Zwei Jahre nach Einführung des § 13b BauGB sind bundesweit bereits zahlreiche Anwendungsfälle bekannt. Sie zeigen, dass sich die Erwartungen an die Einführung der Regelung, auf Kosten von materiellen und Verfahrensstandards schnell und in substantiellem Umfang Wohnbauland zur Minderung der Wohnungsnot zu schaffen, nicht erfüllt haben. Einwohnerstarke Städte mit hohem Wohnraumbedarf und angespannten Wohnungsmärkten wenden die neuen Regelungen nicht an. Die Nutzung des § 13b BauGB erfolgt in kleineren und kleinsten Gemeinden, häufig ohne besonderen Wohnraumbedarf, zur Ausweisung von Ein- und Zweifamilienhausgebieten. In vielen Fällen lässt sich feststellen, dass die Flächeninanspruchnahme für Siedlungszwecke unnötig verstärkt wird und viele dieser Gemeinden Wohnbaulandflächen auf Vorrat ausweisen, die mit Blick auf die Bevölkerungsentwicklung voraussichtlich nicht notwendig sein werden. Damit einher geht eine unnötige Belastung von Umwelt und Natur einerseits und Entwertung des innerörtlichen Baubestandes andererseits.

The discharge of groundwater into surface water bodies is a hidden, but significant pathway for the input of water and matter into lakes, rivers, estuaries and the coastal sea. Since groundwater is most often characterized by higher levels of nutrients or heavy metals, its discharge has often a crucial effect on the surface water body´s chemistry and the ecosystem health as well as on the related ecosystem service supply. For instance, groundwater-derived nutrient inputs are essential to fuel primary productivity, but if critical thresholds are exceeded groundwater-derived nutrient inputs can cause eutrophication, which may trigger harmful algal blooms or the creation of oxygen minimum zones – a serious threat to aquatic life. This thesis focuses on quantifying submarine and lacustrine groundwater discharge by applying environmental tracer based methods with emphasis on radionuclide (radon and radium isotopes) and stable water isotope (δ18O, δ2H) techniques. These tracers are suitable for determining groundwater discharge as they show distinct concentration and isotope ratio gradients between groundwater and the receiving surface water. Four studies are presented in this thesis: (1) The quantification of the response delay of the mobile radon detector RAD7 applied for radon-in-water mapping. The response delay of the mobile radon-in-air detector RAD7 is determined for two detection set-ups (radon extraction via RADaqua and via a membrane module) as well as for a range of water flow rates. For the membrane module the response delay is less pronounced compared to the RADaqua. For instance, at a water flow rate of 1 l min-1 the peaks of the instruments recordings lag behind the radon-in-water concentrations by ~10 min for the membrane module and by ~18 min for the RADaqua. Further, it was demonstrated that faster water flow rates decrease the response delay. An algorithm is presented that allows the inverse calculation of radon-in-water concentrations from RAD7 records for the described detection set-ups and water flow rates. Thus, it allows a more precise localization of radon-in-water anomalies and, consequently a more precise localization of groundwater discharge areas. (2) Determination of submarine groundwater discharge into a large coastal bay (False Bay, South Africa) SGD consists generally of two components: (a) fresh terrestrial SGD (FSGD) driven by the inland hydraulic gradient and (b) seawater re-circulation (RSGD) through the coastal aquifer driven by seaward effects such as tidal pumping. A bay-wide radon mapping resulted in identification of a SGD site, where subsequently detailed investigations were conducted. At this SGD site a salt and a radon mass balance were applied consecutively for determining FSGD and total SGD, respectively. RSGD was inferred from the difference between FSGD and total SGD. For the radon mass balance, new approaches for calculating the radon degassing and mixing loss were