Universiẗat, Diss., 2001--Bonn.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2007

Der Klimawandel hat spürbar vermehrt Extremwetter wie Starkregen und Dürren zur Folge. Sachsen war nach dem Extremhochwasser 2013 in den folgenden sieben Jahren immer wieder von Trockenheit und Dürre betroffen. Deren Auswirkungen waren auch lange nach 2020 im Boden, Grundwasser, Wasserhaushalt und in den Gewässern deutlich spürbar. Angesichts dieser Dürresituation hat das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie die Jahre 2014 bis 2020 interdisziplinär untersucht und bewertet. Die „Ereignisanalyse Trockenheit in Sachsen 2014-2020“ stellt die vielfältigen Auswirkungen, Erkenntnisse dar und ist die Grundlage, sich gegenüber zukünftigen Dürreereignissen mit geeigneten Anpassungsmaßnahmen besser aufzustellen. Redaktionsschluss: 13.06.2024

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Seit mehr als 100 Jahren wird Oberflächenwasser mit verschiedenen Verfahren versickert, wobei sich dessen Qualität stark verbessert. Sie finden zunehmend weltweit Anwendung, um eine zuverlässige Versorgung mit sauberem Trinkwasser zu gewährleisten. Solche Verfahren erfordern nur einen geringen technischen Aufwand. Während bei der Versicherung mit Schluckbrunnen und bei künstlichen Infiltrationsbecken das Wasser noch gepumpt und oft auch vorgereinigt werden muss, reduziert die Nutzung eines natürlichen Gewässers den Aufwand nochmals. Am Beispiel eines Untersuchungsgebiets am Tegeler See in Berlin werden die hydraulischen Prozesse modelliert. Die regionale, instationäre und 3-dimensionale Modellierung eines langen Zeitraums zeigt, dass die bisher verwendeten linearen Ansätze zur Beschreibung der Durchlässigkeit der Kolmationsschicht sowohl die infiltrierten Wassermengen als auch die Infiltrationsprozesse nur unzureichend wiedergeben. Grundwasserpiegelschwankungen werden stärker als bisher angenommen gedämpft. Als Folge dieser Wasserspiegelschwankungen wird die Bodenluft in der ungesättigten Bodenzone ausgetauscht und Sauerstoff eingetragen. Auf diese Weise erhöht sich die Durchlässigkeit der Kolmationsschicht um mindestens eine Größenordnung. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden eine instationäre Wasserbilanz aufgestellt und die Uferfiltratanteile bestimmt. Die genaue lokale Lage eines Grundwasserstauers wird mit Hilfe eines neu entwickelten inversen Modellkonzeptes bestimmt. Er wird mit räumlich verteilten Pilot Points und Überparameterisierung unter Nebenbedingungen kalibriert. Die Zielgröße sind Piezometerhöhenschwankungen. Kreuzvalidierung bestätigt, dass die Lage des Grundwasserstauers präzise bestimmt wird. Diese hat einen entscheidenden Einfluss auf das räumliche Strömungsfeld und liefert neue Anhaltspunkte zur Genese des Tegeler Sees. Ein Transportmodell liefert lediglich mit den hydraulisch kalibrierten Parametern eine genaue Anpassung der Durchbruchskurven von Chlorid, 18O und Temperatur. Dies kann als Vorhersage angesehen werden und zeigt die Güte des Modells. Es konnte gezeigt werden, dass der Sauerstoffeintrag die Redoxprozesse in der Infiltrationszone dominiert. In Kombination mit der Lage des Grundwasserstauers können so auch zuvor widersprüchliche und lokale geochemische Verhältnisse schlüssig interpretiert werden. Es wird eine Theorie entwickelt, die erklärt, wie die vertikale Schichtung von oxidiertem und reduziertem Wasser zu starker Verockerung der Brunnen führt. / Several kinds of managed aquifer recharge techniques provide very good purification of surface water since more than 100 years. In order to maintain a reliable supply of clean water, they are becoming increasingly popular all over the world. These methods require low technical effort. At Aquifer Storage and Recovery and ponded infiltration the recharged amounts are technically controlled. The infiltration water has to be pumped and often pretreated. At bank filtration this is dispensable, the approach, of using existing surface water bodies is even more consequent. Exemplarily, at a test site at Lake Tegel, Berlin, Germany, the hydraulic processes are modelled. By means of 3D long term regional and transient hydraulic modelling it was detected that the existing approaches for determining the leakance induce large errors in the water balance and describe the infiltration zone insufficiently. The leakance could be identified to be triggered by the groundwater table, causing air exchange and intrusion of atmospheric oxygen, which reduces clogging by altered redox conditions by at least one order of magnitude. This causes that changes of the groundwater table are mitigated much more than previously assumed. Taking these findings into account, a transient water balance is determined and bank filtration ratios are quantified. A new inverse modelling concept has been developed and applied to a 3D short term local and transient hydraulic model. It comprises spatially distributed pilot points and