The study of recent hydrological variability of five selected karstic lakes ofthe Middle Atlas, Morocco, provides important information on the climatic, geological as well as morphological factors influencing the surface variability. In this work, on annual scale from 1984 - 2019, the dataset of Pekel et al.,2016 regarding permanent water areas and on seasonal, monthly scale from 2015 - 2020 with sentinel satellite imagery the lake areas were investigated. The determination of lake areas serves as a proxy for water volume. All lakes show a supra-regional fluctuation trend on both time scales, which is influenced by precipitation on an annual scale, prevailing temperatures on a seasonal scale, and follows a drying trend. In addition, Lake Ifrah, due to its largest catchment area as well as the geometry of the lake basin, is subject to the greatest fluctuations. Furthermore, there is evidence of a large groundwater reservoir under Lake Afourgagh and a small reservoir under Lake Aguelmame Azizga. In summary, among many still unknown influencing variables, the factors of lake size and geometry of the basin, elevation gradients, climatic parameters, shoreline morphology, catchment size and groundwater storage exert a visible influence on lake area fluctuations. The methodology used to determine lake areas on both time scales has been shown to be appropriate by comparison with other publications.

Pressure solution creep is a fundamental deformation mechanism in the upper crust. Overburden pressure that acts upon layers of sediment leaves grains densely packed. Nonhydrostatic stress distributed over the contacts between grains brings an enhancement effect on surface dissolution. As surface retreat over the contacts and hence grain repacking squeeze out pore water in the voids, the layers of sediment are deformed to become denser and denser. This work aims to identify what process slows down pressure solution creep over time. For this purpose, a new mechanistic model of pressure solution creep is developed, derived from the reaction rate law for nonhydrostatic dissolution kinetics under the hypothesis of a closed system. The present mechanistic model shows that (1) the creep rate goes down as a combined consequence of stress transfer across expanding contacts and concentration build-up in the interlayer of absorbed water; and (2) solute migration process acts as the primary rate-limiting process of pressure solution creep in the long run. This work then focuses on hydraulic evolution of channelling flow through a single deformable fracture which is simultaneously subjected to pressure solution creep. The developed 1-D reactive transport model is allowed to capture the strong interaction between channelling flow and pressure solution creep under crustal conditions. This numerical investigation provides a justified interpretation for the unusual experimental observation that fracture permeability reduction does not necessarily cause concentration enrichment. Temperature elevation contributes to accelerating the progression of pressure solution creep.

Infolge gravitativer Massenbewegungen sind aktuell weiträumige Flächen der ehemaligen Lausitzer Tagebaugebiete gesperrt. Um den zugrundeliegenden Verflüssigungsprozess der sandigen Innenkippenböden zu analysieren und auf granularer Ebene zu beschreiben, wurde in einem ersten Schritt das eindimensional-vertikale Verhalten einer wassergesättigten, locker gelagerten Granulatsäule untersucht. Unter Einbeziehung von Lageenergie, Kugelpackungen und Grenzflächen ließen sich daraus konzeptionelle Modelle und Hypothesen zur Abbildung der Verflüssigung und Reverfestigung von Fließsanden entwickeln. Die Ergebnisse der Untersuchungen legen nahe, dass die durch ein dynamisches Energieinitial ausgelöste Verflüssigung zur Horizontalverschiebung der Granulatkörner und damit zur Reduzierung der effektiven Spannungen sowie zur Porenwasserdruckerhöhung führt. Zudem lassen die Betrachtungen vermuten, dass der Absinkvorgang der Granulatkörner im Zuge der