Shore zones of large rivers are hot spots of biodiversity and contribute significantly to riverine ecosystem functioning. Today, shore degradation and other structural impair-ments like river straightening and channelization are strong impact factors on river ecosystem health. However, we still lack a thorough understanding of how structural shore zone degradation affects benthic community composition and their inherent ecosystem functions. In this thesis I tested the influence of training structure induced environmental factors on benthic macroinvertebrate community composition and the share of non-native species. Moreover, I assessed the community-associated ecosystem functions in terms of secondary production and resource utilization. In the main channel, communities were composed of only a few specialized taxa with low abundances, which contributed little to riverine secondary production. This is probably due to the harsh conditions produced by constantly high flow velocities and relocation of the fine sandy sediment. Main channel habitats were hardly affected by the adjacent training structure. Hence, species compositions and productivities were similar at all investigated main channel sites. By contrast, each of the shore communities was diverse, highly abundant and productive in comparison to the main channel. However, variations between shore structure communities and their ecosystem functions were prominent. One particular training structure, i.e. the off-bankline revetment, bore the most diverse and by far most productive benthic community, which utilized vast total amounts of basal resources (1,323 g DM m-² y-1). Varying sediment compositions, availability of macrophytes and diverse flow velocities, including lentic conditions, were revealed as key factors for increasing biodiversity, secondary production and resource utilization. Allochthonous boulder habitats were generally highly prone to non-native species invasion. Neozoa proved less productive than many native community members and consumed minor relative and total amounts of the prevailing resource pelagic algae. The present quantitative comparison of shore type specific effects on biodiversity, biomass and productivity provides managers with a tool to improve the ecological attributes of large river ecosystems with an unchangeable, impaired macrostructure. In its entirety, this thesis constitutes a sound basis to increase the mechanistic understanding of the way in which shore zone manipulation can affect riverine benthic communities and their associated ecosystem functions. / Die Uferbereiche großer Flüsse sind für die Biodiversität und Funktion dieser Ökosys-teme von enormer Bedeutung. Uferdegradierung und Kanalisierung gehören zu wichti-gen Faktoren, die Flussökosysteme nachhaltig beeinträchtigen. Wie sich anthropogene Umstrukturierungen der Uferbereiche auf die Zusammensetzung benthischer Ge-meinschaften und deren Ökosystemfunktion auswirken ist jedoch weitestgehend unbe-kannt. In dieser Arbeit werden die Effekte von uferspezifischen Habitatfaktoren auf die Komposition des Makrozoobenthos und den Anteil an Neozoen getestet. Zudem wurden die gemeinschaftsassoziierten Ökosystemfunktionen in Bezug auf Sekundärproduktion und Ressourcennutzung erfasst und bewertet. Die benthische Gemeinschaft des Hauptstroms bestand lediglich aus wenigen spezialisierten Arten, welche nur geringfügig zur Gesamtsekundärproduktion des Flusses beitrugen. Dies war vermutlich auf die rauen Bedingungen im Hauptstrom (insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundener Sedimenttransport) zurückzuführen. Die Makrozoobenthosgemeinschaften des Hauptroms wurden von den jeweils angrenzenden Ufertypen nicht beeinflusst. Im Gegensatz zum Hauptstrom zeigte jeder der untersuchten Ufertypen hohe Dichten an benthischen Invertebraten wobei sich Zusammensetzung und Funktion der Artengemeinschaften zwischen den Ufertypen stark unterschieden. Dabei brachte das Parallelwerk die diverseste und produktivste Makroinvertebratenfauna hervor, welche enorme Mengen basaler Ressourcen ingestierte (1,323 g DM m-2y-1). Hauptfaktoren für eine Erhöhung von Biodiversität, Sekundärproduktion und Ressourcennutzung waren neben variablen Sedimentzusammensetzungen und Makrophytenbeständen sich oft ändernde Fließgeschwindigkeiten mit lentischen Phasen. Allochthone Steinhabitate waren generell anfällig für die Invasion nicht heimischer Arten. Diese Neozoen waren weniger produktiv als viele heimische Taxa und nutzten nur geringe Mengen pelagischer Algen, welche die meist verfügbare Ressource darstellten. Aus dem ökologischen Vergleich der verschiedenen Ufertypen lassen sich Managementempfehlungen zur Verbesserung des ökologischen Zustandes in Bezug auf Biodiversität und Ökosystemfunktionen ableiten, welche für große Flüsse mit degradierter und unveränderbarer Makrostruktur in Betracht gezogen werden können. In ihrer Gesamtheit liefert diese Arbeit ein fundiertes mechanistisches Verständnis über die Effekte von Ufermanipulationen auf benthische Gemeinschaften und deren assoziierte Ökosystemfunktionen in großen Flüssen.