proposed. The tracer mass balance revealed median FSGD of 2,300 m³ d-1 or 0.9 m³ d-1 per m coastline and median RSGD of 6,600 m³ d-1 or 2.7 m³ d-1 per m coastline. The FSGD rate was validated using (a) a hydrological model for calculating the groundwater recharge rate and (b) a groundwater flow model for delineating the subsurficial FSGD capture zone. This validation supported the tracer based findings. The relevance of this study is foremost the presentation of new methodological approaches regarding the radon mass balance as well as the validation of FSGD under consideration of hydrological and hydrogeological information. (3) Differentiation of fresh and re-circulated submarine groundwater discharge in an estuary (Knysna Estuary, South Africa) Knysna Estuary is a more complex system than False Bay since besides seawater, FSGD and RSGD also river water mixes within the estuary. Both FSGD and RSGD were differentiated by applying a mixing analysis of the estuary water. For this purpose, an end-member mixing analysis (EMMA) was conducted that simultaneously utilizes radon and salinity time series of estuary water to determine fractions of the end-members seawater, river water, FSGD and RSGD. End-member mixing ratio uncertainty was quantified by stochastic modelling (Monte Carlo simulation) under consideration of end-member characterization uncertainty. Results revealed highest FSGD and RSGD fractions in the estuary during peak low tide. Median fractions of FSGD and RSGD were 0.2 % and 0.8 % of the estuary water near the mouth over a 24 h time-series. In combi-nation with a radon mass balance median FSGD of 46,000 m³ d-1 and median RSGD of 150,000 m³ d-1 were determined. By comparison to other sources, this implies that the SGD is a significant source of dissolved inorganic nitrogen (DIN) fluxes into the estuary. This study demonstrates the ability of EMMA to determine end-member fractions in a four end-member system under consideration of end-member uncertainty. Further, the importance of SGD for the water and DIN budget of Knysna Estuary was shown. (4) Quantification of groundwater discharge and water residence time into a groundwa-ter-fed lake (Lake Ammelshainer See, Germany). The presented approach utilizes the stable isotopes of water (δ18O, δ2H) and radon for determining long-term average and short-term trends in groundwater discharge rates. The calculations were based on measurements of isotope inventories of lake and groundwater in combination with climatic and isotopic monitoring data (in precipita-tion). The results from steady-state annual isotope mass balances for both δ18O and δ2H are consistent and reveal an overall long-term average groundwater discharge that ranges from 2,800 to 3,350 m³ d-1. These findings were supported by the good agree-ment of the simulated annual cycles of δ18O and δ2H lake inventories utilizing the de-termined groundwater discharge rates with the observed lake isotope inventories. However, groundwater discharge rates derived from radon mass balances were signifi-cantly lower, which might indicate a distinct seasonal variability of the groundwater discharge rate. This application shows the benefits and limitations of combining δ18O/δ2H and radon isotope mass balances for the quantification of groundwater con-nectivity of lakes based on a relatively small amount of field data accompanied by good quality and comprehensive long-term meteorological and isotopic data (precipitation). This thesis presents important methodological achievements with respect to radon and stable water isotope mass balances, uncertainty quantification, geochemical differentia-tion between FSGD and RSGD and validation of FSGD. Further, first SGD estimates are reported for False Bay and Knysna Estuary in South Africa. / Der Austritt von Grundwasser in Oberflächengewässer stellt einen unsichtbaren Ein-tragspfad von Wasser und Stoffen in Seen, Flüsse, Ästuare und das küstennahe Meer dar. Die Konzentrationen vieler Stoffe wie