Reverfestigung an die Relativbewegung zwischen dem verdrängten Porenwasser und dem Schwebkornfilter der Granulatkorntextur gekoppelt ist. Die hierbei auftretende Filterströmung lässt sich durch das DARCY-Gesetz beschreiben. Da die wassergesättigte Grundwasserzone mancherorts von einer wasserungesättigten Überdeckungszone mit geringerer Durchlässigkeit überlagert werden kann, wurde in einem zweiten Schritt ein konzeptionelles Überdeckungsmodell erstellt, das die Wechselwirkungen zwischen den zwei Zonen nach einem Verflüssigungsereignis mit Fokus auf geohydraulische Zustandsparameter untersucht und gestützt auf drei idealisierte Basisprozesse charakterisiert. Im Zuge der Reverfestigung des verflüssigten Granulats kann sich unterhalb der ungesättigten Überdeckungszone eine Wasserlamelle bilden. Der sich daran anschließende instationäre Aufsättigungsvorgang der Überdeckungszone wurde mittels der numerischen Software HYDRUS-1D für verschiedene Szenarien analysiert und darauf aufbauend ein vereinfachtes Approximationsverfahren entwickelt, das die Aufsättigungsfront als vordringende, stabile, makroskopische Grenzfläche erfasst. Das temporäre Auftreten des verflüssigten Granulats sowie der Wasserlamelle tragen zur Verringerung der Kippenstabilität bei. Aufbauend auf dem Modellverständnis des eindimensional-vertikalen Verhaltens des Kippenkörpers wurden in einem weiteren Schritt verschiedene Untersuchungen zum rheologischen Verhalten der Lausitzer Innenkippensande durchgeführt. Mit Hilfe von Rotationsscherversuchen mittels eines Präzisionsrheometers konnte unter der Verwendung von Flügelrotoren eine funktionale Abhängigkeit zwischen dem Feststoffanteil und der Fließgrenze hergestellt werden. Darüber hinaus haben die Rotationsscherversuche gezeigt, dass der Feststoffanteil der Lausitzer Innenkippensande eine maßgebliche Rolle für deren rheologisches Fließverhalten spielt. Je größer der volumetrische Feststoffanteil des Fließsands im Ausgangszustand ist, desto größer sind auch die mit einer Fließbewegung einhergehenden Reibungskräfte zwischen den Granulatkörnern sowie die dadurch verursachten resultierenden Scherspannungen in der immersiven granularen Flüssigkeit. Weiterhin lassen die Ergebnisse der Rotationsversuche darauf schließen, dass die Art der dynamischen Anregung (impulsartig oder zyklisch) einen entscheidenden Einfluss auf das Verflüssigungs- und Reverfestigungsverhalten von wassergesättigten Fließsanden hat. Das dynamische Fließverhalten der Lausitzer Innenkippensande lässt sich mit den konventionellen rheologischen Modellen jedoch nicht vollständig beschreiben, da der Einfluss der komplexen Korninteraktionen bei dichten immersiven Granulaten den hydrodynamischen Einfluss der interpartikularen Flüssigkeit bei weitem übersteigt. Es ist dagegen möglich, das viskoplastische Fließverhalten der gleichförmigen, gerundeten, wassergesättigten Fließsande der Lausitzer Innenkippen mit den konzeptionellen Modellansätzen immersiver granularer Medien auf Basis von phänomenologischen rheologischen Gesetzmäßigkeiten abzubilden. Hierzu wurden weiterführende Fließversuche auf einer geneigten rauen Ebene durchgeführt. Es konnte dabei bestätigt werden, dass das rheologische Fließverhalten von Granulaten durch eine einzige dimensionslose Kennzahl, die Inertialzahl I, bestimmt wird. Somit lassen sich unterschiedliche gravitative Massenbewegungen der Lausitzer Tagebaurestlöcher innerhalb eines universellen rheologischen Modellkonzepts beschreiben. Hierzu zählen beispielsweise das dynamische Verhalten von trockenen Schüttungen, die zu erwartenden Abflachungen der subhydrischen Tagebauböschungen sowie die Fließsandströmung nach einer Verflüssigung. Summa summarum tragen die gebildeten konzeptionellen Modelle und darauf aufbauenden Hypothesen sowie die durchgeführten rheometrischen Rotationsscherversuche und rheologischen Fließversuche zu einem tieferen Verständnis des Verhaltens der Lausitzer Fließsande im Zusammenhang mit Verflüssigungsereignissen bei, was zur Vermeidung von Schadwirkungen sowie zur Entwicklung von effizienteren Sanierungsverfahren beitragen kann.