Das vorliegende Heft 26/2023 der „Diskussionsbeiträge zur Kartosemiotik und Theorie der Kartographie“ enthält fünf Artikel und zwei Berichte (über den Semiotischen Kongress 2024 und die Kartenatlas-bezogene Anthologie). Die drei Artikel sind durch Atlas-bezogene (praktische und theoretische) Untersuchungen gekennzeichnet, ein Artikel ist der Toponymie der Russlanddeutschen auf der Weltkarte gewidmet, und ein Artikel informiert über die Ausstellung alter japanischer Karten in Berlin (1934) und die Berliner Karten-Sammlung von Leo Bagrow. / The collection “Discussion contributionses on cartosemiotics and the theory of carto-graphy” No. 26, 2023 contains five articles and two reports (about the semiotic congress 2024 and the carto-atlas anthology). The three articles are characterized practical and theoretical atlas developments, one article devoted to the toponymy of Russian Germans on the World Map, and one - informs about the exhibition of ancient Japanese maps in Berlin (1934) and the Berlin map collection of Leo Bagrow. / Сборник «Дискуссионные статьи по картосемиотике и теории картографии» № 26, 2023 года содержит пять статей и два сообщения (о семиотическом конгрессе 2024 и карто-атласной антологии). Три статьи посвящены атласным (практическим и теоретическим) наработками, одна статья информирует о топонимике Российских Немцев на Карте Мира, и одна статья - о выставке старинных японских карт в Берлине (1934 г.) и берлинской коллекции карт Лео Багрова.

Karst aquifers are characterized by highly conductive conduit flow paths embedded in a less conductive fissured and fractured matrix resulting in strong permeability contrasts with structured heterogeneity and anisotropy. Groundwater storage occurs predominantly in the fissured matrix. Hence, most karst models assume quasi steady-state flow in conduits neglecting conduit associated drainable storage (CADS). The concept of CADS considers storage volumes, where karst water is not part of the active flow system but rather hydraulically connected to conduits (for example karstic voids and large fractures). The disregard of conduit storage can be inappropriate when direct water abstraction from karst conduits occurs, e.g. large scale pumping. In such cases, CADS may be relevant. Furthermore, the typical fixed head boundary condition at the karst outlet can be inadequate for water abstraction scenarios because unhampered water inflow is possible. The objective of this paper is to analyze the significance of CADS and flow-limited boundary conditions on the hydraulic behavior of karst aquifers in water abstraction scenarios. To this end, the numerical hybrid model MODFLOW-2005 Conduit Flow Process Mode 1 (CFPM1) is enhanced to account for CADS. Additionally, a fixed-head limited-flow (FHLQ) boundary condition is added that limits inflow from constant head boundaries to a user-defined threshold. The affect and proper functioning of these modifications is demonstrated by simplified model studies. Both enhancements, CAD storage and the FHLQ boundary, are shown to be useful for water abstraction scenarios within karst aquifers. An idealized representation of a large-scale pumping test in a karst conduit is used to demonstrate that the enhanced CFPM1 is potentially able to adequately represent water abstraction processes in both the conduits and the matrix of real karst systems.

Identifying principles of water movement in the shallow subsurface is crucial for adequate process-based hydrological models. Hillslopes are the essential interface for water movement in catchments. The shallow subsurface on slopes typically consists of different layers with varying characteristics. The aim of this study was to draw conclusions about the infiltration behaviour, to identify water flow pathways and derive some general interpretations for the validity of the water movement on a hillslope with periglacial slope deposits (cover beds), where the layers differ in their sedimentological and hydrological properties. Especially the described varying influence of the basal layer (LB) as an impeding layer on the one hand and as a remarkable pathway for rapid subsurface stormflow on the other. We used a time lapse 3-D electrical resistivity tomography (ERT) approach combined with punctual hydrometric data to trace the spreading and the progression of an irrigation plume in layered slope deposits during two irrigation experiments. This multi-technical approach enables us to connect the high spatial resolution of the 3-D ERT with the high temporal resolution of the hydrometric devices. Infiltration through the uppermost layer was dominated by preferential flow, whereas the water flow in the deeper layers was mainly matrix flow. Subsurface stormflow due to impeding characteristic of the underlying layer occurs in form of organic layer interflow and at the interface to the first basal layer (LB1). However, the main driving factor for subsurface stormflow is the formation of a capillary barrier at the interface to the second basal layer (LB2). The capillary barrier prevents water from entering the deeper layer under unsaturated conditions and diverts the seepage water according to the slope inclination. With higher saturation, the capillary barrier breaks down and water reaches the highly conductive deeper layer. This highlights the importance of the capillary barrier effect for the prevention or activation of different flow pathways under variable hydrological conditions.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.

