Immer mehr Anwenderprogramme werden zum täglich genutzten Werkzeug des Ingenieurs zur Lösung vielfältiger Problemstellungen. Viele Aufgaben sind ohne die Computertechnik nicht mehr lösbar. Simulationen mit ein-, zwei- und allmählich zunehmend dreidimensionalen Programmen ermöglichen heute schon eine Komplexität der Betrachtung, die es ohne diese Programme nicht gäbe. Am Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden werden daher verschiedene Praktika und Belege in Verbindung mit physikalischen Modellversuchen in die studentische Ausbildung integriert.

The heavy rainfall event in August 2002 in Saxony/Germany caused the break of a flood retaining basin in a valley of the Erzgebirge Mountains. The rainfall event with ists hyrologic characteristics and dam break event were analysed and an outflow hydrograph was determing. The propagation of the dam break flood wave in the valleyas of the Briesnitz and Müglitz Rivers has been simulated. Calculated values were compared with some observed data.

In August 2002 a heavy rainfall event lasting more than two days occurred in Saxony/Germany. This led to extreme flash floods and extreme high water levels in some left tributaries of the river Elbe in the Ore mountains (Erzgebirge). Much damage occurred: houses and bridges were destroyed, much sediment moved and a dam broke. About 20 people died. Immediately after the event a mapping exercise of all damages arising from the flood was compiled. The hydrologic and hydraulic processes during the flood were analysed. This analysis included the genesis of the flood, the flood routing, the erosion, plain bed load transport and the sedimentation. The analysis of such an extraordinary event can help us learn how to prevent flood damages in the future.

Während die güteorientierte Bewirtschaftung von Stauräumen in der Vergangenheit hauptsächlich bei der langfristigen Bewirtschaftung eine Rolle spielte, gewinnt sie in jüngerer Zeit immer mehr auch bei der kurzfristigen Abflusssteuerung als Vorentlastung und während der Hochwasserereignisse an Bedeutung. Dabei soll vor allem die Entlastung aus Horizonten mit geringerer Wasserqualität ermöglicht werden. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit den diesbezüglichen Möglichkeiten bei Nutzung vorhandener Entnahmeeinrichtungen und den Anforderungen an bauliche Ergänzungen. Es werden Grundsätze für die Planung, die Berechnung, den Betrieb und die Überwachung aus hydraulischer Sicht besprochen.

The statistical evaluation of flood records requires long data series to extrapolate reliable peak discharges and related recurrence intervals. Often the records are extended with historical information concerning the water level. As the distribution functions are usually fitted to the discharge values historic stage-discharge-relations must be found to convert these values. Regarding the Elbe river at the Dresden gauge the history of a water course and its morphology is investigated. Using the former flow cross sections water profile calculations are carried out yielding different stage-discharge-curves for each historic period. Checking the flood stages since 1501 A.D. and the related peak discharges, resulted in reduced discharge values. The new peak discharge values allow an update of the flood records as well as recurrence periods and lead to the result that e.g. the 2002 flood seems to have a recurrence period three times longer than it was assumed up to now.

Der bisher noch wenig untersuchte Wellenaufgang im Übergangsbereich zwischen Brandung und Reflexion wurde experimentell untersucht. Darauf aufbauend wird ein geschlossener Berechnungsansatz für die Auflaufhöhe unregelmäßiger Wellen vorgeschlagen, der für brechende und nichtbrechende Wellen anwendbar ist.