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI / Large areas of former Lusatian opencast pits have recently become inaccessible due to gravitational mass movements. To understand the underlying liquefaction process of the overburden dump sand and to describe it on a granular scale, the one-dimensional vertical behaviour of a saturated, loosely packed column was studied. Considering elevation energy, sphere packing and interfaces, several conceptual models and hypotheses for describing the liquefaction and resolidification of quicksand were developed. The analyses suggest that liquefaction leads to horizontal grain movement and thus to effective stress reduction and increases in pore water pressure. Furthermore, it is hypothesized that grain settlement during the resolidification phase is linked to the relative movement between displaced pore water and the suspended grain filter of the granulate structure. The filter flow can be described by DARCY’s law. Since the water-saturated groundwater zone can be overlaid by a water-unsaturated cover zone with lower permeability, a conceptual cover model was designed, which examines the interactions between the two zones with focus on geohydraulic state parameters and characterises them based on three main processes. Due to the resolidification of the liquefied quicksand, a water lamella can form below the unsaturated cover zone. Based on HYDRUS-1D simulations, a numerical approach was developed for the subsequent transient saturation of the cover, which treats the saturation front as an advancing stable macroscopic interface. The temporary appearance of the liquefied quicksand and the water lamella reduces stability of the inner overburden dump. Based on the understanding of the one-dimensional vertical granular behaviour, various investigations on the rheological behaviour of the Lausatian inner overburden dump sands were carried out. With the help of rotational shear tests by means of a precision rheometer, a functional dependence between solid content and yield stress could be established using vane rotors. Furthermore, it could be shown that the solid content plays a decisive role for the rheological flow behaviour of the Lausatian quicksand. The greater the solid content in its initial state, the greater are the frictional forces between the grains associated with flow movement as well as the resulting shear stresses in the immersive granular liquid. Moreover, the results suggest that the type of dynamic excitation (pulsed or cyclic) has a significant influence on the liquefaction and resolidification behaviour of water-saturated quicksands. However, the dynamic flow behaviour of the Lusatian inner overburden dump sands cannot completely be described by conventional rheological models, since the influence of the complex grain interactions in dense immersive granular media exceeds the hydrodynamic influence of the interparticulate fluid. In contrast, it is possible to model the viscoplastic flow behaviour of the uniform, rounded, water-saturated Lusatian inner overburden dump sands with the conceptual model approaches of immersive granular media based on phenomenological rheological laws. For this purpose, further flow tests were carried out on an inclined rough plane. It was confirmed that the rheological flow behaviour of granular media is determined by a single dimensionless number, the inertial number I. Thus, the different gravitational mass movements of the former Lusatian opencast pits can be described within an universal rheological model concept. This includes, for example, the dynamic behaviour of dry deposits, the expected flattening of the subhydric mine slopes and the flow of the water-saturated quicksand after liquefaction. In all, the conceptual models and hypotheses as well as the rheometric rotational shear tests and rheological flow tests contribute to a deeper understanding of the behaviour of Lusatian quicksand in connection with liquefaction events, which