The prey consumption by benthivorous fish predators can have profound top-down effects in stream food webs. To analyse this effects in small temperate stream ecosystems, a long-term field experiment was conducted in two streams in South-eastern Germany, Gauernitzbach and Tännichtgrundbach, from 2004 to 2011. The densities of two small-bodied benthivorous fish species, gudgeon (Gobio gobio) and stone loach (Barbatula barbatula), were manipulated following a Before-After-Control-Impact design. The top predator regime affected the benthic community composition of the streams mainly in pools, whereas the total benthic invertebrate biomass was not affected in any mesohabitat. The present work describes a causal analysis of the observed food web effects using additional field analyses and laboratory experiments, with a special focus on the habitat use and foraging behaviour of the fish as top predators. The probably most important of the analysed mechanisms was mesohabitat-specific predation by the fish. Three 24-h field video surveys combined with benthic invertebrate sampling showed that constraints in habitat use, especially for gudgeon, induced a differential predator-prey habitat overlap which resulted in a higher predation risk for the invertebrate prey in pools than in riffles. Another important mechanism was selective predation of both fish species. Their prey selectivity was largely explained by a small number of prey variables being connected to the partly non-visual foraging mode of these benthic predators. Besides the traits body size and feeding type, long-term mean abundance played a central role, small and highly abundant invertebrates, grazers and sediment feeders being preferred by gudgeon and stone loach. The preference for small and abundant prey taxa (chironomids) exceeded purely opportunistic feeding and probably facilitated resource partitioning between the two fish species having very similar diets. In addition to active selectivity, different predator avoidance strategies of the invertebrates analysed in laboratory experiments explained the passive selectivity of the fish predators for certain prey taxa in the streams. This could be shown for two abundant taxa being consumed by the fish predators in very different quantities, Gammarus pulex and Hydropsyche instabilis. These three mechanisms, although probably interacting with several other factors, could explain a large part of the effects the top-down food web manipulation had on the benthic community, especially the observed high degree of mesohabitat and species specificity. Confirming this, quantitative characteristics of predation food webs, for instance the importance of intraguild predation, differed markedly between pool and riffle mesohabitats. From the results of this study it can be concluded that the benthivorous fish affected benthic community structure mainly by mesohabitat-specific and selective predation. A manipulation of this (native) top predator type therefore will probably have such rather subtle but not catastrophic consequences in ecosystems with a high biotic diversity and a rich natural habitat structure and connectivity.

Urban emissions of antibiotics into the environment have the potential to adversely affect terrestrial and aquatic organisms. Developed standardized test methods allow the quantification of the resulting ecotoxicological risk, which strongly relies on a comprehensive situation analysis by predicting or measuring a representative antibiotic concentration of interest. Predicting the input loads of antibiotics to wastewater treatment plants using secondary input data (e.g. prescriptions) is a reasonable method if no analytical data is available. The absence of such data poses the question of an aquired reasonable sample quantity to capture local seasonal differences in prescriptions as well as flow conditions within the catchment area. Both, the theoretical and measurement based determination of environmental concentrations have been scarcely verified in practice. Hence, high resolution prescription data in combination with an extensive monitoring campaign at the wastewater treatment plant Dresden-Kaditz (WWTP) were used as a basis to evaluate the reliability of predicting and measuring urban antibiotic emissions. As expected, the recovery of antibiotic input loads strongly varies among substances. The group of macrolides as well as sulfamethoxazole and trimethoprim were almost fully recovered whereas nearly all substances of the beta-lactam family exhibit high elimination rates during the wastewater transport in the sewer system. Yet other antibiotics (e.g. fluoroquinolones) show distinct fluctuations through the year, which was not obvious from relatively constant prescriptions. The latter substances are an example that available data are not per se sufficient to predict the actual release into the environment which, in certain cases, emphasizes the necessity of adequate measuring