Die Erkundung und Charakterisierung der unterirdischen Einzugsgebiete gehören zu den zentralen Aufgabengebieten der hydrogeologischen Praxis. Die Erfassung und Ausnutzung von Schwankungen in den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Grundwässer bildet dabei einen Grundpfeiler zahlreicher Studien. Ausgelöst werden diese Variationen u.a. durch den Zustrom von Niederschlagswässern in die Grundwassersysteme. Dies kann sowohl infolge des natürlichen Versickerungsprozesses geschehen oder aber technischen Ursprungs sein (z.B. künstliche Grundwasseranreicherung). Niederschlagswässer unterscheiden sich - als Endprodukt des natürlichen meteorologi-schen Destillationsprozesses - bezüglich ihrer Salinität (Mineralgehalt) und ihrer Isotopie zumeist deutlich von natürlichen Grund- und Oberflächenwässern. Die meisten Monitoring- und Erkundungskonzepte, welche derartige Unterschiede ausnutzen, beinhalten daher oft eine Kombination mehrerer Analyseverfahren, wie z.B. die Identifizierung des isotopischen Fingerabdruckes mittels Stabilisotopenanalytik sowie die Bestimmung der Salinität über z.B. Konduktometrie oder Ionenanalysen. Niederschlagswässer, Grundwässer sowie das poröse Medium selbst sind jedoch Materialien natürlichen Ursprungs und daher physikochemisch betrachtet eher komplexe Systemkomponenten. Ein perfekt konservatives Migrationsverhalten ohne Beeinflussungen ist daher nicht zu erwarten; ebenso wenig ist davon auszugehen, dass die messtechnische Erfassung stets einwandfrei verläuft. Vor diesem Hintergrund setzt sich diese Dissertationsschrift kritisch mit dem Einfluss von Messunsicherheiten und Signalmodifikationen auf die Qualität der Nachverfolgung dieser Wässer auseinander. Hierfür wird das Niederschlagswasser als de-facto künstlicher Grundwassertracer behandelt und bezüglich der Anforderungen an diese Tracer-Gruppe bewertet. In mehreren Experimenten und Modellsimulationen auf Labor- und Feldskala wird zudem gezeigt, welche speziellen Anforderungen bei der Nutzung von Regenwässern und Schneeschmelzen als Tracer bestehen. Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen zum einen, dass die technischen Limitationen der Stabilisotopenanalytik bei der Auswertung von Versuchen mit natürlichen Niederschlags-wässern zwingend zu berücksichtigen sind, da sich die begrenzten isotopischen Unterschiede i.d.R. nur um wenige Vielfache vom Hintergrundrauschen der Messung unterscheiden. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Eineindeutigkeit der invers ermittelten Parameter. Des Weiteren ist zu beachten, dass die stabilen Isotope, obwohl durch ein nahezu inertes Verhalten geprägt, dennoch physikalisch bedingten Transferprozessen unterliegen, welche wiederum von Experimentalbedingungen wie z.B. der Temperatur beeinflusst werden. Außerdem wird offenbart, dass die Migration der sehr gering mineralisierten und chemisch folglich untersättigten Wässer im porösen Medium von chemischen Umwandlungsprozessen (u.a. Mineralreaktionen, Ionenaustausch) z.T. erheblicher Intensität begleitet wird. Diese Reaktionen führen u.a. zur Modifikation des Proxy-Parameters ‚elektrische Leitfähigkeit‘.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen / The exploration and characterization of subsurface catchments is one of the central tasks in hydrogeology. Here, exploiting detected fluctuations in the chemical-physical properties of the groundwater is a cornerstone of numerous studies. These variations are triggered, among others, by precipitation waters flowing into the groundwater systems. This can happen either due to the natural infiltration process or as a result of technical applications (e.g., as part of artificial groundwater recharge). Being the end product of the natural meteorologically induced distillation process, typical precipitation waters differ from natural groundwater and surface waters in terms of their mineral content (salinity) and their isotopic signatures. Therefore, most monitoring and exploration concepts, which exploit such differences, employ a combination of several analytical methods, such as the identification of the isotopic fingerprint by stable isotope analysis and salinity determination by, e.g., conductometry or ion analysis. However, precipitation waters, groundwaters as well as the porous medium itself are materials of natural origin and, therefore, are physicochemically rather complex system components. Hence, an unmodified and perfectly conservative migration behaviour is not to be expected; it is equally unlikely that the analytical detection procedure always runs smoothly. In this context, this doctoral dissertation gives a critical assessment on the influence of analytical uncertainties and signal modifications on the overall quality of the water tracing. For this purpose, precipitation water is treated as de-facto artificial groundwater tracer and evaluated according to the requirements defined