helps to avoid harmful effects and to develop more efficient remediation methods.:1 Einführung 1 1.1 Ansatzpunkt der Arbeit 1 1.2 Zielsetzung der Arbeit 3 1.3 Methoden der Arbeit 4 1.3.1 Literaturrecherche 4 1.3.2 Modellierung 4 1.3.3 Computersimulation 6 1.3.4 Laborversuche 6 1.4 Gliederung der Arbeit 7 2 Grundlagen 9 2.1 Rheologie 9 2.1.1 Grundlagen der Rheologie 9 2.1.1.1 Einordnung 9 2.1.1.2 Elastizität 10 2.1.1.3 Plastizität 10 2.1.1.4 Viskosität 11 2.1.2 Rheologische Modelle 14 2.1.2.1 Rheologische Grundmodelle 14 2.1.2.2 Zusammengesetzte Modellkörper 15 2.1.2.3 Nichtlineare rheologische Modellansätze 17 2.1.3 Rheometrie 17 2.2 Granulare Medien 18 2.2.1 Definition 18 2.2.2 Entstehung 19 2.2.3 Granulometrie 19 2.2.4 Physikalische Beschreibung 20 2.2.5 Interpartikulare Kräfte 20 2.3 Granulare Feststoffe 21 2.3.1 Granulare Packungen 21 2.3.2 Nichtimmersive granulare Feststoffe 22 2.3.2.1 Kräftenetzwerk 22 2.3.2.2 Spannungsansatz der Kontinuumsmechanik 24 2.3.2.3 Plastisches Verhalten 24 2.3.3 Immersive granulare Feststoffe 27 2.3.3.1 DARCY-Filterströmung 27 2.3.3.2 Grenzen des DARCY-Gesetzes 29 2.3.3.3 Spannungen nach TERZAGHI 30 2.3.4 Teilimmersive granulare Feststoffe 30 2.3.4.1 Einteilung des unterirdischen Wassers 30 2.3.4.2 Mobilitätsbereiche 32 2.3.4.3 Hydraulische Zustandsgleichung 34 2.3.4.4 Durchlässigkeit 37 2.3.4.5 Kapillarität 39 2.3.4.6 Spannungen nach BISHOP 41 2.4 Granulare Flüssigkeiten 42 2.4.1 Untersuchungs- und Messmethoden 43 2.4.2 Nichtimmersive granulare Flüssigkeiten 44 2.4.2.1 Dimensionsanalyse 44 2.4.2.2 Rheologische Stoffgesetze 47 2.4.2.3 Rheologie komplexer Granulate 48 2.4.2.4 Strömung auf einer geneigten Ebene 49 2.4.2.5 Grenzen der phänomenologischen Rheologie 52 2.4.2.6 Tiefengemittelte Fließgleichungen 53 2.4.2.7 Segregation in granularen Strömungen 55 2.4.3 Immersive granulare Flüssigkeiten 57 2.4.3.1 Granulare Rutschungen 57 2.4.3.2 Granulare Medien und Suspensionen 58 2.4.3.3 Druckgesteuerte Rheologie 59 2.4.3.4 Volumengesteuerte Rheologie 62 2.4.3.5 Aktuelle wissenschaftliche Studien 64 3 Verflüssigung und Reverfestigung 66 3.1 Verhalten ohne ungesättigte Überdeckung 66 3.1.1 Grundlagen 66 3.1.2 Lageenergie 67 3.1.2.1 Lageenergieintegral 68 3.1.2.2 Reverfestigungsmodell 68 3.1.3 Kugelpackungen 70 3.1.3.1 Schichtmodell 70 3.1.3.2 Validierung des Schichtmodells 72 3.1.4 Grenzflächen 73 3.1.4.1 Säulenmodell 74 3.1.4.2 Filtermodell 75 3.1.4.3 Zonenmodell 76 3.1.4.4 Intensive und extensive Modellvariablen 77 3.1.5 Hypothesen 78 3.1.5.1 Höhenkonstanz 79 3.1.5.2 Dichte 79 3.1.5.3 Volumenstromdichte 79 3.1.5.4 Durchlässigkeitsbeiwert 80 3.1.5.5 Porenwasserüberdruck 80 3.1.5.6 Reverfestigungsdauer 81 3.1.5.7 Wasserbilanz 81 3.2 Verhalten mit ungesättigter Überdeckung 82 3.2.1 Grundlagen 82 3.2.2 Konzeptionelles Überdeckungsmodell 83 3.2.2.1 Modellstruktur 83 3.2.2.2 Geohydraulische Zustandsgrößen 84 3.2.2.3 Bodenmechanische Zustandsgrößen 85 3.2.2.4 Prozesse und Zustände 85 3.2.3 Verflüssigung und Reverfestigung der Grundwasserzone (Prozess I) 86 3.2.4 Aufsättigung der Überdeckungszone (Prozess II) 87 3.2.4.1 Berechnungsmethodik und Pre-Processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.2 Post-processing in HYDRUS-1D 88 3.2.4.3 Berücksichtigung von Niederschlag 92 3.2.4.4 Numerisches Approximationsverfahren 94 3.2.5 Absinkvorgang der Überdeckungszone (Prozess III) 97 4 Granulare Rheologie 99 4.1 Versuchsgranulate 99 4.1.1 Mikroglaskugeln 99 4.1.2 Fließsand 99 4.1.3 Durchlässigkeit 102 4.2 Rotationsversuche 105 4.2.1 Grundlagen 105 4.2.1.1 Messung der Fließgrenze 105 4.2.1.2 Messung der Viskosität 109 4.2.2 Rotationsrheometer zur eigenen Versuchsdurchführung 110 4.2.3 Eigene Versuche zur Fließgrenze 111 4.2.4 Eigene Versuche zur Fließkurve 117 4.2.5 Eigene Versuche zur Reverfestigung 120 4.3 Fließversuche 122 4.3.1 Grundlagen 123 4.3.2 Aufbau der eigenen Fließversuche 129 4.3.3 Auswertung der eigenen Fließversuche 132 4.3.3.1 Kalibrierung 132 4.3.3.2 Front Tracking 133 4.3.3.3 Particle Tracking 134 4.3.3.4 Höhenmessung 135 4.3.3.5 Genauigkeit 135 4.3.3.6 Auswertung 136 4.3.4 Strömungskonfiguration Luft-Luft 136 4.3.5 Strömungskonfiguration Wasser-Wasser 140 4.3.6 Strömungskonfiguration Wasser-Luft 144 5 Zusammenfassung und Ausblick 148 LITERATURVERZEICHNIS I ABBILDUNGSVERZEICHNIS XIX TABELLENVERZEICHNIS XXV SYMBOLVERZEICHNIS XXVI ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XXXVI