beispielsweise von Nährstoffen und Schwermetallen ist im Grundwasser im Allgemeinen signifikant höher als in Oberflächengewässern. Daher können selbst volumetrisch verhältnismäßig kleine Grundwasseraustritte entscheidenden Einfluss auf Wasserchemie und den Gesundheitszustand des aquatischen Ökosystems haben, womit Auswirkungen auf die Bereitstellung von Ökosystemleistungen verbunden sein können. Beispielsweise sind grundwasserbürtige Nährstoffeinträge eine entscheidende Steuergröße für die Primärproduktivität. Überschreiten diese grundwasserbürtigen Nährstoffeinträge jedoch einen Schwellenwert, kann es zur Eutrophierung des Oberflächengewässers kommen. Dies wiederum kann toxische Algenblüten oder die Entstehung von Sauerstoffminimumzonen zur Folge haben und das aquatische Leben bedrohen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Methoden zur Quantifizierung von Grundwas-sereinträgen in den küstennahen Ozean, Ästuare und in Seen. Dabei stützt sich diese Arbeit primär auf Umwelttracer, vor allem auf Radionuklide (Radon- und Radium-Isotope) sowie die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H). Diese Umwelttracer sind für die untersuchten Systeme in besonderer Weise geeignet, da zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ein ausgeprägter Gradient hinsichtlich Konzentration bzw. Isotopensignatur besteht. Vier Einzelstudien stellen den Kern dieser Arbeit dar: (1) Die Quantifizierung der Antwortverzögerung des mobilen Radon-Detektors RAD7, an-gewendet für die Radon-in-Wasser-Kartierung. Die Antwortverzögerung des mobilen Radon-in-Luft-Detektors RAD7 wurde für zwei Messanordnungen (Radonextraktion via RADaqua und via Membranmodul) sowie für einen Bereich von Wasserdurchflussraten bestimmt. Für die Radonextraktion via RADaqua ist die Antwortverzögerung stärker ausgeprägt als für das Membranmodul. Bei einer Wasserdurchflussrate von 1 l min-1 treten die Peaks der aufgezeichneten Werte ~10 min nach den Radon-in-Wasser Peaks auf, während die Verzögerung bei Radonextraktion via RADaqua ~18 min beträgt. Weiterhin wurde eine Reduktion der Antwortverzögerung mit zunehmenden Wasserdurchflussraten beobachtet. Der vorgestellte Algorithmus ermöglicht in Kombination mit den berechneten Radontransfer-Koeffizienten die inverse Modellierung der Radon-in-Wasser-Konzentrationen, basierend auf den RAD7-Messwerten. Dies ermöglicht beispielsweise eine genauere Lokalisierung von räumlichen Radon-in-Wasser Anomalien und folglich eine präzisere Bestimmung von Grundwasseraustrittsstellen. (2) Quantifizierung untermeerischer Grundwasseraustritte in eine große Meeresbucht (False Bay, Südafrika) Untermeerische Grundwasseraustritte (“Submarine Groundwater Discharge” – SGD) bestehen aus zwei Komponenten: (a) Süßwasser-SGD (“Fresh SGD” – FSGD) angetrieben durch den meerwärtsgerichteten hydraulischen Gradienten, und (b) re-zirkuliertem SGD („re-circulated SGD“ – RSGD), verursacht durch Prozesse wie gezeitengesteuerte Infiltration von Meerwasser in den Aquifer. Eine Radon-Kartierung entlang der gesamten Küstenlinie der Bucht führte zur Lokalisierung von SGD, woraufhin dort vertiefende Untersuchungen durchgeführt wurden. In diesem Bilanzgebiet wurden eine Salz- und eine Radon-Massenbilanz durchgeführt, um FSGD bzw. Gesamt-SGD zu bestimmen. RSGD wurde aus der Differenz von FSGD und SGD abgleitet. Für die Radon-Massenbilanz wurden neue Ansätze für die Berechnung der Radon-Entgasung in die Atmosphäre und des Radon-Mischungsverlustes mit küstenfernerem Wasser präsentiert. Die Tracer-Massenbilanzen ergaben einen FSGD-Median von 2.300 m³ d-1 bzw. 0,9 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie und einen RSGD-Median von 6.600 m³ d-1 bzw. 2,7 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie. Die FSGD-Rate wurde mit Hilfe eines hydrologischen Modells zur Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate und eines Grundwasserströmungsmodells zur Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebiets des Bilanzraums