of conditioning on non-extinction, and in the associated equilibrium states. These ways of conditioning have been widely studied in the monotype case. However the literature on multitype processes is much less extensive, and there is no systematic work establishing connections between the results for BGWc processes and those for Feller diffusion processes. In the first part of this thesis, we investigate the behavior of the population before its extinction by conditioning the associated branching process X_t on non-extinction (X_t≠0), or more generally on non-extinction in a near future 0≤θ<∞ (X_{t+θ}≠0), and by letting t tend to infinity. We prove the result, new in the multitype framework and for θ>0, that this limit exists and is non-degenerate. This reflects a stationary behavior for the dynamics of the population conditioned on non-extinction, and provides a generalization of the so-called Yaglom limit, corresponding to the case θ=0. In a second step we study the behavior of the population in case of a very late extinction, obtained as the limit when θ tends to infinity of the process conditioned by X_{t+θ}≠0. The resulting conditioned process is a known object in the monotype case (sometimes referred to as Q-process), and has also been studied when X_t is a multitype Feller diffusion process. We investigate the not yet considered case where X_t is a multitype BGWc process and prove the existence of the associated Q-process. In addition, we examine its properties, including the asymptotic ones, and propose several interpretations of the process. Finally, we are interested in interchanging the limits in t and θ, as well as in the not yet studied commutativity of these limits with respect to the high-density-type relationship between BGWc processes and Feller processes. We prove an original and exhaustive list of all possible exchanges of limit (long-time limit in t, increasing delay of extinction θ, diffusion limit). The second part of this work is devoted to the risk analysis related both to the extinction of a population and to its very late extinction. We consider a branching population model (arising notably in the epidemiological context) for which a parameter related to the first moments of the offspring distribution is unknown. We build several estimators adapted to different stages of evolution of the population (phase growth, decay phase, and decay phase when extinction is expected very late), and prove moreover their asymptotic properties (consistency, normality). In particular, we build a least squares estimator adapted to the Q-process, allowing a prediction of the population development in the case of a very late extinction. This would correspond to the best or to the worst-case scenario, depending on whether the population is threatened or invasive. These tools enable us to study the extinction phase of the Bovine Spongiform Encephalopathy epidemic in Great Britain, for which we estimate the infection parameter corresponding to a possible source of horizontal infection persisting after the removal in 1988 of the major route of infection (meat and bone meal). This allows us to predict the evolution of the spread of the disease, including the year of extinction, the number of future cases and the number of infected animals. In particular, we produce a very fine analysis of the evolution of the epidemic in the unlikely event of a very late extinction. / Diese Arbeit befasst sich mit der Frage des Aussterbens von Populationen verschiedener Typen von Individuen. Uns interessiert das Verhalten vor dem Aussterben sowie insbesondere im Falle eines sehr späten Aussterbens. Wir untersuchen diese Fragestellung zum einen von einer rein wahrscheinlichkeitstheoretischen Sicht und zum anderen vom Standpunkt der Risikoanalyse aus, welche im Zusammenhang mit dem Aussterben eines bestimmten Modells der Populationsdynamik steht. In diesem Kontext schlagen wir mehrere statistische Werkzeuge vor. Die Populationsgröße wird entweder durch einen zeitkontinuierlichen mehrtyp-Bienaymé-Galton-Watson Verzweigungsprozess (BGWc) oder durch sein Analogon mit kontinuierlichem Zustandsraum, den Feller Diffusionsprozess, modelliert. Wir interessieren uns für die unterschiedlichen Arten auf Überleben zu bedingen sowie für die hierbei auftretenden Gleichgewichtszustände. Diese Bedingungen wurden bereits weitreichend im Falle eines einzelnen Typen studiert. Im Kontext von mehrtyp-Verzweigungsprozessen hingegen ist die Literatur weniger umfangreich und es gibt keine systematischen Arbeiten, welche die Ergebnisse von BGWc Prozessen mit denen der Feller Diffusionsprozesse verbinden. Wir versuchen hiermit diese Lücke zu schliessen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir das Verhalten von Populationen vor ihrem Aussterben, indem wir das zeitasymptotysche Verhalten des auf Überleben bedingten zugehörigen Verzweigungsprozesses (X_t|X_t≠0)_t betrachten (oder allgemeiner auf Überleben in naher Zukunft 0≤θ<∞, (X_t|X_{t+θ}≠0)_t). Wir beweisen das Ergebnis, neuartig im mehrtypen Rahmen und für θ>0, dass dieser Grenzwert existiert und nicht-degeneriert ist. Dies spiegelt ein stationäres Verhalten für auf Überleben bedingte Bevölkerungsdynamiken wider und liefert eine Verallgemeinerung des sogenannten Yaglom Grenzwertes (welcher dem Fall θ=0 entspricht). In einem zweiten Schritt studieren wir das Verhalten der Populationen im Falle eines sehr späten Aussterbens, welches wir durch den Grenzübergang auf θ→∞ erhalten. Der resultierende Grenzwertprozess ist ein bekanntes Objekt im eintypen Fall (oftmals als Q-Prozess bezeichnet) und wurde ebenfalls im Fall von mehrtyp-Feller-Diffusionsprozessen studiert. Wir untersuchen den bisher nicht betrachteten Fall, in dem X_t ein mehrtyp-BGWc Prozess ist und beweisen die Existenz des zugehörigen Q-Prozesses. Darüber hinaus untersuchen wir seine Eigenschaften einschließlich der asymptotischen und weisen auf mehrere Auslegungen hin. Schließlich interessieren wir uns für die Austauschbarkeit der Grenzwerte in t und θ, und die Vertauschbarkeit dieser Grenzwerte in Bezug auf die Beziehung zwischen BGWc und Feller Prozessen. Wir beweisen die Durchführbarkeit aller möglichen Grenzwertvertauschungen (Langzeitverhalten, wachsende Aussterbeverzögerung, Diffusionslimit). Der zweite Teil dieser Arbeit ist der Risikoanalyse in Bezug auf das Aussterben und das sehr späte Aussterben von Populationen gewidmet. Wir untersuchen ein Modell einer verzweigten Bevölkerung (welches vor allem im epidemiologischen Rahmen erscheint), für welche ein Parameter der Reproduktionsverteilung unbekannt ist. Wir konstruieren Schätzer, die an die jeweiligen Stufen der Evolution adaptiert sind (Wachstumsphase, Verfallphase sowie die Verfallphase, wenn das Aussterben sehr spät erwartet wird), und beweisen zudem deren asymptotische Eigenschaften (Konsistenz, Normalverteiltheit). Im Besonderen bauen wir einen für Q-Prozesse adaptierten kleinste-Quadrate-Schätzer, der eine Vorhersage der Bevölkerungsentwicklung im Fall eines sehr späten Aussterbens erlaubt. Dies entspricht dem Best- oder Worst-Case-Szenario, abhängig davon, ob die Bevölkerung bedroht oder invasiv ist. Diese Instrumente ermöglichen uns die Betrachtung der Aussterbensphase der Bovinen spongiformen Enzephalopathie Epidemie in Großbritannien. Wir schätzen den Infektionsparameter in Bezug auf mögliche bestehende Quellen der horizontalen Infektion nach der Beseitigung des primären Infektionsweges (Tiermehl) im Jahr 1988. Dies ermöglicht uns eine Vorhersage des Verlaufes der Krankheit inklusive des Jahres des Aussterbens, der Anzahl von zukünftigen Fällen sowie der Anzahl infizierter Tiere. Insbesondere ermöglicht es uns die Erstellung einer sehr detaillierten Analyse des Epidemieverlaufs im unwahrscheinlichen Fall eines sehr späten Aussterbens.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Eintretenswahrscheinlichkeit von Tagesbrüchen und das Risikomanagement am Beispiel von Rohrleitungen in tagesbruchgefährdeten Gebieten des Mitteldeutschen Braunkohlenreviers umfassend beleuchtet. Im ersten Schritt wurden die Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Überwachungs- und Sicherungsmaßnahmen analysiert. Es wird gezeigt, dass kein Überwachungsverfahren in der Lage ist, das unmittelbare Bevorstehen eines Tagesbruchs hinreichend genau zu prognostizieren. Die Verfahren können in der Regel nur Hinweise geben, die dann durch einen Spezialisten zu interpretieren sind. Die vorgestellten Sicherungsverfahren sind zwar teilweise in der Lage, den Tagesbruch oder seine Auswirkungen auf Rohrleitungen auf ein ungefährliches Maß zu senken. Jedoch sind diese Verfahren meist in der flächendeckenden Anwendung viel zu teuer. Um solche Verfahren nur noch punktuell an den größten Gefährdungsschwerpunkten einsetzen zu müssen, ist eine zuverlässige Bewertung der Eintrittswahrscheinlichkeit eines Tagesbruchs notwendig. Mit der Methodik der Spezifischen Bruchwahrscheinlichkeit kann erstmals die Eintrittswahrscheinlichkeit von Tagesbrüchen in einem Grubenfeld quantifiziert werden, worin auch die wesentliche wissenschaftliche Bedeutung der Arbeit liegt. Die Entwicklung von praktischen Zahlenwerten ermöglicht es, das Tagesbruchrisiko objektiv zu quantifizieren und somit die sicherheitstechnische Zulässigkeit der geplanten Oberflächennutzung zu bewerten.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen. / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.

St. Gallen, Univ., Diss., 2007.