This thesis focuses on land degradation in the hinterland of Rio de Janeiro, part of the highly endangered Brazilian Atlantic Forest biome. Forest and pasture degradation are of outmost concern in the region. Thus, the main objective of this work is to provide a methodology to identify areas that fulfill the aim of increasing forest area, improving forest quality and reducing overall pasture degradation. Therefore, this work presents an approach for high-resolution land cover and pasture degradation mapping as well as an approach for prioritizing reforestation sites. Based on the prioritized land, forest scenarios are modelled and evaluated. Outcomes of this work include the recommendation to restrict land use on slopes above 10° and theoretical considerations to adapt compensatory payments for reforestation based on the priorities of the identified sites. Methods used in this work encompass image fusion using RandomForest regression, Land Cover Classification with the RandomForest classifier and Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis (MESMA) and field methods for pasture degradation mapping.:LIST OF FIGURES XVII LIST OF TABLES XIX LIST OF ABBREVIATIONS XXI 1 INTRODUCTION 1 1.1 PROBLEM IDENTIFICATION 1 1.2 RESEARCH OBJECTIVES AND QUESTIONS 3 1.3 VALUE OF THE RESEARCH 5 1.4 STRUCTURE 6 2 CONCEPTUAL BACKGROUND 7 2.1 LAND DEGRADATION 7 2.1.1 Definition of Land Degradation 7 2.1.2 Forest Fragmentation 9 2.1.3 Pasture Degradation 14 2.2 REMOTE SENSING FUNDAMENTALS 16 2.2.1 Optical Remote Sensing 16 2.2.2 Image Classification and Land Cover Mapping 20 2.2.3 Vegetation Discrimination 22 2.2.4 Digital Elevation Model (DEM) Applications 24 2.3 LANDSCAPE METRICS 25 3 STUDY AREA 27 3.1 LOCATION 27 3.2 PHYSICAL ENVIRONMENT 28 3.3 HUMAN ENVIRONMENT 32 4 PART (A): STATE OF THE ART 39 4.1 LAND DEGRADATION IN THE GUAPI-MACACU WATERSHED 40 4.1.1 Forest Fragmentation 40 4.1.2 Pasture Degradation 42 4.2 REMOTE SENSING-BASED LAND DEGRADATION ASSESSMENTS 46 4.2.1 Forest Monitoring in the Brazilian Atlantic Forest Biome 49 4.2.2 Pasture Degradation Mapping 51 4.3 POLICIES AND PROGRAM WITH RELEVANCE TO CONSERVATION AND REFORESTATION PROJECTS IN BRAZIL 54 4.3.1 International Programs, Schemes and Intitiatives 54 4.3.2 National Environmental Policies and Programs 58 4.3.3 Policies and Programs with Focus on the Brazilian Atlantic Forest 64 4.3.4 State-based Regulations in the Rio de Janeiro Federal State 65 4.4 LAND REHABILITATION AND REFORESTATION EFFORTS IN THE RJ FEDERAL STATE 66 4.4.1 Pasture Rehabilitation 66 4.4.2 Forest Restoration 67 5 MATERIAL AND METHODS 71 5.1 GEODATA AND SOFTWARE 71 5.2 PART (B): LAND COVER AND PASTURE DEGRADATION MAPPING 73 5.2.1 Field Survey of Degraded Pastures 73 5.2.2 Satellite Data Processing 75 5.2.3 Hot Spot Analysis 86 5.2.4 Relation of Slope Angle and Degradation Class 87 5.3 PART (C): PRIORITIZATION OF REFORESTATION SITES 87 5.3.1 Preliminary Study 88 5.3.2 Spatial Multi-Criteria Evaluation (SMCE) 90 5.3.3 Forest Scenario Development and Evaluation Using Landscape Metrics 94 6 RESULTS 97 6.1 PART (B): MAPPING OF PASTURE DEGRADATION 97 6.1.1 Categorization of Pasture Degradation 97 6.1.2 High-resolution SWIR band modelling 99 6.1.3 Land Cover Classification with Random Forests 101 6.1.4 Pasture Degradation Mapping Using Spectral Mixture Analysis and Field Data 103 6.1.5 Hot Spot Analysis of Pasture Degradation 106 6.1.6 Slope Influence on Pasture Degradation 107 6.2 PART (C): PRIORITIZATION OF REFORESTATION SITES USING SMCE 109 6.2.1 Characteristics of the Prioritized Areas 109 6.2.2 Forest Scenarios 113 7 DISCUSSION 117 7.1 PART (A/B): ASSESSMENT OF THE STATUS OF LAND DEGRADATION IN THE GUAPI-MACACU