bestimmt. Diese unabhängige Methode bestätigte die Tracer-basierten Ergebnisse. Die Bedeutung dieser Studie besteht zuvorderst in der Vorstellung neuer methodischer Ansätze bei der Radon-Massenbilanzierung sowie in der Validierung von FSGD unter Berücksichtigung hydrologischer und hydrogeologischer Daten. (3) Unterscheidung von FSGD und RSGD in einem Ästuar (Knysna Ästuar, Südafrika). Das Knysna-Ästuar ist hinsichtlich der Bestimmung von SGD im Vergleich zur False Bay ein komplexeres System, da sich neben Meerwasser, FSGD und RSGD auch Flusswasser in signifikanten Mengen im Ästuar mischt. FSGD- und RSGD-Anteile wurden anhand der chemischen Zusammensetzung des Ästuarwassers unterschieden. Für diesen Zweck wurde eine End-Member-Mischungsanalyse (EMMA) auf Grundlage von Radon- und Salinitätszeitreihen des Ästuarwassers durchgeführt. Durch ein Optimierungsverfahren wurde die Mischung der End-member Meerwasser, Flusswasser, FSGD und RSGD für jeden Zeitschritt mit dem Ziel der bestmöglichen Übereinstimmung mit den gemessenen Radon- und Salinitätszeitreihen bestimmt. Die Unsicherheit in der Bestimmung der End-member-Anteile wurde durch stochastische Modellierung (Monte-Carlo-Simulation) quantifiziert. Die höchsten Anteile von FSGD und RSGD traten bei Niedrigwasser auf. Die mittleren Anteile von FSGD und RSGD betrugen in der Nähe der Ästuarmündung 0,2 % und 0,8 % während einer 24-stündigen Zeitreihenmessung. Diese Informationen führten in Kombination mit einer Radon-Massenbilanz zur Bestimmung eines mittleren FSGD von 46.000 m³ d-1 sowie eines mittleren RSGD von 150.000 m³ d-1. Diese Ergebnisse implizieren unter Einbeziehung weiterer Daten, dass SGD ein bedeutender Pfad für den Eintrag von gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) in das Knysna-Ästuar darstellt. Diese Studie zeigt das Potenzial einer EMMA für die Bestimmung der Anteile von vier End-membern unter Nutzung von zwei gemessenen Variablen und unter Berücksichtigung der End-member-Unsicherheit. Außerdem wurde die Bedeutung von SGD für das Wasser- und DIN-Budget des Knysna-Ästuars aufgezeigt. (4) Quantifizierung von Grundwasseraustrittsrate und Wasserverweilzeit eines grundwas-sergespeisten Sees (Ammelshainer See, Deutschland). Der vorgestellte Ansatz nutzt die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H) und von Ra-don für die Bestimmung des mittleren langfristigen sowie der aktuellen Grundwas-seraustrittsrate. Die Berechnungen beruhen auf Abschätzungen des Isotopeninventars anhand von Feldmessungen, der Isotopensignatur des Grundwassers sowie ergänzen-den Klima- und Isotopen-Daten (Niederschlag). Die Ergebnisse einer stationären Isoto-pen-Massenbilanz für δ18O und δ2H sind übereinstimmend und ergaben einen langfristigen mittleren Grundwasseraustritt von 2.800 bis 3.350 m³ d-1. Dieses Ergebnis wurde für die Modellierung des jährlichen Zyklus des Isotopeninventars im See benutzt, welches mit den gemessenen Isotopenwerten konsistent ist. Die auf Grundlage einer Radon-Massenbilanz abgeleiteten aktuellen Grundwasserzutrittsraten lagen im Gegensatz dazu deutlich niedriger, was jedoch nicht notwendigerweise einen Widerspruch darstellen muss, sondern vielmehr ein Hinweis auf eine möglicherweise ausgeprägte saisonale Variabilität des Grundwasseraustritts darstellen kann. Diese Studie zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von einer Kombination aus δ18O/δ2H- und Radon-Massenbilanzen für die Bestimmung der Grundwasseranbindung von Seen mit einem vergleichsweise geringen Messaufwand unter Nutzung qualitativ hochwertiger und umfangreicher Klima-und Isotopen-Daten (Niederschlag). Diese Dissertation präsentiert wichtige methodische Fortschritte hinsichtlich der An-wendung von Radon- und stabilen Isotopen-Massenbilanzen, der Quantifizierung von Unsicherheit, der Unterscheidung von FSGD und RSGD anhand geochemischer Daten und der Validierung von FSGD. Außerdem wurden erstmals SGD-Raten für Standorte in Südafrika (False Bay und Knysna-Ästuar) vorgestellt.