for this tracer group. Furthermore, experiments and model simulations were carried out on the laboratory and on the field scale to assess which special requirements must be complied when rain waters or snowmelt waters are used as tracers. The investigations show on the one hand, that technical limitations of stable isotope analysis must be considered in the evaluation of tests with natural precipitation waters, as the limited isotopic differences typically differ only a fewfold from the background noise of the measurement device. This has a significant impact on the quality of the inversely determined parameters. Furthermore, it is highlighted that the stable isotopes, although showing an almost inert migration behaviour, are still subject to physically induced transfer processes. These transfer processes, in turn, depend on various experimental conditions such as temperature. Finally, it was found that the migration of the low mineralized waters in the po-rous medium is accompanied by a suite of chemical reactions (e.g. mineral reactions, ion exchange), which in turn lead to a modification of the proxy parameter 'electrical conductivity'.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen

The lack of safe drinking water worldwide has drawn the attention of decision makers to riverbank filtration (RBF) for its many advantages in purifying surface water. This study provides an overview of the hydrogeologic, fluvial, and environmental influences on the performance of RBF systems and aims to develop a model for RBF site selection. Using multi-attribute utility theory (MAUT), this study structured the RBF siting problem and assessed a multiplicative utility function for the decision maker. In a case study, geostatistical methods were used to acquire the necessary data and geographic information systems (GIS) were used to screen sites suitable for RBF implementation. Those suitable sites were then evaluated and ranked using the multi-attribute utility model. The result showed that sites can be identified as most preferred among the selected suitable sites based on their expected utility values. This study definitively answers the question regarding the capability of MAUT in RBF site selection. Further studies are needed to verify the influences of the attributes on the performance of RBF systems.:Abstract iii Zusammenfassung iv Acknowledgments v Table of Contents vi List of Tables viii List of Figures x Definition of terms xiii 1. Abbreviations xiii 2. Symbols xiii Part I Introduction 1 1. Introduction 2 2. Statement of purpose 2 3. Research questions 3 4. Overview of methodology 3 5. Organization of the dissertation 3 Part II Fundamentals and Literature Review 5 1. The definition of bank filtration 6 2. The Significance of RBF 7 2.1 RBF in drinking water supply 7 2.2 Benefits of RBF for China 14 3. RBF Site Selection 19 3.1 RBF site selection model 20 3.2 Definition of successful RBF sites 24 4. Factors Affecting RBF Site Selection 26 4.1 River hydrology/hydraulics 27 4.2 Geology 28 4.3 Land cover 36 4.4 Well field location 36 4.5 Water quality 37 4.6 Aquifer properties 38 4.7 Distance to river 41 4.8 Riverbed characteristics 43 5. Effect of Clogging on Yield 46 6. Summary 51 Part III Developing a Multi-attribute Utility Model for RBF Site Selection 53 1. Introduction 54 2. Objectives and Attributes 54 3. Assessment of the Utility Function 57 3.1 Investigation of the qualitative preference structure 58 3.2 Assessment of component utility function 62 3.3 Assessment of the scaling constants 63 4. Results 67 5. Discussion 69 6. Summary 74 Part IV Case Study 75 1. Introduction 76 2. Materials and Methods 78 2.1 GIS data collection 78 2.1.1 Geologic data 79 2.1.2 Land cover data 79 2.1.3 Groundwater quality data 80 2.1.4 Aquifer properties data 80 2.1.5 Surface water area data 80 2.1.6 Surface water quality data 81 2.1.7 Streambed material data 81 2.2 Kriging the saturated thickness 91 2.3 Aggregation of all constraint maps 103 3. Results 105 3.1 Kriging 105 3.2 Suitable sites 105 4. Discussion 109 4.1 A discussion of the kriging results 109 4.2 A discussion of the multi-attribute utility model results 117 5. Summary 122 Part V Conclusions and Recommendations 123 1. Conclusion and Recommendation 124 Appendix 1 Environmental quality standards for surface water (GB 3838-2002) 125 Appendix 2 Quality standard for groundwater (GB14848-93) 127 Appendix 3 Explanation to Germany’s RBF site location data 130 Appendix 4 Layer information of drillings 133 Appendix 5 Streambed materials used by Schälchli (1993) 141 Appendix 6 Interview and questionnaires 143 Appendix 7 Surface water area of Jilin City 150 Bibliography 152