campaings. The extensive data pool of this study was hence used to calculate the necessary number of samples to determine a representative annual mean load to the WWTP. Based on the applied approach, a minimum number of 20 to 40 samples per year is proposed to reasonably estimate a representative annual input load of antibiotics and other micropollutants. Regarding the WWTP, the mass flow analysis revealed that macrolides, clindamycin/ clindamycin-sulfoxide and trimethoprim were mainly released with the effluent, while penicillins, cephalosporins as well as sulfamethoxazole were partly degraded in the studied WWTP. Levofloxacin and ciprofloxacin are the only antibiotics under investigation with a significant mass fraction bound to primary, excess and digested sludge. In this context, the sludge concentrations are considered to be highly inconsistent which leads to questionable results. It remains unclear whether the inconsistencies are due to insufficiencies in sampling and/or analytical determination or if the fluctuations can be considered reasonable for digesters. Subsequently, verified antibiotic loads were evaluated regarding their ecotoxicological effects in the aquatic environment. Two approaches were applied (1) to address the ecological impact on individual trophic levels algae, daphnia and fish, and (2) to assess the possible synergistic potential of antibiotic combinations. Ciprofloxacin, levofloxacin and the group of cephalosporins showed to significantly affect the aquatic environment. They either have the highest impact on (one of) the lowest trophic level(s) or disproportionately increase the ecotoxicological risk due to their synergistic characteristics. In this regard, the deficiencies regarding the input prediction of these antibiotics is of particular concern. The underestimation of such critical mass flow conditions weakens the approach of assessing environmental risks on the basis of secondary data like prescriptions. Hence, efforts must be made to further develop the projection model by improving the quality of secondary data, identifying additional emitters and understanding possible retention and degradation dynamics of antibiotics within the sewer system.:Abstract 2 Danksagung 1 Table of Contents 1 Chapter 1 – Introduction 1 Scope 1 Goals and structure 3 Approach and Methods 5 Chapter 2 – Representative input load of antibiotics to WWTPs: Predictive accuracy and determination of a required sampling quantity 11 Introduction 14 Materials and Methods 16 Results and discussion 24 Conclusion 38 References 39 Chapter 3 – Mass flow of antibiotics in a wastewater treatment plant focusing on removal variations due to operational parameters 41 Introduction 45 Materials and Methods 47 Results and discussion 52 Conclusions 65 References 66 Chapter 4 – Species-related risk assessment of antibiotics using the probability distribution of long-term toxicity data as weighting function – a case study 71 Introduction 74 Materials and Methods 75 Results and discussion 86 Conclusions and summary 93 References 95 Chapter 5 – Environmental risk assessment of antibiotics including synergistic and antagonistic combination effects 99 Materials and Methods 104 Results 113 Discussion 120 Conclusions and summary . 125 References 126 Chapter 6 – Results and conclusions 129 Individual results 131 Aggregation of results 133 Final conclusions 134 References 139 Annex 1 – Supplementary material Chapter 2 141 Annex 2 – Supplementary material Chapter 3 147 Annex 3 – Supplementary material Chapter 4 159 Annex 4 – Supplementary material Chapter 5 177 / In der Humanmedizin eingesetzte Antibiotika werden im menschlichen Körper nicht vollständig metabolisiert und gelangen über die Ausscheidungen in das kommunale Abwasser. In der Kläranlage erfolgt nur eine unvollständige Elimination dieser Stoffe, so dass der Kläranlagenablauf einen Hot Spot für Antibiotikaemissionen in die Umwelt darstellt. Das induzierte ökotoxikologische Risiko kann anhand standardisierter Testverfahren und allgemein anerkannter Bewertungsansätze für Einzelsubstanzen abgeschätzt werden. Erfolgt jedoch die Betrachtung von Antibiotikagemischen, wie es für den gereinigten Ablauf einer Kläranlage sinnvoll ist, sind aufgrund zumeist unspezifischer Wirkmechanismen und dem Mangel an repräsentativen Daten eine Reihe von Vereinfachungen und Annahmen zu treffen. Es besteht in der Folge die Gefahr einer Unterschätzung des durch Substanzgemische hervorgerufenen ökotoxikologischen Risikos. Eine vielversprechende Möglichkeit den Entscheidungsprozess über mögliche Vermeidungs- und Eliminationsmaßnahmen zu unterstützen besteht in der Priorisierung von Antibiotika entsprechend ihres Effektpotentials. Hierbei sind Substanzen zu identifizieren, die den größten Einfluss auf die Nahrungskette im Gewässer bzw. das höchste (negative) Synergiepotential mit anderen Substanzen aufweisen. Die Verringerung dieser Substanzen führt zu einer hohen ökologischen