In this cumulative dissertation, different features and methods are presented to assess and process multi-sensor derived radar data for climatological analysis. The overall objectives were to appraise the limitations of an hourly radar-based quantitative precipitation estimate (QPE) product and to develop and apply reasonable approaches to process these data. Hence the spatial and temporal limitations of radar-derived precipitation rates are discussed in the context of climatological applications, and two types of climatologies are obtained, first a climatology of daily precipitation fields and second a long term precipitation climatology. These relate to questions concerning the methodologies rather than climatological significance or assessment of precipitation and its role in the water balance. Current radar data availability limits such a hydro-climatic analysis. The thesis consists of three peer-reviewed publications. All investigations in this thesis are based on the RADOLAN rw-product of the German Weather Service (DWD) for an extended study region including the Free State of Saxony, Germany, for the period from April 2004 to November 2011. The first publication is dedicated to the classification of daily precipitation fields by unsupervised neural networks. In the presented work, the quality of the radar-derived precipitation rates is analysed by a temporal comparison between recording and non-recording gauges and the corresponding pixels of the RADOLAN rw-product on hourly and daily bases. The analysis shows that a temporal aggregation of the original product should be limited to a temporal scale up to 24 h because of the processing algorithms and the reappearance of previously suppressed errors. Nevertheless, an unsupervised neural network was successfully used for the classification of daily patterns. The derived daily precipitation classes and corresponding precipitation patterns could be assigned to properties of the associated weather patterns and seasonal dependencies. Hence, it could be shown that the classified patterns not only occurred by chance but by statistically proven properties of the atmosphere and of the season. The second publication is primarily concerned with two tasks: first, the pixel-wise fitting of mixture distributions on the bases of the obtained patterns from the first publication, and second, the analysis of spatial consistency of the radar-derived precipitation data set. The fitted parametric distribution functions were analysed in terms of Akaike\'s information criterion and the Kolmogorov-Smirnov test. These benchmarks showed, that the performances are best for mixture distributions derived by an initial classification by an unsupervised neural network and cluster analysis, and by gamma distributions. These results underline the significance of the derived precipitation classes obtained in the first publication. Furthermore, the Kolmogorov-Smirnov test indicates that independent of the distribution function, the radar-derived daily precipitation rates under the assumption of the deployed parametric distribution function has the best or most natural order of precipitation rates at spatial scales from 2 to 4 km for daily precipitation fields. Thus, it is recommended to use the original radar product at these scales rather than at 1 km resolution for daily precipitation sums. In the last publication, the focus shifts from daily to long-term precipitation climatology. The work introduces a rapid and simple approach for processing radar-derived precipitation rates for long-term climatologies. The method could successfully be applied to the radar-derived precipitation rates by excluding or correcting the errors that reappear due to temporal aggregation. Despite the fact that the approach is empirical, the introduced parameters could almost be objectively derived by means of simulation and optimisation. This could be achieved by utilising the reasonable relationship between elevation and precipitation rates for longer periods. Finally, the obtained results are compared to two independently derived precipitation data sets. The comparison shows good agreement of the precipitation fields and illustrates a reasonable application of the introduced procedure. The presented results support the application of the approach for precipitation aggregates of, at least, annual or longer periods. However the derivation of climatologies led to satisfactory results at the respective temporal scales, though the influence of radar-specific errors can only be minimized to a certain degree. Further studies have to prove if an application independent processing of radar-derived precipitation rates leads to higher qualities and validities of the derived data in time and space.