Die morphologische Variabilität dentaler Strukturen, bei Haien der Familie der Carcharhinidae, ist sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten unzureichend erforscht. Ohne Kenntnis der artspezifischen Parameter ist eine genaue taxonomische Klassifizierung von fossilen Haien anhand der Zähne jedoch unmöglich. Die umfassende Analyse der dentalen Strukturen rezenter carcharhinider Haie nach artspezifischen Merkmalen wurde genutzt, um die Ergebnisse auf die nächsten fossilen Verwandten zu übertragen. Besonderes Augenmerk galt darüber hinaus dem morphologischen Vergleich fossiler Zähne westatlantischer und zentralasiatischer Herkunft. Es wurde ein morphometrisches Analyseverfahren entwickelt, dass entgegen bestehender Methoden, gänzlich auf manuelle Datengewinnung verzichtet. Für die neue Methode der automatisierten algorithmischen Morphometrie (AAM) wurden erstmals, anhand von 2340 Einzelzähnen von 112 Individuen aus 41 Arten rezenter Carcharhinidae, die wesentlichen artspezifischen Merkmalskomplexe definiert und in ein Analyseprogramm samt Datenbank übertragen. Die Einzeluntersuchung der einzelnen Spezies nach Gesichtspunkten ontogenetischer, sexueller bzw. mono-/dignather Heterodontie sowie intra- und interspezifischer Varianz der Zahnmorphologie zeigte, dass carcharhinide Haie allein mit Hilfe zahnmorphologischer Merkmale identifiziert werden können und diese Merkmale für systematische Zwecke geeignet sind. Der Erfolg der systematischen Zuordnung steht aber in direkter Abhängigkeit zur Zahnposition und zur betrachteten Spezies. Der Einfluss der Heterodontie auf die taxonomische Aussagekraft ist mitunter enorm, so dass die Eindeutigkeit der taxonomischen Klassifizierung stark begrenzt wird. Es existiert eine enorme Bandbreite an morphologischen Überschneidungen und Durchdringungen, sowohl innerhalb der Arten als auch art- bzw. gattungsübergreifend. Beim Vergleich allein anhand einzelner Zähne, sowohl fossiler als auch rezenter Herkunft, ist es in vielen Fällen nicht feststellbar, ob noch innerartliche Varianz oder bereits artliche Differenz vorliegt. Aus den Erkenntnissen der morphometrischen Analyse und deren Übertragung auf die fossilen Belege, ergab sich die Notwendigkeit, fossile Zähne carcharhinider Haie zukünftig, neben dem bestehenden deskriptiven Verfahren der Taxonomie, zusätzlich funktionsmorphologisch zu beurteilen. Dazu wurden erstmals sechs funktionsmorphologische Gruppen definiert, mit deren Hilfe vor allem ökologische Schlussfolgerungen bei der Bewertung fossiler Zähne möglich sind. / The morphological variability of dental structures within the different species as well as between the species of sharks belonging to the family of the Carcharhinidae is insufficient investigated. Without knowledge of the species specific parameter the precise taxonomic classification based on the teeth morphology of fossil sharks is kind of impossible. The comprehensive analysis of dental structures of extant carcharhinid sharks was used to transfer the results to their next extinct relatives. Special attention was focused on the comparison between fossil teeth of populations with westatlantic and centralasiatic origin. A morphometric analysis program was established, that is in contrast to traditional methods not based on manual data collection. With the new method of automatic algorithmic morphometry (AAM) the essential species specific attribut complexes were defined for the first time by using the morphological data of 2340 single tooth from 112 individuals from 41 species of extant carcharhinid sharks and transfered to an appropriate new analysis program including all datasets in one database. Individual studies for each single species in aspects like ontogenetic, sexual, mono- and dignatic heterodondity as well as intra- and interspecific variance in tooth morphology proved the possibility to identify carcharhinid sharks just by their teeth and that these attributes can be used for systematic purposes. The effectiveness of the systematic classification stands in direct dependence to tooth position and investigated species. The heterodondity influence for the taxonomic significance is quite high and limiting the taxonomic classification. An enormous bandwith in morphological overlapping and interpenetration is existing as well as within the species but also between species respectively across genus. The comparison based on single teeth with both fossil and extant origin, makes it in many cases impossible to differentiate between intraspecific variance and already existing specific difference. From the new insight to morphological differentiation based on the morphometric analysis (AAM) established in this work and the tranfer from this informations to fossil samples the need for different view to fossil teeth of carcharhinid sharks was obvious. Beside the traditional descriptive procedure of taxonomy a method based on functional morphology is need to better reassess fossil carcharhinid shark teeth. Therefor six functional morphological groups where defined for the first time especially for paleoecological conclusions in the assessment of fossil teeth.

