Thesis (MA) -- Stellenbosch University, 1961. / No Abstract Available

Thesis (MLitt.) -- Stellenbosch University, 1964. / No Abstract Available

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien.<br><br> Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel&#8220;. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer. / For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions.<br><br> For experimental investigation of runoff generation and water balance processes within the floodplains of the Havel river an extensive measurement campaign was installed at several testsites of the 198 km2 catchment of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. These testsites include stations and gauges for the observation of meteorological parameters, soil moisture, groundwater depths and river runoff. Analysis of the observed data led to an improved understanding of water balance processes within the specific part of the floodplain which is influenced by the dynamics of the uppermost groundwater and by the surface water dynamics. Furthermore the implementation of the observed data within the model concept realised the consistent definition of time variable, spatial distributed initial and boundary conditions. The IWAN model was developed as a tool which implements the speci- fic hydrological characteristics of floodplains within the concept of modelling water balance and nutrient dynamics. It is based on the coupling of the distributed deterministic hydrological model WASIM-ETH with the three-dimensional finite difference based numerical groundwater model MODLFOW. Simulation of the metabolism of nitrogen within the groundwater passage was realised by the nutrient transport model MT3D which was coupled with the groundwater model. For model based simulation of the water balance within lowland river floodplains the IWAN model was applied for different scaled subcatchments of the Havel river with varying sizes from 2 to 1000 km2 and simulation periods from 2 weeks up to 13 years. Calibration of the model was performed for two different sized subcatchments of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. The subsequent validation of the model focused on the entire &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. Uncertainties of the model approach and the limited applicability and transferability for further groundwater influenced floodplain landscapes were analysed. The results of the water balance simulations led to an improved understanding of the processes and dynamics within floodplains. It furthermore enabled the quantification and impact analysis of certain processes and interactions. Based on local simulation results and on the analysis of surface and groundwater morphology an algorithm was developed which was used for delineation of the direct catchment of the Havel river. This direct catchment is specified as the part of the floodplain which is characterised by the direct interaction between river and adjacent catchment. Water balance simulations with the IWAN model in the direct catchment led to the quantification of interaction processes between river and floodplain. This enabled the assessment of the runoff fraction from the direct catchment during the ecologically sensitive low flow periods in summer and of the retention capacity of the floodplain during flood events. For the evaluation of the influences of alternative landuse management on the water balance within floodplains, complex scenarios were developed which implemented alterations of landuse or changes of surface water geometries and drainage structures. Simulation of water balances for each scenario allowed the detailed analysis of changing boundary conditions on the floodplain water balance and on the interaction processes between groundwater and river. Modelling nitrogen metabolism within the groundwater: For investigation of the nitrogen metabolism within the groundwater of floodplains the nutrient transport and dynamics model MT3D, which considers also interactions between groundwater and surface waters, was integrated in the IWAN concept. The model was applied for the simulation of nitrate dynamics within the direct catchment of the Havel river.With this approach, the nitrate loads between groundwater and river could be quantified. In addition, nitrate concentrations within the groundwater were analised in dependence of surface water dynamics. Scenario simulations, assuming a decrease of incoming nitrate loads from the root zone, caused by landuse techniques, led to the quantification of the efficiency of landuse changes and advanced management strategies to inhibit pollution of groundwater and surface waters.

Zugl.: Münster (Westfalen), Univ., Diss., 2007

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss.