Effektivität und Effizienz der eingesetzten Mittel. Wie im Fall des klassischen Bewertungsansatzes, ist auch für den Priorisierungsansatz eine umfängliche und zuverlässige Situationsanalyse die Grundvoraussetzung für verwertbare Ergebnisse. Die Situationsanalyse beruht auf der analytischen Bestimmung bzw. der Abschätzung von emittierten Antibiotikafrachten zur Berechnung von repräsentativen Umweltkonzentrationen. Analytisch ermittelte Umweltkonzentrationen vieler Antibiotika weisen aufgrund saisonaler Verschreibungsmuster eine hohe zeitliche und räumliche Variabilität auf. Die für eine adäquate Erfassung der Situation notwendigen Messkampagnen sind kostenintensiv, wobei die tatsächlich notwendige Häufigkeit der Probenahme von zumeist nicht hinreichend bekannten substanzspezifischen Informationen, wie der chemischen Stabilität im Rohabwasser und der saisonal beeinflussten Applikation, abhängt. Alternativ können Antibiotikaeinträge in die Kanalisation anhand von Verschreibungsdaten abgeschätzt und mit Hilfe von Stoffflussanalysen (SFA) zur ökotoxikologischen Bewertung herangezogen werden. Eine vom Umfang befriedigende, direkte Gegenüberstellung von prognostizierten und analytisch ermittelten Frachten ist bisher jedoch nicht erfolgt, so dass die Verifizierung dieses Ansatzes noch aussteht. Für den Fall einer bestehenden Verschreibungspflicht für Antibiotika besitzen Verschreibungsdaten eine vergleichsweise hohe zeitliche und räumliche Informationsgüte. In Verbindung mit einer an diese Datenqualität angepassten Messkampagne, ergibt sich die Möglichkeit einer detaillierten SFA mit substanzspezifischer Bewertung der Eignung des Prognoseansatzes. Die am Beispiel der Stadt Dresden durchgeführte Bewertung des Prognoseansatzes fußt auf einer 15-monatigen Messkampagne und den für das Einzugsgebiet der Zentralkläranlage Dresden-Kaditz verfügbaren Verschreibungsdaten der AOK PLUS. Erwartungsgemäß ergibt der Abgleich von erwarteten und analytisch ermittelten Frachten eine starke Variation der für den Zulauf der Kläranlage ermittelten Wiederfindungsdaten verschiedener Substanzen. Die analytisch ermittelten Frachten von Sulfamethoxazol, Trimethoprim sowie der Gruppe der Makrolid-Antibiotika entsprechen nahezu den prognostizierten Mengen. Die Beta-Laktam-Antibiotika unterliegen bereits während des Abwassertransports einer umfänglichen, zumeist biologisch bedingten, Elimination, was zu hohen Unterbefunden im Zulauf der Kläranlage führt. Andere Substanzen hingegen (z.B. Fluorchinolone) weisen messtechnisch eine signifikante Jahresdynamik auf, die aufgrund der weitgehend konstanten Verschreibung in dieser Ausprägung nicht zu erwarten ist. Die Auswertung zuletzt genannter Substanzen zeigt deutlich, dass die Nutzung von Verschreibungsdaten nicht per se ausreicht, um die Emission von Antibiotika (und anderer Pharmazeutika) sowie die sich daraus ergebenden Umweltkonzentrationen mit ausreichender Sicherheit prognostizieren zu können. Für eine nachgelagerte ökotoxikologische Bewertung ist in diesen Fällen die Durchführung von Messungen unumgänglich. Zur effizienten Planung derartiger Kampagnen wurde der umfassende Datenpool dieser Studie hinsichtlich der erforderlichen Probenanzahl zur Bestimmung einer repräsentativen mittleren Jahresfracht ausgewertet. Es ergibt sich ein Minimum von 20 bis 40 homogen über das Jahr verteilten Proben, um die jährlich in die Kläranlage eingetragene Fracht an Antibiotika bzw. anderer Mikroschadstoffe mit ausreichender Sicherheit abschätzen zu können. Im Rahmen der SFA in der Kläranlage Dresden-Kaditz wird deutlich, dass Makrolide, Clindamycin und dessen Humanmetabolit Clindamycin-Sulfoxid sowie Trimethoprim in der nahezu keiner Elimination unterliegen, wohingegen Penizilline, Cefalosporine und auch Sulfamethoxazol teilweise bis vollständig abgebaut werden. Mit Levofloxacin und Ciprofloxacin handelt es sich um die einzigen untersuchten Antibiotika, welche zu einem signifikanten Massenanteil an Primär-, Überschuss- und Faulschlamm gebunden vorgefunden werden. Aufgrund der hohen Relevanz dieses Eliminationspfades für die zuvor genannten Antibiotika bedarf die Beobachtung von z. T. widersprüchlichen Schwankungen einer kritischen Betrachtung der Ergebnisse. Es ist nicht abschließend geklärt, ob die beobachteten Fluktuationen auf eine unzureichende Qualität der Probenahme und/oder der Analytik zurückzuführen sind oder sich die Schwankungen in einem für Faulbehälter tolerierbaren Bereich befinden. Im Anschluss an die verifizierten Antibiotikaemissionen erfolgte die Priorisierung der betrachteten Antibiotika nach ihrem ökotoxikologischen Effektpotential. Zum einen wurde der ökologische Einfluss auf verschiedene, die Nahrungskette bildende trophische Ebenen (Alge, Daphnie, Fisch) untersucht. In Anlehnung an die humanmedizinische Kombinationstherapie erfolgte im zweiten Ansatz die Beurteilung der Antibiotika hinsichtlich ihres möglichen Potentials zur Verstärkung von negativen Effekten durch das