overparameterisation constrained by regularisation and calibration to head differences. Significance of the results is demonstrated by cross validation. With this approach the spatial distribution of an aquitard have been identified with high precision. The highly transient and heterogeneous flow conditions are specified and a new viewpoint on the geologic formation of Lake Tegel is obtained. The good fit of modelled and observed breakthrough curves of 18O, chloride and temperature by just using transferred parameters obtained with the previous hydraulic methods, show the very good model performance and predictive capabilities. The intrusion of atmospheric oxygen into the unsaturated zone is identified to be the principal redox determining factor during infiltration. Previously inconsistent and also local geochemical conditions are identified to be determined by interaction of infiltration processes with the spatial extent of the aquitard. A theory for chemical clogging of abstraction wells is developed, identifying the strong vertical redox zoning as principal factor of influence.

Groundwater is the only fresh water resource in the semi-arid to hyper-arid Western Dead Sea catchment. Due to exploitation of groundwater the water level is decreasing in the surrounding Cretaceous aquifer system and sustainable water management is needed in order to prevent the progressive yields and contamination of those water resources. In addition, the water level of the Dead Sea decreases dramatically by at least one meter per year. This is connected to channel off the water from the Jordan River to supply intensive agriculture in the semi-arid to hyper-arid region. Hydrological and hydro-geological analysis and modelling in arid regions, like the study area, frequently suffer from data scarcity and uncertainties regarding rainfall and discharge measurements. The study showed that spatial and temporal interpolations as well as additional methods (e.g. empirical relationships and simultaneous numerical approaches) were suitable tools to overcome data shortage for modelling. Water balances are the result of a calibrated model and are the basis for sustainable management of surface and subsurface water resources. The present study investigates beside the hydrological characterisation of selected sub-catchments (wadis) also the hydro-geology of the Judean limestone aquifer and calculates a comprehensive water balance of the entire western flank of the Dead Sea by the application of two numerical open source codes: OpenGeoSys (OGS) and J2000g. The calibrated two-dimensional hydrological model J2000g provides a 33 years time series of temporal and spatial distributed groundwater recharge for the numerical groundwater flow model of OGS. The mean annual groundwater recharge of 139.9 · 10^6 m^3ˑ a^-1 is nearly completely depleted by abstractions from pumping wells close to the replenishment area in the Judea Mountains.

Groundwater is the only fresh water resource in the semi-arid to hyper-arid Western Dead Sea catchment. Due to exploitation of groundwater the water level is decreasing in the surrounding Cretaceous aquifer system and sustainable water management is needed in order to prevent the progressive yields and contamination of those water resources. In addition, the water level of the Dead Sea decreases dramatically by at least one meter per year. This is connected to channel off the water from the Jordan River to supply intensive agriculture in the semi-arid to hyper-arid region. Hydrological and hydro-geological analysis and modelling in arid regions, like the study area, frequently suffer from data scarcity and uncertainties regarding rainfall and discharge measurements. The study showed that spatial and temporal interpolations as well as additional methods (e.g. empirical relationships and simultaneous numerical approaches) were suitable tools to overcome data shortage for modelling. Water balances are the result of a calibrated model and are the basis for sustainable management of surface and subsurface water resources. The present study investigates beside the hydrological characterisation of selected sub-catchments (wadis) also the hydro-geology of the Judean limestone aquifer and calculates a comprehensive water balance of the entire western flank of the Dead Sea by the application of two numerical open source codes: OpenGeoSys (OGS) and J2000g. The calibrated two-dimensional hydrological model J2000g provides a 33 years time series of temporal and spatial distributed groundwater recharge for the numerical groundwater flow model of OGS. The mean annual groundwater recharge of 139.9 · 10^6 m^3ˑ a^-1 is nearly completely depleted by abstractions from pumping wells close to the replenishment area in the Judea Mountains.:Acknowledgements Abstract Nomenclature Content List of Figures List of Tables 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Field 1.3 General research questions 1.4 