Zugl.: Passau, Univ., Diss., 2009

Obwohl es sehr detaillierte Studien zur Nährstoffretention in einzelnen Auen und Feuchtgebieten gibt, ist die Bedeutung von Auen für die Nährstoffbilanz auf Landschaftsebene wenig untersucht. Dies liegt an dem geringen Wissensstand über die wichtigsten Parameter der Nährstoffretention, nämlich die überflutete Auenfläche sowie die in die Aue strömende Nährstofffracht. Zusätzlich gibt es bislang keinen Ansatz, demzufolge beide Parameter abhängig vom Abfluss, und damit variabel für verschiedene zeitliche Einheiten, berechnet werden können. Aus diesem Grund analysiert diese Arbeit die Überflutungshäufigkeiten der Auen von drei Flüssen, Elbe, Main und Rhein. Darauf aufbauend wird eine Abhängigkeit zwischen der überfluteten Fläche und dem Abfluss empirisch abgeleitet, die auf detaillierten Berechnungen der etablierten Software Flys basieren. Ausgehend auf diesen im Folgenden generalisierten Ergebnissen werden eine letztendlich Ereignis basierte mittlere überflutete Auenfläche sowie einströmende Nährstofffracht abhängig vom jeweiligen Abfluss berechnet. Diese und weitere Geoinformationsdaten wie auch Pegel und Gütedaten finden Eingang in jährliche und monatliche empirische Retentionsmodelle. Die berechnete Nährstoffretention in den Auen ist abhängig von der hydrologischen Konnektivität der Auen und dem tatsächlichen Abfluss. Deshalb wird letztendlich das weiterentwickelte Konzept der Ereignis bezogenen Nährstoffretention angewendet und als am realistischsten in Kombination mit hydro-exponentiellen Retentionsmodellen erachtet. Für die naturnahe Elbe werden in Monaten mit Hochwässern bis zu 9% bzw. 10% Retention der transportierten TP bzw. der NO3-N Fracht berechnet. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf eine deutschlandweite Kulisse ist durch die generalisierten Methoden geschaffen. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen Beitrag, die Bedeutung der Auen für die Nährstoffbilanz auf Landschaftsebene abhängig von hydrologischen Gegebenheiten zu quantifizieren. / Although there are detailed studies on nutrient retention in single wetlands and floodplains, the role of riparian floodplains for nutrient retention is not investigated very well on a landscape scale, since knowledge on the most important parameters for nutrient retention, inundated floodplains and incoming load, is insufficient. Additionally, a method for describing these parameters as discharge dependent variables is missing. Therefore, the present work analyzes the flooding frequencies on floodplains of three study rivers, Elbe, Main and Rhine. The relation of inundated floodplain extent and current discharge conditions based on detailed results of the established Software Flys is deduced empirically. Based on these subsequently generalized results, finally event related average inundated floodplain extent respectively, incoming nutrient loads are calculated by considering the effects of the hydrologic conditions of each river system. Therefore, available geodata as well as data on water quality and discharge is processed and serves as input data for yearly and monthly empirical retention models. The calculated nutrient retention in floodplains varies with hydrological connectivity of the floodplain to the surface waters as well as with the current hydrologic condition of the river system. For this reason the finally developed concept of event related nutrient retention is suggested as the most realistic in combination with hydro-exponential retention models. The Elbe floodplains are the most natural, and in years with high floods nutrient retention in the floodplains contributes up to 9% respectively 10% of the monthly transported load of TP and NO3-N, which is significant. The transfer of the results to a German-wide application is possible due the generalization of the methods carried out. With the presented results the hydrology dependent role of floodplains for nutrient balances in river systems can be quantified on a landscape scale.