WATERSHED 117 7.2 PART (B): METHODOLOGICAL APPROACH FOR PASTURE DEGRADATION MAPPING 119 7.2.1 Satellite images for high-resolution LCC 119 7.2.2 High-resolution SWIR Band Modelling 120 7.2.3 Land Cover Classification 121 7.2.4 Pasture Degradation Mapping Approach 122 7.3 PART (C): SPATIAL PRIORITIZATION FOR REFORESTATION MEASURES 125 7.3.1 Identification of Priority Sites 125 7.3.2 Forest Scenarios 127 8 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 131 9 OUTLOOK 135 REFERENCES 137 ANNEX I / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Landdegradation im Hinterland von Rio de Janeiro, Teil des stark gefährdeten brasilianischen Atlantikwaldbioms. Wald- und Weidedegradation zählt zu den Hauptproblemen in der Region. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist daher die Bereitstellung einer Methodik, um Flächen zu identifizieren, die zur Vergrößerung der Waldfläche und Verbesserung der Waldqualität sowie gleichzeitiger Verminderung degradierter Weiden beitragen. Aus diesem Grund stellt diese Arbeit einen Ansatz für eine hochauflösende Kartierung der Landbedeckung und der Weidedegradation sowie einen Ansatz für die Priorisierung von Wiederaufforstungs-gebieten vor. Auf der Grundlage der priorisierten Flächen werden Waldszenarien modelliert und bewertet. Ergebnisse dieser Arbeit beinhalten u.a. die Empfehlung zur Einschränkung der Landnutzung auf Hängen über 10° und theoretische Überlegungen zur Anpassung der Ausgleichszahlungen für die Wiederaufforstung auf der Grundlage der Prioritäten der Standorte. Die in dieser Arbeit verwendeten Methoden umfassen Bildfusion mittels RandomForests Regression, die hochauflösende Ableitung der Landbedeckung unter Verwendung des RandomForests Klassifiizierers, sowie spektrale Entmischung mittels Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis (MESMA) und Feldmethoden für die Kartierung des Weidezustands.:LIST OF FIGURES XVII LIST OF TABLES XIX LIST OF ABBREVIATIONS XXI 1 INTRODUCTION 1 1.1 PROBLEM IDENTIFICATION 1 1.2 RESEARCH OBJECTIVES AND QUESTIONS 3 1.3 VALUE OF THE RESEARCH 5 1.4 STRUCTURE 6 2 CONCEPTUAL BACKGROUND 7 2.1 LAND DEGRADATION 7 2.1.1 Definition of Land Degradation 7 2.1.2 Forest Fragmentation 9 2.1.3 Pasture Degradation 14 2.2 REMOTE SENSING FUNDAMENTALS 16 2.2.1 Optical Remote Sensing 16 2.2.2 Image Classification and Land Cover Mapping 20 2.2.3 Vegetation Discrimination 22 2.2.4 Digital Elevation Model (DEM) Applications 24 2.3 LANDSCAPE METRICS 25 3 STUDY AREA 27 3.1 LOCATION 27 3.2 PHYSICAL ENVIRONMENT 28 3.3 HUMAN ENVIRONMENT 32 4 PART (A): STATE OF THE ART 39 4.1 LAND DEGRADATION IN THE GUAPI-MACACU WATERSHED 40 4.1.1 Forest Fragmentation 40 4.1.2 Pasture Degradation 42 4.2 REMOTE SENSING-BASED LAND DEGRADATION ASSESSMENTS 46 4.2.1 Forest Monitoring in the Brazilian Atlantic Forest Biome 49 4.2.2 Pasture Degradation Mapping 51 4.3 POLICIES AND PROGRAM WITH RELEVANCE TO CONSERVATION AND REFORESTATION PROJECTS IN BRAZIL 54 4.3.1 International Programs, Schemes and Intitiatives 54 4.3.2 National Environmental Policies and Programs 58 4.3.3 Policies and Programs with Focus on the Brazilian Atlantic Forest 64 4.3.4 State-based Regulations in the Rio de Janeiro Federal State 65 4.4 LAND REHABILITATION AND REFORESTATION EFFORTS IN THE RJ FEDERAL STATE 66 4.4.1 Pasture Rehabilitation 66 4.4.2 Forest Restoration 67 5 MATERIAL AND METHODS 71 5.1 GEODATA AND SOFTWARE 71 5.2 PART (B): LAND COVER AND PASTURE DEGRADATION MAPPING 73 5.2.1 Field Survey of Degraded Pastures 73 5.2.2 Satellite Data Processing 75 5.2.3 Hot Spot Analysis 86 5.2.4 Relation of Slope Angle and Degradation Class 87 5.3 PART (C): PRIORITIZATION OF REFORESTATION SITES 87 5.3.1 Preliminary Study 88 5.3.2 Spatial Multi-Criteria Evaluation (SMCE) 90 5.3.3 Forest Scenario Development and Evaluation Using Landscape Metrics 94 6 RESULTS 97 6.1 PART (B): MAPPING OF PASTURE DEGRADATION 97 6.1.1 Categorization of Pasture Degradation 97 6.1.2 High-resolution SWIR band modelling 99 6.1.3 Land Cover Classification with Random Forests 101 6.1.4 