The increase of antibiotic resistance against antibiotics (AB) is an alarming phenomenon threatening the human well being and heading back to the pre-antibiotic era where many infectious diseases may become again untreatable with antibiotics. There is a strong correlation between AB use and occurrence of resistances which suggests anthropogenically-driven environments as reservoirs of antibiotic resistant bacteria (ARB). Among anthropogenically - driven environments, wastewater treatment plants (WWTPs), have been linked with the increased incidence of pathogens and ARB in freshwater ecosystems. Principal goal of the study was to evaluate the role of WWTPs as environmental reservoirs for antibiotic resistance and pathogenic bacteria. In this thesis, classical and molecular microbiology methods were applied to analyse resistance levels of bacterial communities from wastewater and wastewater-polluted environments at different geographical locations of developed (German and Switzerland) and developing (Nigeria) countries. Additionally, a novel approach which makes use of a combination of quantitative genomics, Next Generation Sequencing and drug-related health data was applied to quantitatively detect antibiotic resistance genes (ARG) in wastewater and assess their seasonal dynamics. The relative abundance of ARG was not reduced by the WWTPs in the treated effluent. Effluents were responsible for significantly high levels of ARB and ARG in the receiving environment because capable of introducing and/or selecting ARB carrying ARG on genetic mobile elements. The ARG levels differed between seasons independently from the water sanitation. High ARG levels were displayed in autumn and winter in coincidence with the higher uptake of antibiotics by the outpatients of the municipality.Contrary to the ARG, the abundance of bacteria was reduced by WWTPs processes in the effluent of developed countries. The WWTPs were also responsible for the changes of the microbial community from the wastewater to the effluent. Contrary to developed countries, the poor treatment of wastewater in Nigeria facilitated the spread of multi-drug resistant pathogens in the freshwater ecosystem. These bacteria were also carriers of clinically relevant ARG contributing to the accumulation of multiresistant pathogens in the environment. All in all, this thesis shows that well established WWTP technologies are not capable to prevent or reduce the abundance of ARG in the freshwater ecosystem and poorly treated wastewater enriches the environmental reservoirs of ARG. Antibiotic resistance can spread across taxonomically distant bacteria and therefore explain the strong dispersal of ARG in wastewater effluents. These results show that antibiotic resistances are also ubiquitous in the freshwater environment and that anthropogenically - driven environments determine the incidence of antibiotic resistance. As for the clinic, tackling the problem of antibiotic resistance in the environment is fundamental. Without any action, the environmental reservoirs of resistance will increase and therapeutic failure in the clinic will irreversibly compromise the biggest progress in medicine of the 20th century.

In arid countries both water scarcity and salinity represent the key factors which drastically limit crop yield in irrigated agriculture. In addition, relatively poor management practices with pretty low water productivity (WP) seriously aggravate the situation. In order to get “more crop per drop', i.e., to substantially improve water use efficiency, this thesis proposes the novel strategy NEMO (Nested Experimental, Modeling, and Optimization Strategy) for reliably evaluating an optimal irrigation schedule. The proposed methodology relies upon a close interaction between in-depth field investigations and physically based process modeling. It is tailored specifically to fit the requirements in resource-restricted regions. Comprehensive field experiments, on site measurements as well as various laboratory analyses provide a representative database for characterizing the relevant environmental parameters as e.g. the soil properties at the considered location and the prevailing climate. A substantial part of the data obtained from the field experiments provided the input for the internationally recognized SVAT software DAISY1 or APSIM2, both physically based irrigation models which have already been successfully applied in arid regions. APSIM - which is used in the advanced parts of the study - includes not only a process based model for soil moisture transport but also a plant physiological