gleichzeitige Auftreten mit anderen Substanzen. Für Ciprofloxacin, Levofloxacin und die Gruppen der Makrolide und Cefalosporine konnten signifikante Beeinträchtigungen der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden. Diese Stoffe und Stoffgruppen führten im Rahmen der untersuchten Substanzen entweder zur höchsten Schadwirkung gegenüber der niedrigsten trophischen Ebene oder besitzen das höchste Synergiepotential in Kombination mit anderen Substanzen. Die Auswertung der SFA bestätigt die grundsätzliche Eignung der Verschreibungsdaten sowie des entwickelten Prognosemodells zur Vorhersage von Antibiotikaemissionen im urbanen Raum. Die Stoffflussanalyse stellt somit ein strategisches, im Vergleich zur Messung kostengünstiges Instrument zur Identifikation von Hot Spots der Antibiotikaemission dar und erleichtert die Entscheidungsfindung für monetär aufwendige Reduktionsmaßnahmen am Ort der Entstehung oder in der Kläranlage (z.B. 4. Reinigungsstufe). Die Vorgehensweise zur Priorisierung von Substanzen hinsichtlich ihres ökotoxikologischen Effektpotentials eignet sich sehr gut, Antibiotika mit dem höchsten Schadpotential zu identifizieren. Die Verschneidung der Kenntnis dieser Substanzen mit den Ergebnissen der SFA macht deutlich, dass mit Ausnahme der Makrolide, alle ökotoxikologisch priorisierten Antibiotika eine mangelhafte Prognosefähigkeit aufweisen. Die unvollständige Abbildung kritischer Stoffströme, wie z.B. Frachtspitzen, führt insbesondere im Fall der ökotoxikologisch priorisierten Substanzen zu einer Minderung der Aussagekraft des auf Verschreibungsdaten beruhenden Prognoseansatzes. An diesem Punkt ist in zukünftigen Betrachtungen anzusetzen, um die Qualität von Verschreibungsdaten zu verbessern, potentiell nicht erfasste Emittenten in die Betrachtungen einzubeziehen, sowie die Dynamik der Rückhalte- und Eliminationsprozesse in der Kanalisation adäquat beschreiben zu können. Die ergänzende Betrachtung weiterer Anlagentechnologien (z.B. Festbettreaktoren) kann zur Bestätigung der am Beispiel der Kläranlage Dresden-Kaditz gewonnenen Ergebnisse beitragen bzw. Unterschiede bei der Elimination von Antibiotika das Potential, die Problematik der Antibiotika und anderer Mikroschadstoffe bereits während der Planung von Abwasseranlagen berücksichtigen zu können.:Abstract 2 Danksagung 1 Table of Contents 1 Chapter 1 – Introduction 1 Scope 1 Goals and structure 3 Approach and Methods 5 Chapter 2 – Representative input load of antibiotics to WWTPs: Predictive accuracy and determination of a required sampling quantity 11 Introduction 14 Materials and Methods 16 Results and discussion 24 Conclusion 38 References 39 Chapter 3 – Mass flow of antibiotics in a wastewater treatment plant focusing on removal variations due to operational parameters 41 Introduction 45 Materials and Methods 47 Results and discussion 52 Conclusions 65 References 66 Chapter 4 – Species-related risk assessment of antibiotics using the probability distribution of long-term toxicity data as weighting function – a case study 71 Introduction 74 Materials and Methods 75 Results and discussion 86 Conclusions and summary 93 References 95 Chapter 5 – Environmental risk assessment of antibiotics including synergistic and antagonistic combination effects 99 Materials and Methods 104 Results 113 Discussion 120 Conclusions and summary . 125 References 126 Chapter 6 – Results and conclusions 129 Individual results 131 Aggregation of results 133 Final conclusions 134 References 139 Annex 1 – Supplementary material Chapter 2 141 Annex 2 – Supplementary material Chapter 3 147 Annex 3 – Supplementary material Chapter 4 159 Annex 4 – Supplementary material Chapter 5 177

Der Einsatz von hydrologischen Modellen zur Unterstützung von Planung und Betrieb von Entwässerungssystemen ist als Stand der Technik anzusehen. Realitätsnahe und sichere Modellergebnisse stellen dabei die Grundlage für eine zielgerichtete Entscheidungsfindung dar. Nur durch eine Kalibrierung können Parameter von konzeptionellen Modellen zur Berechnung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses an die Randbedingungen des zu simulierenden technischen oder natürlichen Systems angepasst werden. Auch wenn die Kalibrierung eines Modells entscheidend zur Erhöhung der Realitätsnähe beiträgt, kann diese durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei hydrologischen Modellen nicht ausschließlich deterministische Gleichungen mit physikalisch basierten Parametern eingesetzt werden. Wesentliche Einflussfaktoren auf die Kalibrierung von urbanhydrologischen Modellen sind die gewählte Modellstruktur, die Eingangsdaten, die Kalibrierdaten, die Auswahl von Kalibrierereignissen sowie die eigentliche Kalibriermethodik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Einflüsse der Kalibrierdaten, der Auswahl von Ereignissen und der Kalibriermethodik auf die Ergebnisse der automatischen Kalibrierung mittels multikriterieller Optimierungsverfahren untersucht.