Pasture Degradation Mapping Using Spectral Mixture Analysis and Field Data 103 6.1.5 Hot Spot Analysis of Pasture Degradation 106 6.1.6 Slope Influence on Pasture Degradation 107 6.2 PART (C): PRIORITIZATION OF REFORESTATION SITES USING SMCE 109 6.2.1 Characteristics of the Prioritized Areas 109 6.2.2 Forest Scenarios 113 7 DISCUSSION 117 7.1 PART (A/B): ASSESSMENT OF THE STATUS OF LAND DEGRADATION IN THE GUAPI-MACACU WATERSHED 117 7.2 PART (B): METHODOLOGICAL APPROACH FOR PASTURE DEGRADATION MAPPING 119 7.2.1 Satellite images for high-resolution LCC 119 7.2.2 High-resolution SWIR Band Modelling 120 7.2.3 Land Cover Classification 121 7.2.4 Pasture Degradation Mapping Approach 122 7.3 PART (C): SPATIAL PRIORITIZATION FOR REFORESTATION MEASURES 125 7.3.1 Identification of Priority Sites 125 7.3.2 Forest Scenarios 127 8 CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS 131 9 OUTLOOK 135 REFERENCES 137 ANNEX I

Die Flächeninanspruchnahme liegt im Vierjahresdurchschnitt der Jahre 2011 bis 2014 mit 69 Hektar pro Tag immer noch mehr als doppelt so hoch wie von der Bundesregierung vor 14 Jahren in der nationalen Nachhaltigkeitsstrategie festgelegt. Vor dem Hintergrund des 30-Hektar-Zieles hat die Bundesregierung in den Koalitionsverträgen der 17. und 18. Legislaturperiode vereinbart, gemeinsam mit den Städten und Gemeinden den kommunalen Handel mit Flächenzertifikaten in einem Modellversuch zu erproben. Der vom Umweltbundesamt beauftragte Modellversuch wurde als Planspiel durchgeführt. Kernstück des Planspiels war ein praxisnahes kontrolliertes Feldexperiment, an dem sich 87 Kommunen beteiligten. In diesem Feldexperiment simulierten die teilnehmenden Kommunen für eigene, real geplante Baugebiete den Flächenzertifikatehandel über einen Zeitraum von 15 Jahren (2014-2028) mittels einer Online-Plattform. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Flächenhandelssystem in der Lage ist, die Flächenneuinanspruchnahme effektiv zu verringern. Flächensparziele lassen sich zudem im Verbund aus Planung und flexibler Mengensteuerung effizient erreichen. Die Kommunen konnten die überörtlichen Mengenvorgaben durch den Kauf und Verkauf von Zertifikaten flexibel vor Ort umsetzen. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass ein Flächenhandelssystem geeignet ist, eine nachhaltige Siedlungsentwicklung zu fördern und Kommunalfinanzen zu entlasten.

Das Landesplanungsrecht in Nordrhein-Westfalen (NRW) sieht für Ortsteile mit einer Aufnahmefähigkeit von weniger als 2 000 Einwohnern eine Entwicklungsperspektive vor, die auf den Bedarf der dort ansässigen Bevölkerung beschränkt ist. Eine solche Festlegung von nicht begründeten Schwellenwerten wird jedoch juristisch und fachlich zunehmend in Frage gestellt. Im Rahmen der Aufstellung des Regionalplanes Ruhr hat der Regionalverband Ruhr eine GIS-gestützte Methode zur Bestimmung und Steuerung dieser sogenannten Eigenentwicklungsortslagen1 (EWO) entwickelt, die sich von dem normativ gesetzten Schwellenwert löst. Zur Annäherung an eine quantitative planerische Zielvorgabe, im Sinne einer maximalen Entwicklungsperspektive, wurde die tatsächliche Entwicklung der EWO retrospektiv untersucht.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt „ISI“ stellt die Konzeption und Realisierung eines geodatenbasierten Web-Service als anwenderfreundliches Informations- und Kommunikationswerkzeug zur strategischen Flächenentwicklungsplanung dar. Die Anwendung des Web-Service bezieht sich insbesondere auf eine objektive und vergleichendanalytische Betrachtung verschiedener Szenarien zur kommunalen Flächenplanung. Gerade in gemeinsamer und kommunen-übergreifender Betrachtung flächenbezogener Fragestellungen liegen sehr große Potenziale einer ökologischen und ressourcenschonenden Planung. Durch das internetbasierte Planungsinstrument ISI kann die datenbasierte, interaktive Kommunikation und Diskussion in Planungsprozessen vereinfacht und damit die Entwicklung und Bewertung von Planungsalternativen auf eine bessere und nachvollziehbare Basis gestellt werden.