model which describes the plant behavior under specific irrigation scenarios for a selected crop throughout a growing season. The adaption of the irrigation model to local conditions and its preliminary parameterization firstly follows available guidelines and data for areas with similar climate and soil conditions. Reference data and deterministic weather data served to build up DAISY’s basic model files. DAISY is then used within the framework of the custom made and problem oriented optimization software GET-OPTIS for evaluating the corresponding optimal irrigation schedule for a first preliminary series of experiments (IrrEx1). A second series of field experiments (IrrEx2) was accompanied by transient soil moisture measurements, which served for evaluating the soil hydraulic parameters, while the obtained yield was used for calibrating the plant physiological model of APSIM. Taking still into account the stochastic nature of weather phenomena, a stochastic optimization with GET-OPTIS was then applied not only for the traditional full irrigation but also for the most important deficit irrigation and the irrigation with saline water. The obtained optimal irrigation schedules are subsequently used for a final series of rigorous irrigation experiments (IrrEx3) which specifically focused on: (1) full irrigation for high yields with most economic water application, (2) deficit irrigation aiming at a maximum yield with only a limited amount of irrigation water, and (3) full irrigation with saline irrigation water for maximum yield. At the harvesting time, the observed crop yield and the water productivity were compared - together with other plant characteristics - with the corresponding calculated values. The agreement between calculated and measured crop data was excellent. All the field experiments have been performed following a parallel use of the common traditional FAO class A-Pan method and the novel NEMO technology. Based on the outcome of the field experiments, the NEMO applications demonstrated a striking superiority throughout all scenarios as compared to the FAO method as regards economic efficiency and sustainable use of irrigation water in both aspects water quantity and salt accumulation. Contrary to common practice, the optimal NEMO irrigation schedule - which relies on stochastic weather data - has an extended validity. Together with the use of physical data and adequate process models, the developed methodology features a highly promising potential for generalizing the experimental findings for other, environmentally similar, regions. NEMO thus opens wide possibilities for a cost effective and sustainable long-term application to other arid or semi-arid areas.

Die Uferfiltration und die unterirdische Enteisenung / Entmanganung (UEE) sind bewährte Verfahren für die natürliche, unterirdische Voraufbereitung von Wasser. In Abhängigkeit von der Wasserbeschaffenheit und den geochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters können Redoxreaktionen, Sorptions- und Auflösungsprozesse oder eine ungünstige Bewirtschaftung der Brunnen bei beiden Verfahren zu erhöhten Mangankonzentrationen im Rohwasser führen. Erhöhte Mangankonzentrationen sind häufig für Verockerungsprozesse im Filterbereich der Brunnen und Ablagerungen in Pumpen und Steigleitungen verantwortlich. Diese beeinträchtigen den langfristigen Brunnenbetrieb und führen zu höheren Kosten der Wasseraufbereitung. Außerdem führt Mangan zur Färbung des Wassers und muss in der Trinkwasseraufbereitung auf < 0,05 mg/L verringert werden. Für Wasserwerksbetreiber ist die Kenntnis über die Ursache und das Verhalten von Mangan essentiell für einen optimalen Betrieb. Die ägyptische Hauptstadt Kairo steht einem stark wachsenden Wasserbedarf gegenüber. Für die Bewertung einer möglichen Anwendung der Uferfiltration am Nil wurden vorhandene Versuchsbrunnen teufenabhängig beprobt und das Flusssohlsediment untersucht. Das Flusssohlsediment wies hohe Eisen- und Mangangehalte auf und wurde als Ursache für erhöhte Eisen-, Mangan- und Ammoniumkonzentrationen im Uferfiltrat identifiziert. Für den Uferfiltrationsstandort Dresden-Tolkewitz wurde der Einfluss von Temperatur und Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle untersucht. Betriebsdaten der Jahre 2006 bis 2016 und Säulenversuche bildeten die Grundlage. Die Manganfreisetzung wurde primär von der Temperatur kontrolliert, die Infiltrationsrate war weniger wichtig und verlor mit steigender Temperatur weiter an Bedeutung. Eine Manganfreisetzung wurde bei Wassertemperaturen von 20 °C und Infiltrationsraten von ≥ 