Im Fokus der Untersuchungen steht das hydrologische Einzugsgebiet der oberen Wilzsch im Westerzgebirge. Veränderte Stoffausträge des bewaldeten und zum Teil vermoorten hydrologischen Einzugsgebietes führen zu erhöhten Stoffkonzentrationen im Hauptzufluss der Trinkwassertalsperre Weiterswiese (Carlsfeld). Seitens der Trinkwasseraufbereitung stellen insbesondere die gestiegenen Gehalte an gelösten organischen Kohlenstoffen (DOC) Mehraufwendungen dar. Im Zuge der Wiedervernässung der Moorflächen kommt es zu relevanten bodenchemischen Veränderungen, die im Abfluss messbar sind. Eine räumliche Betrachtung der Teileinzugsgebiete des hydrologischen Einzugsgebietes der oberen Wilzsch ermöglicht, das Abflussgebiet in verschiedene Herkunftsräume zu gliedern. Dieser raumbezogene Ansatz leistet einen wesentlichen Beitrag in der Herkunftsanalytik von Wässern, deren Fließwege durch Standorte unterschiedlicher Nutzung geprägt sind. Die Arbeit bedient sich hydrochemischen Analysen sowie multitraceranalytischen Verfahren. Die Analyse der stabilen Umweltisotope ²H und 18O am Wasser, 13C am DIC und DOC, 34S und 18O am Sulfat sowie 15N und 18O am Nitrat hilft bei der Identifizierung von Stoffquellen und Transformationsprozessen. Die Arbeit verfolgt das Ziel, den Beitrag der verschiedenen Stoffsysteme am gesamten Stoffaustrag des Vorfluters aufzuzeigen sowie die atmosphärische Grundlast an den Messstandorten nachzuweisen. Dazu wurden von Mai 2009 bis August 2010 fünf Beprobungskampagnen angelegt. Das Messdesign erstreckte sich auf 19 Standorte in ausgewählten Teileinzugsgebieten, die maßgeblichen Einfluss auf die Vorflut haben. Parallel dazu erfolgte die Untersuchung des Niederschlags an der Station Talsperre Weiterswiese. Erfasst wurden die Inhalte von Wässern verschiedener Moorgebiete, Moorwasserpegel unterschiedlich degradierter Moorbereiche, Gräben und Bodendrainagen im Fichtenforst, der Vorfluter Wilzsch und Kranizsch und des Grundwassers im Fichtenforst. Es kann festgehalten werden, dass je nach Lage bzw. Entfernung der Ursprungsgebiete der Anteil des DOC - Exports unterschiedlich stark ist. So sind die DOC - Austräge saisonal sehr verschieden. Im Ergebnis ist der hydrochemische Beitrag - im Besonderen DOC - der unterschiedlichen Stoffsysteme des hydrologischen Einzugsgebietes letztlich am finalen Pegel der Wilzsch messbar. Die vom Basisabfluss gesteuerten silikatischen Standorte im Fichtenforst leisten einen wesentlichen Anteil zum hydrochemischen Milieu der Vorfluter. Die im Untersuchungsgebiet eingeleiteten Renaturierungsmaßnahmen beeinflussen die Trinkwasserqualität in der Talsperre Carlsfeld nicht. Eine Abgrenzung der atmosphärischen Grundlast ist ebenfalls möglich, atmogen eingetragene Stoffe können an den Standorten ausgewiesen werden.