Der geschichtliche Prozess der Bodenbesetzung und – nutzung auf der Grundlage von Entwaldung und ungeordneter Bodenbewirtschaftung verursachte Konflikte zwischen der Zielsetzung der Umweltsanierung und der sozialwirtschaftlichen Reproduktion der auf Flächen mit hohen Umwelteinschränkungen siedelnden Landwirte. Diese Dichotomie zeigt sich derzeit in der Anwendung des Umweltrechts, insbesondere im neuen brasilianischen Waldschutzgesetz, das 1965 durch das Bundesgesetz Nr. 4.771 erlassen wurde, wenn es sich um Naturschutzgebiete (APPs) handelt, also um Landstriche entlang der Gewässer, die entsprechend geschützt und deren natürliche Vegetationsbedingungen erhalten werden müssen. Ausgehend von Elementen der Flussgeomorphologie gründet sich die von der vorliegenden Untersuchung verfolgte Diskussion auf die Hinterfragung der geometrischen Maβnahmen der Naturschutzbestimmungen durch die Vorlage einer Methodik zur Bestimmung dieser Flächen. Um zum Ergebnis zu gelangen, wird eine geschichtliche Rückbesinnung auf den Bodenbesetzungsprozess in Nordwest Rio Grande do Sul, zu der die Proben der Untersuchung gehören, sowie eine theoretische Interpretation des weltweiten Naturschutzes vorgenommen und werden die Naturschutzgebiete für Brasilien auf drei Untersuchungsebenen diskutiert: der gegebene gesetzliche Rahmen, die Verwendung dieser Flächen und der Zustand, in dem diese sich im Nordwesten von Rio Grande do Sul befinden. Die soziale Funktion des landwirtschaftlichen Betriebs wird als wichtiger Punkt dieser Diskussion betrachtet, denn von ihr ausgehend geschieht der ganze Prozess der Verantwortungsüberweisung für den Schutz oder Nichtschutz von Naturschutzgebieten. In diesem Sinne untersuchen wir auch, wie IBAMA, FEPAM und Staatsanwaltschaft sich positionieren und angesichts der gesetzten Thematik handeln. Für die vorgeschlagene Methodik bestimmten wir drei Bereiche des Flusses Santo Cristo zu Pilotflächen, für die wir die Längsdeiche und Auen als Parameter für die Bestimmungen der Naturschutzgebiete definierten. Ebenso beurteilten wir die Bodenstruktur der Region, um eine der Art der lokalen Betriebshöfe unmittelbar verbundene Deutung zu ermöglichen. Von diesen Vorzeichen ausgehend wurde eine kritische Lesart des Verhaltens dieser Flächen möglich, indem ihre derzeitige Verwendung derjenigen der gesetzlichen Anforderungen entgegengestellt wurde. Aus der vorliegenden Untersuchung ergeben sich als wesentliche Schlüsse: Eine vertiefte Untersuchung über die Naturschutzgebiete ist dringend und erforderlich, um einen neuen Gesetzesvorschlag zu erarbeiten, der effektive Fachparameter zur Bestimmung der Naturschutzgebiete festlegt und der gleichzeitig die Entwicklung von Untersuchungen anstrebt, die darauf zielen, alternative nachhaltige Nutzungsalternativen für diese Flächen vorzulegen; Beurteilung der Schutz- und Erhaltungskonzeptionen in der Absicht, dass letztere eine breite Palette von Vorteilen für die kleinen landwirtschaftlichen Betriebshöfe in dem Maβe mit sich bringen, wie die Bodenschutzmaβnahmen zum Ausgleich der Natur beitragen und in der Erzeugung dieser Betriebshöfe einen reellen Gewinn erbringen. Schlieβlich legen wir eine Reihe von Studien vor, die in der Absicht einer Vertiefung der von uns erforschten thematischen Diskussion verfolgt werden können. / O processo histórico de uso e ocupação da terra, baseado no desflorestamento e no manejo desordenado do solo, tem gerado conflitos entre os objetivos de recuperação ambiental e de reprodução socioeconômica dos agricultores assentados sobre áreas de elevadas restrições ambientais. Esta dicotomia reflete-se na atualidade através da aplicação mais efetiva da legislação ambiental, principalmente, do Código Florestal brasileiro, instituído pela Lei Federal n. 4.771 de 1965, que trata das Áreas de Preservação Permanente, APPs, que são as faixas marginais aos corpos hídricos que devem ser devidamente preservadas e mantidas com vegetação nativa. A discussão apresentada pelo presente estudo está pautada no questionamento das medidas geométricas contidas na definição das APPs nesse instrumento legal, buscando apresentar uma metodologia para a definição destas áreas a partir de elementos da geomorfologia fluvial, além daqueles relacionados com a cobertura vegetal de entorno. Para chegar aos resultados desse estudo se apresenta uma retomada histórica do processo de ocupação da Região Noroeste do Rio Grande do Sul, na qual se inserem as áreas amostrais, faz-se uma leitura teórica sobre conservação da natureza em nível mundial e discute-se as APPs em três níveis de análise para o Brasil: a) o arcabouço jurídico que está posto; b) o uso destas áreas e c) o estado da arte em que elas se apresentam no