Although proprietary and free web map applications have become an important part of daily life, individual map styling has been neglected for a fairly long time. With the latest possibilities of custom adjustment provided by many services and some interesting artistic experiments, this is about to change. In the context of artistic cartography and custom map styling, this work explores the possibilities of employing an automated process for the generation of WMTS compatible map tiles with an artistic styling. Web mapping standards and techniques of non-photorealistic rendering (NPR) are considered as well as traditional cartographic representations. Furthermore, existing vector- and raster-based processes are analyzed including an interactive workflow with the open-source image editing software GIMP, which is examined with respect to its drawing capabilities. Based on this, a concept for an automated rendering process is developed and influencing factors along with input parameters are discussed. An experimental automated processing is implemented using GIMP and its Python scripting interface to create single maps and seamless map tiles for the use in a WMTS application. Different drawing techniques of GIMP, such as brushes, dynamics and masks are applied during the rendering process. Geodata is taken from the freely available OpenStreetMap project and it is stored in a geodatabase. Furthermore, the GIS capabilities of the database are used to implement custom query procedures for the creation of seamless tiles, feature simplification and generalization that makes a preprocessing of the data unnecessary. Additionally randomization methods for the estrangement and abstraction of the SVG vector graphics geometry to emulate a hand-drawn appearance are created based on non-photorealistic rendering techniques. As a result, various rendering and abstraction processes are evaluated and discussed regarding their contribution to an artistic appearance. Map tiles are created using these stylings which are WMTS compatible and can be presented in a web mapping application.:Contents Task Description III Abstract V Declaration of authorship VII Acknowledgements IX Table of Contents XIII List of Figures XVI List of Tables XVIII Glossary XX 1 Introduction1 1.1 Motivation 1 1.2 Objectives 1 1.3 Structure of the work 2 2 Cartographic context and NPR 5 2.1 Definitions 5 2.2 Non-photorealistic rendering 7 2.2.1 NPR in computer graphics 7 2.2.2 Hand-drawn rendering 10 2.3 Cartographic communication and visualization 12 2.4 Cartography and art 14 2.5 Web Mapping 17 3 Image editing and web map rendering 19 3.1 Image editing software 19 3.2 Raster image editing with GIMP 20 3.2.1 Interactive editing 20 3.2.2 Plug-ins and scripting 28 3.3 Map rendering 31 3.3.1 Web map rendering techniques 31 3.3.2 Comparison of vector and raster based approaches 33 3.3.3 An interactive workflow with GIMP 36 4 A concept for automated processing 39 4.1 Comparison of influencing factors of a vector and raster based approach 39 4.2 Requirements and goals of automation 41 4.3 Definition of input parameters 43 4.4 Concept for an automated process with GIMP 43 4.5 Technical components 45 4.5.1 JSON 45 4.5.2 OpenStreetMap 46 4.5.3 Database environment 47 4.5.4 SVG as exchange format 47 4.5.5 Web map tile service 49 5 Implementation of an automated process with GIMP 53 5.1 Geodata setup 53 5.1.1 Data acquisition 53 5.1.2 Data import and update 54 5.2 Sketch rendering 56 5.2.1 Displacement and randomization 57 5.2.2 Hand-drawn emulation 60 5.2.3 Hatching 64 5.3 Automated processing 65 5.3.1 Configuration files 66 5.3.2 Script structure 70 5.3.3 Feature Processing 74 5.3.4 Image rendering 78 5.3.5 Output and WMTS 80 6 Processing results and evaluation 83 6.1 Results 83 6.2 Limitations and potential 87 7 Conclusion 93 7.1 Summary 93 7.2 Outlook 94

Current research concentrates on ways to investigate and improve water productivity (WP), as agriculture is today’s predominant freshwater consumer, averaging at 70% and reaching up to 93% in some regions. A growing world population will require more food and thus more water for cultivation. Regions that are already affected by physical water scarcity and which depend on irrigation for growing crops will face even greater challenges regarding their water supply. Other problems in such regions are a variable water supply, inefficient irrigation practices, and over-pumping of available groundwater resources with other adverse effects on the ecosystem. To face those challenges, strategies