In this study, ambient noise wavefield was used for the first time to image spatial and temporal upper crustal seismic structures in NW-Bohemia/Vogtland region. The data come from 111 stations and were collected from continuous recordings of the permanent station networks of Germany and Czech Academy of Sciences as well as temporary stations of the BOHEMA and PASSEQ experiments. Rayleigh and Love waves travelling between each station-pair are extracted by cross-correlating long time series of ambient noise data recorded at the stations. Group velocity dispersion curves are obtained by time-frequency analysis of cross-correlation functions between 0.1 and 1 Hz, and are tomographically inverted to provide 2-D group velocity maps. At shorter periods Rayleigh wave group velocity maps are in good agreement with surface geology where low velocity anomalies appear along Mariánské Lázně Fault and Eger rift. A low velocity zone is observed at the northern edge of Mariánské Lázně Fault which shifts slightly to the south with increasing period and correlates well with the main focal zone of the earthquake swarms at 5 s period. We invert the 2-D group velocity maps into a 3-D shear wave velocity model. In this step Love waves were excluded from further analysis because of their high level of misfit to modelled dispersion curves. Horizontal and vertical sections through the model reveal a clear low velocity zone above the Nový Kostel seismic focal zone which narrows towards the top of the seismic activity and ends above the shallowest hypocenters at 7 km depth. We investigate temporal variation of seismic velocity within and around the Nový Kostel associated with 2008 and 2011 earthquake swarms by employing Passive Image Interferometry method using 7 continuous seismograms recorded by the WEBNET network. The results reveals stable seismic velocities without a clear post seismic velocity change during earthquake swarms in the Nový Kostel area.

Die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von troposphärischen Gasen, Partikeln und Wolken hängen aufgrund zahlreicher Prozesse stark voneinander ab. Insbesondere chemische Multiphasenprozesse in Wolken können die physiko-chemischen Eigenschaften der Luft und troposphärischer Partikel klein- und großräumig verändern. Diese chemische Prozessierung des troposphärischen Aerosols innerhalb von Wolken beeinflusst die chemischen Umwandlungen in der Atmosphäre, die Bildung von Wolken, deren Ausdehnung und Lebensdauer, sowie die Transmissivität von einfallender und ausgehender Strahlung durch die Atmosphäre. Damit sind wolken-chemische Prozesse relevant für das Klima auf der Erde und für verschiedene Umweltaspekte. Daher ist ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse wichtig. Die explizite Behandlung chemischer Reaktionen in der Flüssigphase stellt allerdings eine Herausforderung für atmosphärische Computermodelle dar. Detaillierte Beschreibungen der Flüssigphasenchemie werden deshalb häufig nur für Boxmodelle verwendet. Regionale Chemie-Transport-Modelle und Klimamodelle berücksichtigen diese Prozesse meist nur mit vereinfachten chemischen Mechanismen oder Parametrisierungen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der chemischer Mehrphasenprozesse innerhalb von Wolken auf den Verbleib relevanter Spurengase und Partikelbestandteile mit Hilfe des state‑of‑the‑art 3D-Chemie-Transport-Modells COSMO-MUSCAT zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde das Model um eine detaillierte Beschreibung chemischer Prozesse in der Flüssigphase erweitert. Zusätzlich wurde das bestehende Depositionsschema verbessert, um auch die Deposition von Nebeltropfen zu berücksichtigen. Die durchgeführten Modellerweiterungen ermöglichen eine bessere Beschreibung des troposphärischen Multiphasensystems. Das erweiterte Modellsystem wurde sowohl für künstliche 2D-Bergüberströmungsszenarien als auch für reale 3D-Simulationen angewendet. Mittels Prozess- und Sensitivitätsstudien wurde der Einfluss (i) des Detailgrades der verwendeten Mechanismen zur Beschreibung der Flüssigphasenchemie, (ii) der Größenauflösung des Tropfenspektrums und (iii) der Tropfenanzahl auf die chemischen Modellergebnisse untersucht. Die Studien belegen, dass die Auswirkungen der Wolkenchemie aufgrund ihres signifikanten Einflusses auf die Oxidationskapazität in der Gas- und Flüssigphase, die Bildung von organischer und anorganischer Partikelmasse sowie die Azidität der Wolkentropfen und Partikel in regionalen Chemie-Transport-Modellen berücksichtigt werden sollten. Im