Der Gegenstand des Projektes SAPHIR war die Untersuchung von Trockenstress, Wasserproduktivität und Bewässerungsbedarf landwirtschaftlicher und gemüsebaulicher Nutzpflanzen mit Hilfe von Bewässerungsexperimenten und Simulationswerkzeugen (virtuelles Feld). Das Hauptziel war die Bereitstellung relevanter Informationen, Schlußfolgerungen und Handlungsoptionen für wesentliche Akteure (Landwirte und Entscheidungsträger auf regionaler Ebene) aus der sächsischen Landwirtschaft. Einen einfachen Zugang zu den entwickelten Werkzeugen und Ergebnissen liefert ein webbasiertes Entscheidungshilfesystem mit maßgeschneiderten Schnittstellen für die verschiedenen Akteure, dass die Ermittlung der Bewässerungswürdigkeit beliebiger Standorte und angepasster Anbaumuster für Sachsen für gegenwärtige und zukünftige Klimabedingungen ermöglicht. Die Bestimmung der dafür wichtigen Datengrundlagen, nämlich kulturspezifische Ertragskurven erfolgte auf zwei Wegen: durch konkrete Feldversuche sowie simulationsbasierte Optimierung. Durch die Verwendung von prognostischen Simulationsmodellen ist die Übertragung der Ergebnisse auf andere klimatische Standorte möglich und wurde wird zur Zeit für die Vereinigte Arabische Emirate und den Oman erprobt. Im Rahmen von SAPHIR fand eine intensive Qualifizierung der Nachwuchsforscher statt. Dies umfaßte nicht nur eine umfassende Vermittlung von Spezialwissen über Bewässerungslandwirtschaft inklusive der Teilkomponenten Messung, Modellierung, Analyse und Darstellung sondern auch der Erwerb von Fähigkeiten in Projektmanagement und Kommunikation für eine erfolgreiche Zusammenarbeit innerhalb der interdisziplinär zusammengesetzten Forschergruppe. Die von uns durchgeführten Arbeiten erfolgten in zwei grundsätzlichen Richtungen. Zum einen entwickelten wir die Werkzeuge zur Entscheidungshilfe in der Reihenfolge: experimentelle Untersuchung → Modellierung und Simulation des Bewässerungssystems → simulationsbasierte Optimierung des Bewässerungssystems → Mikro- und Makroökonomische Bewertung und Optimierung. Zum anderen wurden die Arbeiten auf unterschiedlichen räumlichen Skalen durchgeführt: Mikroskala, Feldskala, Betriebsebene sowie regionale (Meso-) Skala.:1 Ziele/Teilziele des Projektes 1 1.1 Bewässerungsversuche und Übertragung von Ergebnissen 1 1.2 Informationserweiterung durch Modellierung 1 2 Regionale Einordnung 3 3 Angaben zur Teilnehmerstruktur 5 4 Durchgeführte Arbeiten 7 4.1 Feld- und Vegetationshallenversuche 7 4.1.1 F2012 Durchführung von spezifischen Feldversuchen 2012 7 4.1.2 F2013 Durchführung von spezifischen Feldversuchen 2013 7 4.1.3 F2014 Durchführung von spezifischen Feldversuchen 2014 7 4.1.4 G2014 Untersuchungen zu Unterschieden in der Strahlungsexposition bei Containerexperimenten in einer Vegetationshalle im Vergleich zu Feld- beständen 7 4.2 Arbeitspaket A1 8 4.2.1 A1.1 Sichtung und Analyse vorhandener Daten (Klima, Boden, Pflanzen, Bewirtschaftung) 8 4.2.2 A1.2 Modellwahl (Pflanzenwachstum, Bodenwasserhaushalt) 9 4.2.3 A1.3 Auswahl relevanter Leitböden und Kulturpflanzen 9 4.2.4 A1.4 Generierung langjähriger Klimazeitreihen 10 4.3 Arbeitspaket A2 10 4.3.1 A2.1 Modellerstellung und -kalibrierung 10 4.3.2 A2.2 Umfangreiche Simulations- und Optimierungsrechnungen10 4.3.3 A2.3 Optimales Bewässerungsmanagement 11 4.3.4 A2.4 Kosten-Nutzen-Analysen 11 4.4 Arbeitspaket A3 11 4.4.1 A3.1 Anwendung prognostischer Klimaszenarienrechnungen 11 4.4.2 A3.2 Erstellung von stochastischen Ertragsfunktionen 12 4.4.3 A3.2 Erstellung von stochastischen Bodenkennfunktionen 12 4.4.4 A3.3 Erstellung des Entscheidungshilfesystems 12 5 Methoden 13 5.1 Messexperimente Freising 13 5.1.1 Bewässerungsversuche F2013 13 5.1.2 Bewässerungsversuche F2014 14 5.1.3 Strahlungsmessungen F2014 16 5.2 Messexperimente Brandis 18 5.3 Messexperimente Pillnitz 21 5.4 Modellierung auf der Mikroskala 25 5.4.1 Einfluss des Wurzelmodells auf den Wurzelwasserentzug 25 5.4.2 Lysimetermodell 27 5.5 Modellierung auf der Feldskala 29 5.5.1 Klimadaten in Dresden Pillnitz 30 5.5.2 Modellanalyse und Modellkalibrierung 31 5.5.3 Modellkalibrierung für den Standort Pillnitz 34 5.5.4 Stochastische Ertragsfunktionen – SCWPF 35 5.6 Modellierung auf der Regionalskala 36 5.6.1 Klimadaten 36 5.6.2 Regionale Pflanzenmodellierung 37 5.6.3 Ableitung des Wasserdargebotes 39 5.7 Agrarökonomische Bewertung 41 5.7.1 Spline-Interpolation der SCWPF 42 5.7.2 Feldskala 44 5.7.3 Regionalskala 45 5.7.4 Optimierung 46 5.8 Prototypische Umsetzung des Entscheidungshilfesystems 49 5.8.1 Konzept des Entscheidungshilfesystems 49 5.8.2 IT-Konzept 50 5.8.3 Software 50 6 Ergebnisse und deren Dokumentation 53 6.1 Messexperimente Freising 53 6.2 Feldexperimente in Brandis 59 6.3 Feldexperimente in Pillnitz 62 6.4 Auswertung von Klimadaten 67 6.4.1 Projizierte Niederschlagsänderung 67 6.4.2 Trockenheitsindizes – Methode für eine erste Gefährdungsanalyse 67 6.4.3 Beispielhafte Entwicklung von Temperatur und Niederschlag 69 6.5 Einfluss des Wurzelmodells auf den Wurzelwasserentzug 70 6.6 Modellierungsergebnisse auf der Feldskala 76 6.7 Stochastische Ertragsfunktion – dateninduzierte Unsicherheit 79 6.8 Modellierungsergebnisse auf der Regionalskala 80 6.8.1 Ertrag und Wasserbedarf 80 6.8.2 Wasserdargebot 83 6.8.3 Gegenüberstellung von Wasserdargebot und -bedarf 83 6.8.4 Erträge weiterer Kulturen 85 6.8.5 Wasserproduktivitäten 87 6.9 Agrarökonomie 87 6.10 Entscheidungshilfesystem 90 6.10.1 Restriktionen 94 6.11 Dokumentation der Ergebnisse 96 7 Nachhaltigkeit 99 7.1 Technologieentwicklung und -transfer 99 7.2 Persönliche Qualifikation der Mitarbeiter 99 A Anhang: Durchgeführte Arbeiten 103 B Anhang: Ergebnisse 105 B.1 Messexperimente 105 B.2 Ertragssicherheit 106 B.3 Wasserproduktivität 111 B.4 Entscheidungshilfesystem 116 Abbildungsverzeichnis 119 Tabellenverzeichnis 125 Literaturverzeichnis 127