0,3 m³/(m²×d) ausgelöst. Während der Inbetriebnahme eines UEE-Wasserwerks in Khabarovsk (Russland) wurde an einigen Brunnen eine intensive Manganfreisetzung beobachtet. Außerdem führte biologische Kolmation zu einem raschen Leistungsverlust und erforderte die Desinfektion der Brunnen. Die Auswertung der ersten 194 UEE-Zyklen eines Förderbrunnens und ergänzende Batchversuche ergaben, dass die Auflösung des im Grundwasserleiter vorhandenen, manganhaltigen Siderits die Ursache der Mn-Freisetzung war. Die Auflösungsprozesse hingen stark von der Korngröße des GWL-Materials und dem pH-Wert des Grundwassers ab. Die Filterkiesschüttung des Brunnens zehrte weniger als 1 % des infiltrierten Chlors und das Natriumhypochlorit drang ca. 2 bis 3,5 m in den Grundwasserleiter ein. Das Wasserwerk Eggersdorf nutzt die UEE für die Voraufbereitung von eisenhaltigem Grundwasser und dient, entgegen den Empfehlungen für die UEE, der Abdeckung von Bedarfsspitzen. In einem Feldversuch wurde die mögliche Umnutzung der UEE-Brunnen für die dauerhafte Grundwasserförderung getestet. Die dabei aufgetretene Manganfreisetzung wurde auf die chemische Reduktion von abgeschiedenen Mangan(hydr)oxiden durch eisenhaltiges Grundwasser zurückgeführt.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189 / Bank filtration and Subsurface Iron Removal (SIR) are proven technologies for the natural subsurface pre-treatment of water. Depending on the water quality and the geochemical properties of the aquifer, redox reactions, sorption and dissolution or unfavorable well management can lead to increased manganese concentrations in both treatment options. Increased manganese concentrations often cause filter screen clogging of the well or deposits in pumps and standpipes. This can affect the long-term well operation and lead to higher costs of water treatment. Furthermore, increased manganese concentrations can cause a coloring of the water and must be lowered to < 0.05 mg/l during drinking water treatment. For waterworks operators, the knowledge about the source and the behavior of manganese is essential for an optimal operation. The Egyptian capital Cairo faces a growing water demand. To evaluate a potential riverbank filtration site, depth-dependent sampling at existing test wells was carried out and sediment samples from the Nile riverbed were taken. The riverbed sediment showed elevated iron and manganese contents and was identified as cause of increased iron, manganese and ammonium concentrations in the riverbank filtrate. For the bank filtration site Dresden-Tolkewitz, the impact of temperature and infiltration rate on the manganese release from the riverbed sediment of the Elbe river was investigated. The investigations were based on monitoring data of the years 2006 to 2016 and column experiments. The manganese release was primarily controlled by temperature, the infiltration rate was less important. With increasing temperature, the infiltration rate became even less critical. Manganese was released at water temperatures of 20 °C and infiltration rates of ≥ 0.3 m³/(m²×d). During the start-up phase of a SIR waterworks in Khabarovsk, Russia, an intense manganese release was observed in several wells. In addition, biological clogging led to a rapid perfor-mance loss of the wells and required well disinfection. The evaluation of the first 194 SIR cycles of a production well and accompanying batch experiments indicated that the dissolution of the manganese-bearing siderite, which was present in the aquifer, caused the Mn release. The dissolution heavily depended on the grain size of the aquifer material and the pH of the groundwater. The filter gravel pack of the well consumed less than 1 % of the infiltrated chlorine and the sodium hypochlorite approximately penetrated between 2 and 3.5 m into the aquifer. The waterworks Eggersdorf has been using SIR for the pre-treatment of ferrous groundwater and, contrary to general recommendations for SIR well operation, served for covering peaks in water demand. In a field trial, the possible conversion of the SIR wells for permanent groundwater extraction was tested. An observed manganese release was attributed to the chemical reduction of former precipitated Mn(hydr)oxides by iron-containing groundwater.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189

This dissertation shows a novel strategy using soil matric potential based irrigation to improve water productivity of rice cultivation which is a case study from Sri Lanka. Study contains research component and a crop modelling component.:Introduction Fundamentals and Scientific Background Literature Review New Methods for Improving Water Productivity in Rice Cultivation Results and Discussion Conclusions and Outlook