Vergleich zu einer vereinfachten Beschreibung der Wolkenchemie führt die Verwendung des detaillierten chemischen Flüssigphasenmechanismus C3.0RED zu verringerten Konzentrationen wichtiger Oxidantien in der Gasphase, einer höheren Nitratmasse in der Nacht, geringeren nächtlichen pH-Werten und einer veränderten Sulfatbildung. Darüber hinaus ermöglicht eine detaillierte Wolkenchemie erst Untersuchungen zur Bildung sekundärer organischer Partikelmasse in der Flüssigphase. Die größenaufgelöste Behandlung der Flüssigphasenchemie hatte nur geringen Einfluss auf die chemischen Modellergebnisse. Schließlich wurde das erweiterte Modell für Fallstudien zur Feldmesskampagne HCCT‑2010 genutzt. Zum ersten Mal wurde dabei ein chemischer Mechanismus mit der Komplexität von C3.0RED verwendet. Die räumlichen Effekte realer Wolken z. B. auf troposphärische Oxidantien oder die Bildung anorganischer Masse wurden untersucht. Der Vergleich der Modellergebnisse mit verfügbaren Messungen hat viele Übereinstimmungen aber auch interessante Unterschiede aufgezeigt, die weiter untersucht werden müssen. / In the troposphere, a vast number of interactions between gases, particles, and clouds affect their physico-chemical properties, which, therefore, highly depend on each other. Particularly, multiphase chemical processes within clouds can alter the physico-chemical properties of the gas and the particle phase from the local to the global scale. This cloud processing of the tropospheric aerosol may, therefore, affect chemical conversions in the atmosphere, the formation, extent, and lifetime of clouds, as well as the interaction of particles and clouds with incoming and outgoing radiation. Considering the relevance of these processes for Earth\''s climate and many environmental issues, a detailed understanding of the chemical processes within clouds is important. However, the treatment of aqueous phase chemical reactions in numerical models in a comprehensive and explicit manner is challenging. Therefore, detailed descriptions of aqueous chemistry are only available in box models, whereas regional chemistry transport and climate models usually treat cloud chemical processes by means of rather simplified chemical mechanisms or parameterizations. The present work aims at characterizing the influence of chemical cloud processing of the tropospheric aerosol on the fate of relevant gaseous and particulate aerosol constituents using the state-of-the-art 3‑D chemistry transport model (CTM) COSMO‑MUSCAT. For this purpose, the model was enhanced by a detailed description of aqueous phase chemical processes. In addition, the deposition schemes were improved in order to account for the deposition of cloud droplets of ground layer clouds and fogs. The conducted model enhancements provide a better insight in the tropospheric multiphase system. The extended model system was applied for an artificial mountain streaming scenario as well as for real 3‑D case studies. Process and sensitivity studies were conducted investigating the influence of (i) the detail of the used aqueous phase chemical representation, (ii) the size-resolution of the cloud droplets, and (iii) the total droplet number on the chemical model output. The studies indicated the requirement to consider chemical cloud effects in regional CTMs because of their key impacts on e.g., oxidation capacity in the gas and aqueous phase, formation of organic and inorganic particulate mass, and droplet acidity. In comparison to rather simplified aqueous phase chemical mechanisms focusing on sulfate formation, the use of the detailed aqueous phase chemistry mechanism C3.0RED leads to decreased gas phase oxidant concentrations, increased nighttime nitrate mass, decreased nighttime pH, and differences in sulfate mass. Moreover, the treatment of detailed aqueous phase chemistry enables the investigation of the formation of aqueous secondary organic aerosol mass. The consideration of size-resolved aqueous phase chemistry shows only slight effects on the chemical model output. Finally, the enhanced model was applied for case studies connected to the field experiment HCCT-2010. For the first time, an aqueous phase mechanism with the complexity of C3.0RED was applied in 3‑D chemistry transport simulations. Interesting spatial effects of real clouds on e.g., tropospheric oxidants and inorganic mass have been studied. The comparison of the model output with available measurements revealed many agreements and also interesting disagreements, which need further investigations.