Challenges 1.5 Structure of the Thesis 2 Theory and Methods 2.1 Data analysis 2.2 Governing equations 2.2.1 Surface Flow - Hydrological Model: J2000g 2.2.2 Subsurface Flow - Groundwater Flow Model: OpenGeoSys 2.3 Groundwater recharge 3 Study area 3.1 Study site selection 3.2 Geography 3.2.1 Climate 3.2.2 Soils 3.2.3 Vegetation 3.2.4 Land use 3.3 Hydrology 3.3.1 Wadis 3.3.2 Flashfloods 3.3.3 Dead Sea 3.4 Geology 3.5 Hydro-geology 3.5.1 Springs 3.5.2 Well fields 4 Hydrological Model 4.1 Conceptual Model 4.2 Hydrological Model J2000g 4.2.1 Data base 4.2.2 Simulation results from J2000g 5 Structural geological model 5.1 Stratigraphy 5.2 Database 5.3 Workflow 6 Numerical groundwater flow model 6.1 Work flow of 2D and 3D meshing 6.2 Parametrisation 6.3 Boundary conditions 6.4 Model Set-up 6.5 Calibration of Steady-State model 6.6 Transient Model 6.6.1 Model assumptions 6.6.2 Challenges 6.6.3 Preliminary results 7 Conclusions and Outlook 7.1 Important results from the hydrological model 7.2 Important results from the geological structural model 7.3 Important results from the hydro-geological model 7.4 Deficiencies 7.5 Outlook References 8 Enclosed Publications

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Ziel dieser Arbeit war es, die Ökostabilität und Leistungsfähigkeit von verschiedenen Winterroggen- und Winterweizensorten unter differenzierten Umweltbedingungen in der Region Brandenburg zu analysieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden methodische Verfahren aufgezeigt und diskutiert, welche die Sortenauswahl und -empfehlung anhand eines optimierten Bewertungsschemas unterstützen können. Des Weiteren wurden spezielle Aspekte zu klimatischen Veränderungen und zur Sortenwahl auf landwirtschaftlichen Betrieben in der Region Nordostdeutschland erfasst. Auf Basis von mehrortigen und -jährigen Ergebnissen aus Sortenversuchen in Brandenburg und unter Nutzung biostatistischer Parameter wurden verschiedene Roggen- und Weizensorten analysiert. Die Bewertung zur Ertragsfähigkeit und -stabilität umfasste neben der deskriptiven Statistik und Varianzanalyse folgende Parameter: Ökovalenz, Ökoregression und Floating Checks. Zusätzlich erfolgte die Prüfung der Sortenreaktion auf verschiedene Witterungsbedingungen anhand der klimatischen Wasserbilanz. Die Ergebnisse der Sortenversuche zeigten, dass sich die Hybridsorten von Winterroggen im Vergleich der Sortentypen als deutlich ertragsfähiger und tendenziell ertragsstabiler erwiesen, vor allem auch unter trockenen Witterungsbedingungen. Beim Winterweizen erreichten die A-Sorten tendenziell stabilere Erträge, wobei die Unterschiede zwischen den Sorten innerhalb der jeweiligen Qualitätsgruppen gering ausfielen. In Ergänzung zur Auswertung der experimentellen Daten aus den Sortenversuchen wurde eine begleitende empirische Studie zur Sortenwahl in Nordostdeutschland in Form von Experteninterviews und einer Praxisumfrage bei landwirtschaftlichen Betrieben durchgeführt. Dabei wurde auch auf Zusammenhänge zwischen Sortenwahl und Witterungseffekten im Zeichen des Klimawandels eingegangen. / The object of this study was to analyse the eco-stability and capacity of different winter rye and winter wheat varieties under differentiated environmental conditions in the Brandenburg region. This paper shows and discusses a methodical procedure to support the selection and recommendation of varieties with an optimised assessment pattern. Then the paper covers special aspects on climatic changes and the selection of varieties on agricultural operations in the north-eastern region of Germany. Based on results from variety trials at multiple environments in Brandenburg and using bio statistical parameters, different varieties of rye and wheat were analysed. The evaluation of yield capacity and stability includes following parameters: eco-valence, eco-regression and floating checks. Then different impact factors on variability of yield were estimated, and the reaction of varieties to different weather conditions was analysed according to the climatic water balance. The results of the different tests showed that the yield performance is determined by different environmental factors and by variety. Of winter rye the hybrid varieties compared to other variety types were considerably more capable of yield and in tendency more stable in yield, especially also under dry weather conditions. Of winter wheat the A-varieties in tendency realized more stable yields while there was little difference between the varieties of the different quality groups. The experimental data base was supplemented by an empiric study on the selection of varieties in the German region of Brandenburg which includes interviews with experts as well as a polling of the standard practice in agricultural operations. Under the empiric study the interviewed farmers said when selecting varieties they would pay particular attention to yield safety, dryness tolerance and yield capacity.

