Zugl.: Ludwigsburg, Pädag. Hochsch., Diss., 2009

University, Diss., 2001--Heidelberg.

University, Diss., 2004--Kiel.

Zugl.: Clausthal, Techn. Universiẗat, Diss., 2009.

Universiẗat, Diss., 1998--Heidelberg.

Thesis (doctoral)--BauhausUniversiẗat, Weimar, 2004.

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.

Die ökologische Bewertung von Bauteilen stößt in der Praxis auf erhebliche Wissens- und Anwendungsdefizite. Die Komplexität der an Bauteile gestellten Forderungen und die unterschiedlichen Informationsinteressen von Bauherren, Planern und Produzenten erschweren die Entwicklung geeigneter Informations- und Bewertungsmodelle. Eine am IÖR durchgeführte Forschungsarbeit hat die Anwendungsmöglichkeiten der Ökobilanz als Analyse- und Bewertungsinstrument geprüft. Im Rahmen der Arbeit wurden methodische Probleme untersucht und ein Bewertungsansatz für Bauteile entwickelt. Es wird deutlich, dass die Ergebnisse der Ökobilanz für den Planer von Bedeutung sind, dass er als Entscheidungshilfe jedoch einen inhaltlich breiteren Bewertungsansatz benötigt. Es wird vorgeschlagen, die Bilanz von Bauteilen neben den für eine Ökobilanz typischen Umweltwirkungen um funktionsbezogene, technische, gesundheitsorientierte und wirtschaftliche Aspekte zu erweitern. Des Weiteren wird festgestellt, dass die Bilanzierung von Bauteilen vom methodischen Ansatz her stets eine Kombination aus Produkt- und Betriebsbilanz ist, wobei die betriebliche Bilanzierung aufgrund der langen Nutzungsdauer von Bauprodukten stärker in den Vordergrund rücken sollte.

Die ökologische Bewertung von Bauteilen stößt in der Praxis auf erhebliche Wissens- und Anwendungsdefizite. Die Komplexität der an Bauteile gestellten Forderungen und die unterschiedlichen Informationsinteressen von Bauherren, Planern und Produzenten erschweren die Entwicklung geeigneter Informations- und Bewertungsmodelle. Eine am IÖR durchgeführte Forschungsarbeit hat die Anwendungsmöglichkeiten der Ökobilanz als Analyse- und Bewertungsinstrument geprüft. Im Rahmen der Arbeit wurden methodische Probleme untersucht und ein Bewertungsansatz für Bauteile entwickelt. Es wird deutlich, dass die Ergebnisse der Ökobilanz für den Planer von Bedeutung sind, dass er als Entscheidungshilfe jedoch einen inhaltlich breiteren Bewertungsansatz benötigt. Es wird vorgeschlagen, die Bilanz von Bauteilen neben den für eine Ökobilanz typischen Umweltwirkungen um funktionsbezogene, technische, gesundheitsorientierte und wirtschaftliche Aspekte zu erweitern. Des Weiteren wird festgestellt, dass die Bilanzierung von Bauteilen vom methodischen Ansatz her stets eine Kombination aus Produkt- und Betriebsbilanz ist, wobei die betriebliche Bilanzierung aufgrund der langen Nutzungsdauer von Bauprodukten stärker in den Vordergrund rücken sollte.:Tabellenverzeichnis................................................................................VI Abbildungsverzeichnis...........................................................................VII Einleitung.................................................................................................1 A Bestimmung eines spezifischen Bilanzansatzes – methodische Untersuchungen zu Bilanzmodellen.........................................................5 1 Stoffstrombetrachtungen und Ökobilanz – Zusammenhänge...............7 1.1 Stoffstrombetrachtungen – Antwort auf das Umdenken in der Umweltpolitik...........................................................................................7 1.2 Stoffstrommanagement – Einordnung der Ökobilanz........................7 2 Unterschiedliche Bilanzmodelle im Rahmen von Stoffstrombetrachtungen – Methodendiskussion..............................................................................11 2.1 Ökobilanzen als Synonym für die Analyse und Bewertung von Stoff- und Energieflüssen......................................................................11 2.2 Unterschiedliche Bilanzmodelle im Rahmen von Stoffstrombetrachtungen.......................................................................12 2.3 Auswertung der dargestellten Modelle............................................22 3 Produkt- und Betriebs-Ökobilanzen – Detailuntersuchungen.............25 3.1 Ökobilanzen – allgemeine Definition................................................25 3.2 Produkt-Ökobilanzen nach ISO-Norm..............................................25 3.2.1 Festlegung des Zieles und des Untersuchungsrahmens..............28 3.2.2 Sachbilanz....................................................................................29 3.2.3 Wirkungsabschätzung..................................................................29 3.2.4 Auswertung..................................................................................30 3.3 Betriebs-Ökobilanzen......................................................................30 3.4 Produkt- und Betriebs-Ökobilanz im Vergleich.................................32 4 Spezifischer Bilanzansatz für Bauteile................................................34 4.1 Betrachtungsgegenstand Bauteil – Besonderheiten.......................34 4.2 Bestimmung eines spezifischen Bilanzansatzes für Bauteile...........35 B Eingrenzung eines spezifischen Bilanzrahmens – methodische Untersuchungen zu Betrachtungsinhalten und -grenzen......................39 1 Problembereiche im Rahmen der Produkt-Ökobilanz..........................41 1.1 Zieldefinition....................................................................................41 1.1.1 Funktionale Äquivalenz.................................................................42 1.1.2 Untersuchungsrahmen.................................................................45 1.2 Sachbilanz.......................................................................................52 1.2.1 Input- und Outputgrößen in der Sachbilanz..................................52 1.2.2 Methodische und datenbezogene Probleme.................................54 2 Spezifik des Bauteiles Außenwand im Kontext planerischer Interessen und Ziele.............................................................................58 2.1 Anforderungen an das Bauteil Außenwand......................................58 2.2 Anforderungen an das Bauen – gesetzliche Bestimmungen, Verordnungen und Vorschriften.............................................................59 2.3 Interessen und Ziele der Akteursgruppe Planer..............................60 2.4 Eingrenzung eines spezifischen Bilanzrahmens für das Bauteil Außenwand............................................................................................65 3 Beschreibung des spezifischen Bilanzrahmens...................................69 3.1 Lebenswegphasen..........................................................................69 3.2 Lebenswegkriterien.........................................................................71 3.2.1 Funktionale Anforderungen..........................................................72 3.2.2 Ökologische Anforderungen..........................................................75 3.2.3 Ökonomische Anforderungen........................................................77 C Bilanzbeispiel – Bauteilbewertung im Test.........................................79 1 Außenwandvergleich auf Grundlage ausgewählter Einzelkriterien.....81 1.1 Unterschiedliche Außenwandkonstruktionen – Aufbau und Mindestanforderungen..........................................................................81 1.2 Außenwandvergleich auf Grundlage unterschiedlicher Einzelkriterien ..............................................................................................................82 1.2.1 Bereich Funktion...........................................................................82 1.2.2 Bereich Gesundheit.......................................................................87 1.2.3 Bereich Stoffe/Energie..................................................................92 1.2.4 Bereich Ökonomie.........................................................................99 2 Außenwandvergleich – komplexe Bewertung...................................101 Zusammenfassung..............................................................................105 Anhang A – Spezifischer Bilanzansatz.................................................107 Anhang B – Spezifischer Bilanzrahmen................................................113 Anhang C – Bilanzbeispiel....................................................................117 Literaturverzeichnis.............................................................................123

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.