Das Ziel der „vorrangigen Innenentwicklung“ muss letztendlich auf kommunaler Ebene umgesetzt werden. Die Länder können die Kommunen dabei unterstützen, indem sie geeignete Methoden erproben, Hilfsmittel für die Praxis zur Verfügung stellen und Bewusstseinsbildung bei Bürgern und Entscheidungsträgern betreiben. Bereits 2002 wurde in Bayern eine erste Arbeitshilfe zum Flächenmanagement veröffentlicht. Mit weiteren Modellprojekten wurde die Methodik fortlaufend verbessert. Seit 2009 steht den Kommunen in Bayern mit der Flächenmanagement-Datenbank ein erprobtes und auch in kleinen Kommunen einfach anzuwendendes Instrument für die Erfassung und Aktivierung von Innenentwicklungspotenzialen kostenlos zur Verfügung.

Mit dem Vitalitäts-Check 2.0 wurde in Bayern ein Werkzeug entwickelt, das für die Steuerung der Flächeninanspruchnahme und der Daseinsvorsorge lokales Fachwissen mit ortsteilbezogenen Informationen, verfügbaren statistischen Kennwerten zur demografischen Entwicklung und Informationen zu Innenentwicklungspotenzialen verknüpft. Standardisierte Auswertungstools erzeugen Berichte für Ortsteile, Gemeinden und interkommunale Kooperationen, die in der Gremien- und Öffentlichkeitsarbeit genutzt werden können. Als Planungswerkzeug schließt der Vitalitäts-Check 2.0 damit Datenlücken unterhalb der amtlich verfügbaren Regionalstatistik und setzt erhobene Daten für den tatsächlichen Informationsbedarf einer Kommune in Wert.

Mit der Landesplattform RAUM+Monitor (https://mdi.rlp.de/de/unsere-themen/landesplanung/raum-monitor/) verfügt Rheinland-Pfalz über eine landesweite und laufend aktualisierte Erhebung und Bewertung vorhandener Siedlungsflächenpotenziale, welche auf einer Ersterhebung im Jahr 2010 aufbaut. Mit RAUM+Monitor als dezentral zugänglichem System ist die Einsicht und Pflege der Siedlungsflächenreserven mit relativ geringem Aufwand zu organisieren. Dabei ist grundlegend, dass die Erhebung und Fortschreibung durch die kommunale Ebene zwar dezentral, aber dennoch einheitlich erfolgt. Den Nutzern wird dabei eine transparente und verantwortungsvolle Verwendung der Daten durch Landesbehörden zugesichert. Die Plattform ist in das Rauminformationssystem (RIS) des Landes integriert und wird den Trägern der Flächennutzungsplanung kostenfrei zur Verfügung gestellt. RAUM+Monitor ist ein Baustein der rheinland-pfälzischen Strategie zur Reduzierung der Flächenneuinanspruchnahme. Das Ziel der Landesregierung vor einer baulichen Inanspruchnahme der Freiflächen im Außenbereich zunächst die Flächenpotenziale innerorts zu nutzen, wurde erstmals im Landesentwicklungsprogramm (LEP IV) (Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung des Landes Rheinland-Pfalz 2008) im Jahr 2008 verankert. Damit unterstützt das rheinland-pfälzische Landesrecht den in § 1 Absatz 5 des Baugesetzbuches bestimmten Grundsatz der Bauleitplanung, dass die städtebauliche Entwicklung vorrangig durch Maßnahmen der Innenentwicklung erfolgen soll. Die systematische Erfassung der Siedlungsflächenpotenziale dient einerseits als landeseinheitliche Grundlage für die Umsetzung der Vorgaben des Landesentwicklungsprogrammes, andererseits nutzen die Gemeinden RAUM+Monitor als Basis für Aufgaben der Bauleitplanung, der Dorferneuerung oder für eine zielgerichtete Öffentlichkeitsarbeit.