Das Ziel dieser Arbeit ist es biobasierte, bioabbaubare Biokunststoffe mit einfacher Prozesstechnik zu desintegrieren und für anaerobe Mikroorganismen verfügbar zu machen. Mittels der Ergebnisse der Untersuchungen soll nachgewiesen werden, dass eine anaerobe Verwertung der desintegrierten Biokunststoffe bzw. der generierten Flüssigkeiten möglich ist. Außerdem soll ermittelt werden, welches energetische Potenzial dabei freigesetzt wird. Im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird die Implementierung einer Desintegrationsstufe in einer Vergärungsanlage bewertet. Zu Beginn der Untersuchungen wird festgestellt, dass eine anaerobe Verwertung im mesophilen und im thermophilen Bereich nur unzureichend realisierbar ist. In den anschließenden Untersuchungen werden Maßnahmen zur Beschleunigung der Desintegration von zertifizierten bioabbaubaren Biokunststoffen untersucht. Nachdem ein Nachweis der Desintegration verschiedener Biokunststoffe erbracht und aus-reichend hohe Gehalte gelöster Organik nachgewiesen werden, erfolgt im Anschluss die anaerobe Verwertung der erzeugten Flüssigkeiten in einer mesophilen, kontinuierlichen Vergärung. Die Gärtests geben Aufschluss über die Vergärbarkeit, das Biogaspotenzial, die Biogasqualität und die Abbaugrade der desintegrierten Biokunststoffe. Der höchste Abbaugrad (71,3 %) wird bei der Untersuchung der Flüssigkeiten der Ecovio®-Biobeutel erreicht. Der Abbau der Activia®-Becher (39,6 %) verlief weniger effizient und wird durch hohe Gehalte organischer Säuren und Verdünnungseffekte beeinflusst. Die real erzeugten Biogaspotenziale schwanken zwischen 0,1 lN CH4/g CSB und 0,23 lN CH4/g CSB. Die Biogasqualität während der Versuche ist sehr gut. Die Verhältnisse von CH4 zu CO2 liegen überwiegend zwischen 50:50 und 60:40. Der Nachweis der energetischen Nutzbarmachung der desintegrierten Biokunststoffe für den mikrobiellen Umsatz bzw. zur Biogasbildung wird erbracht. Die Implementierung einer Desintegrationsstufe in eine bestehende Vergärungsanlage wird im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit bewertet. Die Implementierung ist technisch realisierbar. Die Kosten der Implementierung übersteigen die Erlöse um ein Vielfaches. Auch bei längeren Betrachtungszeiträumen kann kein Gewinn erwirtschaftet werden.