are needed that use the available water resources more efficiently and allow farming in a more sustainable way. This work focused on the management of sensor-based deficit irrigation (DI) systems and improvements of WP through a combined approach of simulation-optimization and irrigation experiments. In order to improve irrigation control, a new sensor called pF-meter was employed, which extended the measurement range of the commonly used tensiometers from pF 2.9 to pF 7. The following research questions were raised: (i) Is this approach a suitable strategy to improve WP; (ii) Is the sensor for irrigation control suitable; (iii) Which crop growth models are suitable to be part of that approach; and (iv) Can the combined application with experiments prove an increase of WP? The stochastic simulation-optimization approach allowed deriving parameter values for an optimal irrigation control for sensor-based full and deficit irrigation strategies. Objective was to achieve high WP with high reliability. Parameters for irrigation control included irrigation thresholds of soil-water potentials because of the working principle behind plant transpiration where pressure gradients are transmitted from the air through the plant and into the root zone. Optimal parameter values for full and deficit irrigation strategies were tested in irrigation experiments in containers in a vegetation hall with drip irrigated maize and compared to schedule-based irrigation strategies with regard to WP and water consumption. Observation data from one of the treatments was used afterwards in a simulation study to systematically investigate the parameters for implementing effective setups of DI systems. The combination of simulation-optimization and irrigation experiments proved to be a suitable approach for investigating and improving WP, as well as for deriving optimal parameter values of different irrigation strategies. This was verified in the irrigation experiment and shown through overall high WP, equally high WP between deficit and full irrigation strategies, and achieved water savings. Irrigation thresholds beyond the measurement range of tensiometers are feasible and applicable. The pF-meter performed satisfactorily and is a promising candidate for irrigation control. Suitable crop models for being part of this approach were found and their properties formulated. Factors that define the behavior of DI systems regarding WP and water consumption were investigated and assessed. This research allowed for drawing the first conclusions about the potential range of operations of sensor-based DI systems for achieving high WP with high reliability through its systematical investigation of such systems. However, this study needs validation and is therefore limited with regard to exact values of derived thresholds.

Sewage exfiltration from a sanitary and combined sewer systems and its percolation into porous medium results in a clogged or colmation layer in the nearby soil. In order to develop a comprehensive understanding of raw sewage transport mechanisms in porous media, investigations were carried out on the micro-scale properties of the multiphase system. In our laboratory experiments, the role of surfactants as a major organic chemical compound in wastewater was evaluated by using a surfactant solution as an artificial wastewater percolating into a porous media, represented by using columns and Plexiglas model. We studied flows of water and surfactants solution in saturated porous medium to detect the dynamic effects by means of measuring pressure and permeability as well as by visualization of flow regions and consequence for porosity along interfaces between water and surfactants solution. The tests revealed that mechanisms at interfaces between fluids and solids as well as between water and surfactants solution (i.e. wastewater) are significantly influencing the flow behavior. At the interfaces surfactant molecules are adsorbed or accumulate, respectively, and subsequently inducing electrical charges to those layers, altering the properties of fluids and these interfaces. Depending on the conditions, channels might be narrowed and thus decreasing the flow rate with a later erosion and increase of flow rates, or the flow and thus the erosive capacity might become intensified along the interface between surfactants solution and neighbouring water. In conclusion, the results of tests proved the surfactants to be an important controlling factor in the hydraulic properties of wastewater percolating into soil.