Die Arbeit besteht aus mehreren Studien zur Quantifizierung des Grundwasserstroms in Seen (Exfiltration; engl.: lacustrine groundwater discharge, LGD) und damit verbundener Nährstoffeinträge. In zwei einleitenden Kapiteln dieser Arbeit werden eine Gründe für die Vernachlässigung der Grundwasserexfiltration (LGD) in Seen und der daran gekoppelten Nährstoffeinträge identifiziert. Diese Literaturstudien fassen den aktuellen Kenntnisstand zum Einfluss des Grundwassers auf die Hydrologie von Seen und ihre Nährstoffhaushalte zusammen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden zwei empirische Studien, die sich mit der Quantifizierung der grundwasserbürtigen Phosphor (P)-Fracht in den Arendsee in Deutschland befassen. Das Gesamtvolumen des Grundwasserzustroms wird basierend auf der Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet des Sees ermittelt. Lokale Muster der Grundwasserexfiltration werden anhand von Temperaturtiefenprofilen des Seesediments bestimmt. Eine Kombination der Ergebnisse ermöglicht es, die quantitativen Daten mit lokalen Informationen zu unterstützen. Die Untersuchung der Grundwasserqualität zeigt, dass die P-Konzentrationen im Grundwasser im besiedelten Bereich teilweise stark erhöht sind. Als Konsequenz daraus haben die grundwasserbürtigen P-Frachten einen Anteil von mehr als 50% an der gesamten externen P-Last des Arendsees. Das Grundwasser ist damit eine maßgebliche Ursache für die Eutrophierung des Gewässers. Drei weitere Studien widmen sich der Entwicklung und Optimierung von Ansätzen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Grundwasserexfiltration in Seen. Die kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen der Studien zeigt die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Verbesserung und Standardisierung der Methoden zur Bestimmung von LGD und damit verbundenen Stofftransporten auf. Der Fall des Arendsees sollte alle, Wissenschaftler und Praktiker, dazu motivieren, das Grundwasser als relevante Eutrophierungsquelle in Betracht zu ziehen. / The present work is a collection of studies on lacustrine groundwater discharge (LGD) and groundwater-borne phosphorus (P) loads. For a number of reasons, groundwater exfiltration (i.e., LGD) is often not considered in water and nutrient budgets of lakes. This is also and especially true for P which was often regarded to be immobile in groundwater until recently. Two chapters review the scientific literature regarding the impacts of groundwater on hydrology and nutrient budgets of lakes, respectively. They present mechanisms and processes of LGD as well as techniques and methods to measure LGD and related nutrient transports. Moreover, numbers of LGD volumes and loads reported in literature are presented. The core of the present work is represented by two case studies dealing with the quantification of P loads from LGD to a lake in Germany. A combination of different methods is applied to overcome the problem of quantitative large scale LGD determination without losing local spatial information. P concentrations in groundwater and LGD are investigated by detailed spatial water sampling. The results reveal that P is actually present in concentrations far above natural background concentrations in the urban groundwater. LGD-derived P loads account for more than 50% of the overall external P loads to the lake and by that contribute significantly to lake eutrophication. Three further studies are devoted to the development and improvement of approaches to determine LGD. Critical reviews of the above mentioned studies reveal the need for further research in order to standardize and improve methods for LGD and mass load determination. It is found that the appropriate method for LGD determination depends on the spatial scale of interest. The identification of P introduced by LGD as a main driver of lake eutrophication is an important finding which should encourage scientists, policy makers, and lake managers to consider groundwater as a relevant P source for lakes.