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gehört zu den Hauptkontrolleuren des Treibhauseffektes und spielt eine Schlüsselrolle im globalen Energiekreislauf, wobei den Polargebieten als globale Wärmesenken eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aus Messungen des Global Positioning System (GPS) der integrierte Wasserdampfgehalt innerhalb der letzten Dekade bestimmt und analysiert. Die Untersuchungen stützen sich auf die Reprozessierung eines aus 195 Stationen bestehenden globalen GPS-Netzes. Die aus den geschätzten GPS-Troposphärenparameter bestimmten Wasserdampf- zeitreihen wurden hinsichtlich Genauigkeit und Homogenität untersucht. Nach Korrektion der Inhomogenit äten ist es möglich, mit GPS mehrjährige Schwankungen im potenziellen Niederschlagswasser mit einer Genauigkeit besser als 0,3 mm Höhe der Wassersäule zu erfassen. Als Ergebnis der Untersuchungen zeigen sich in Europa und großen Teilen Nordamerikas Anomalien des Wasserdampfgehaltes im Bereich eines Millimeters, welche sich vor allem auf thermodynamische Effekte zurückführen lassen. In den Tropen und im Südosten der USA können die Wasserdampfanomalien 3 bis 5 mm betragen. Sie sind durch dynamische Prozesse bedingt, die mit der Südlichen Oszillation im Zusammenhang stehen. Eine Anwendung der aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen ist die Validierung des Wasserdampfes im globalen Wettervorhersagemodell des National Center for Environmental Predicton (NCEP). Über Europa und großen Teilen Nordamerikas reproduziert NCEP die Schwankungen des Wasserdampfgehaltes sehr gut und stellt damit eine gute Datengrundlage für ?ächendeckende Untersuchungen langfristiger Veränderungen im Wasserdampfgehalt dar. In der Antarktis und den Tropen wird jedoch das saisonale und mehrjährige Signal des Wasserdampfes von NCEP um 25% bis 40% unterschätzt. Als zweite Anwendung der GPS-Wasserdampfzeitreihen erfolgt die Validierung satellitenbasierter Radiometermessungen über der Antarktis. Sie zeigt eine gute Übereinstimmung der Wasserdampfwerte aus GPSund Radiometermessungen. Die im Rahmen dieser Arbeit aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen bilden eine sehr gute Datengrundlage für weitergehende Untersuchungen der Wetter- und Klimaforschung. / The atmospheric water vapour is one of the main variables controlling the greenhouse effect and it plays a crucial role in the global energy cycle. In this context the polar regions which act as global heat sinks are especially important. This study uses observations from the Global Positioning System (GPS) to investigate changes of the integrated atmospheric water vapour. It is based on a reprocessing of a global GPS network consisting of 195 stations. A strong emphasis was placed on the investigation of the accuracy and the homogeneity of the GPS derived water vapour time series. After correcting the inhomogeneities interannual ?uctuations in the precipitable water can be determined from GPS data with an accuracy of 0.3 mm in water column height. As a result, the interannual variations in the water vapour content are in the order of one millimetre over Europe and over large areas of North America. They are mainly related to thermodynamic effects. In the tropics and in the south east of the USA water vapour anomalies can reach 3 to 5 mm caused by dynamic processes connected to the Southern Oscillation. As one application of the estimated GPS water vapour time series a validation of water vapour from the global numerical weather prediction model of the National Center for Environmental Prediction (NCEP) was carried out. Over Europe and large parts of North America the seasonal signal and the interannual variations of the water vapour are very well reproduced by NCEP. Hence, in these regions NCEP presents a good database for area-wide investigations of long-term changes in the water vapour content. However, in Antarctica and in the Tropics the seasonal and also the interannual signals of the NCEP water vapour are strongly underestimated by 25% to 40%. A second application of the estimated GPS water vapour time series is the validation of satellite-based radiometer measurements over Antarctica. A good agreement was found between the water vapour derived from GPS and radiometer data. The water vapour time series estimated in this study provide a good basis for further weather and climate related investigations.

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