An earth dam and a dike is one kind of hydraulic construction, which is built with highly compacted earth and can be used for the purpose of containing water in a reservoir to secure the water supply, and in flood control. Earth dam and dike can be a safety issue, as it can experience catastrophic destruction due to the slope failure caused by various factors, such as construction materials, vegetation, atmospheric conditions and so on. The aim of this study is to investigate the influence of the saturation degree (or water content) on the stability of earth dam and dikes under the consideration of precipitation and vegetation with the program PCSiWaPro® (developed at the Technical University of Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment). The preliminary tests on a physical model have shown that the security and stability has been already severely compromised in the partially saturated region, i.e. the area above the seepage line was in great danger and it came quickly to landslides on the air side. Before the stability analysis could be done for those unsaturated zones, water flow processes and water saturation in the saturated and partially saturated soil area were simulated using the simulation program PCSiWaPro® under transient boundary conditions. The integration of a weather generator into PCSiWaPro® allows a transient water flow calculation with respect to atmospheric conditions (precipitation, evaporation, daily mean temperature and sunshine duration) and removal of water by plant roots and leaves. Finally, with the Program PCSiWaPro® and Gmsh, a 2D dynamic model of water content distribution in the earth dam could be built, incorporating information of not only climate parameters and vegetation but also geometry, soil properties, geohydraulic conditions and time-dependent boundary conditions. The simulation results of several scenarios both in the laboratory and in the field of China and Germany clearly demonstrated that the accordance between measured values and calculated values for water content using the simulation program PCSiWaPro® was very good. In addition, two kinds of stability analysis models (the Infinite Slope Model and the BISHOP’S Model, one kind of the limit equilibrium method), which were both developed from the old Mohr-Coulomb Model, have been improved with the additional consideration of root reinforcement in the upper layer of the slope and soil water in the earth slope. The Infinite Slope Model has been proved to be mainly applied for the surficial landslide; while the BISHOP’S Model is more responsible for the deeper slip landslide forecasting. Then based on the PCSiWaPro® simulation result of water content in the unsaturated slope in the earth bodies from two study sites, Fs (safety of factor) calculation for those earth slopes was derived providing a sufficient forecasting system for the slope-failure-flood. The results have been compared with the calculated Fs values from the old models (without consideration of the influence of water content change on the slope stability) to study how significantly water content increased the risk of slope landslides.