noroeste do Rio Grande do Sul. A discussão da função social da propriedade rural é vista como ponto importante desta discussão, por ser a partir dela que se dá todo o processo de responsabilização pela preservação ou não das APPs. Neste sentido, buscamos também compreender como o Ibama, a Fepam e o Ministério Público Estadual se posicionam e desenvolvem as suas atividades frente à temática colocada. Definimos como áreas piloto para a aplicação da metodologia proposta, três setores do Rio Santo Cristo, para os quais definimos os diques marginais e as planícies de inundação como parâmetros para a definição das APPs. Da mesma forma, avaliamos a estrutura fundiária da região para possibilitar uma leitura diretamente relacionada com o tipo de propriedade existente no local. A partir destas definições foi possível estabelecer uma leitura crítica das características dessas propriedades, comparando o seu uso atual com as exigências legais. Ficam como principais conclusões do presente estudo: a) que é urgente e necessário um estudo mais aprofundado sobre a questão das APPs para que seja possível apresentar uma proposta de alteração da legislação que busque parâmetros técnicos efetivos para a definição das APPs; b) que se busque igualmente o desenvolvimento de estudos que objetivem apresentar alternativas de uso sustentado para estas áreas; c) que se avaliem os conceitos de preservação e conservação com o intuito de compreender que o último traz uma grande gama de benefícios para as pequenas propriedades rurais, na medida em que as práticas conservacionistas auxiliam no equilíbrio da natureza e trazem um ganho real na produção destas propriedades. Por fim, apresentamos um conjunto de estudos que podem ser realizados com o intuito de aprofundar as discussões da temática por nós pesquisada. / The historic land grab and land usage process based on deforestation and disorderly land management caused conflicts between environmental cleanup and socioeconomic reproduction of the farmers settled on areas that underlie strict environment restrictions. This dichotomy at present gets evident in the application of the environmental legislation, particularly the new Brazilian Forest Code entitled by the federal Law No. 4.771 of 1965, when it involves permanent nature reserve (APPs), that is, marginal stripes along water corps that must be preserved with the associated original vegetation. The discussion herewith stated is based on the closer examination of the geometrical measures of the definition of the permanent nature reserves trying to present a method for the definition of theses areas out of the elements of the fluvial geomorphology. To reach the result, we make recourse to the historical land grab process in the northwestern region of Rio Grande do Sul, to which belong the areas herein studied. We make a theoretical interpretation of nature conservation at international level and discuss nature reserves at three study levels for Brazil: the given legal framework; the usage of these areas; and their conditions in northwest Rio Grande do Sul. The discussion of the social function of the farms is seen as an important aspect of this discussion because thereof happens the responsibleness for the conservation or not conservation of the preservation areas. We also study the positioning of Ibama, Fepam and prosecution in this question. We determinate three segments of the Santo Cristo river as pilot areas for the application of the proposed methodology, wherefore we defined natural levee and floodplains as patterns for the definition of nature preservation areas. We did also evaluate region’s estate to allow an understanding directly related to the kind of local property. These definitions allowed us establishing a critical understanding based on the behaviour of these areas comparing their current usage to the legal demands. The most important conclusions of this study are: 1) a deeper study of nature preservation areas urges and is necessary to allow the presentation of a new legal proposal that looks for effective technical patterns for the definition of nature reservation areas; 2) that one also tries to develop studies that try to show alternatives of sustainable usage of these areas; 3) that preservation and conservation concepts get evaluated with the intend to understand that this brings a wide scope of benefits to the small farms thus far as the conservation practices help to stabilize nature and to carry a real gain in the production of these farms. Finally we present a scope of studies that can be done with the aim of deepening the discussions of the question here studied.

Zugl.: Santiago, Univ., Diss., 2005

Zugl.: Düsseldorf, Univ., Diss., 2008