Thanks to their adaptability and high efficiency compared to traditional carbon based surfactants, silicone surfactants are a success in many different applications, from pesticides to cosmetics, polyurethane foam, textile and car care products. In spite of those numerous applications, no analytical method existed for their trace determination in environmental samples and no data have been available regarding their environmental occurrence and fate. An analytical method for the trace analysis of trisiloxane surfactants in the aqueous environment was developed and validated. The method, based on liquid-liquid extraction and HPLC-MS/MS, reaches limits of quantification in the ng L-1 range and allows an individual quantification of every homologue of the targeted trisiloxane surfactant. The newly developed analytical method was applied to analyze 40 river water samples. The targeted trisiloxane surfactant was detected in 14 samples, between 1 ng L-1 and 100 ng L-1. The results showed that the studied trisiloxane surfactant does not ubiquitously occur in the aquatic environment in measurable concentrations, but can reach surface waters on a local scale. In order to assess the persistence of the trisiloxane surfactant in surface waters, its hydrolysis was studied in the lab, under various conditions (temperature, pH, and concentration). The half-lifes at pH 7 and 2 mg L-1 were found to be between 29 days and 55 days at 25°C and between 151 days and 289 days at 12°C. Taking only into account the hydrolysis, these results indicate that the trisiloxane surfactant could persist several weeks in surface waters. A degradation product of the trisiloxane surfactant was tentatively identified by high resolution mass spectrometry. When used as agricultural adjuvants, trisiloxane surfactants may reach the soil compartment and might further leach to ground water. The behavior of the trisiloxane surfactant on soil was therefore investigated to assess the possibility to reach ground water. With a sorption batch equilibrium method, distribution coefficients between water and soil (Kd, Koc, and Kclay) were estimated for two standard soils (loam and sandy loam) and for every homologue of the trisiloxane surfactant. The obtained values for Kd were between 15 L kg-1 and 135 L kg-1, indicating that the trisiloxane surfactant is only slightly mobile in soil. To further investigate the possibility of leaching to ground water after application on agricultural fields, the leaching in soil was simulated in the lab in a soil column. The experimental settings were designed to simulate a worst case scenario where the application of the trisiloxane surfactant is done on quartz sand and is immediately followed by a heavy rainfall. Even in these conditions, less than 0.01 % of the initially applied trisiloxane surfactant leached through 20 cm of quartz sand. Based on the Kd values and the results of the leaching in soil column, the studied trisiloxane surfactant is considered to be unlikely to leach to ground water after application as an agricultural adjuvant.

Validation of the Regional Climate Model HIRHAM with measurements, especially from radiosondes and GPS-signal-retrieval. Analysis of synoptical structures in Antarctica and comparison of the precipitation in different phases of the Antarctic Oscillation.

Precise Point Positioning (PPP) ermöglicht eine präzise Positionsbestimmung mittels globaler Satellitennavigationssysteme (Global Navigation Satellite System, GNSS) ohne die direkte Verwendung der Beobachtungsdaten von regionalen Referenzstationen. Die wesentlichste Einschränkung von PPP im Vergleich zu differenziellen Auswertetechniken (Real-Time Kinematic, RTK) ist die deutlich längere Konvergenzzeit. Voraussetzung für die Verkürzung der Konvergenzzeit ist die Festsetzung der geschätzten Mehrdeutigkeiten auf ganzzahlige Werte. Die Mehrdeutigkeitslösung verlangt ein robustes funktionales Modell und beruht auf einem zweistufigen Mehrdeutigkeitsfestsetzungsverfahren, welches frei von ionosphärischen Einflüssen 1. Ordnung ist. Die sowohl auf Code- als auch auf Phasenbeobachtungen basierende Melbourne-Wübbena-Linearkombination erlaubt hierbei eine einfache Festsetzung der Widelane-Mehrdeutigkeiten. Infolgedessen kann zur Berechnung der ionosphären-freien Linearkombination die im Vergleich zur Wellenlänge der ionosphären-freien Linearkombination deutlich größere Narrowlane-Wellenlänge verwendet werden. Zur Stabilisierung des im Normalfall lediglich auf den Beobachtungsdaten des amerikanischen Global Positioning System (GPS) beruhenden funktionalen Modells können die Beobachtungsdaten des russischen GLObal’naya NAvigatsioannaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) beitragen. Aufgrund der Technik, die GLONASS zur Identifizierung der einzelnen Satelliten einsetzt (Frequency Division Multiple Access, FDMA), unterscheiden sich die Frequenzen der einzelnen Satelliten. Die leicht unterschiedlichen Frequenzen erschweren die Modellierung und Korrektion der instrumentell bedingten Signalverzögerungen (z. B. Fractional-Cycle Biases (FCB)). Vor diesem Hintergrund kann das konventionelle Mehrdeutigkeitsfestsetzungsverfahren nur bedingt für GLONASS verwendet werden. Die Untersuchung der instrumentell bedingten GLONASS-Signalverzögerungen sowie die Entwicklung einer alternativen Methode zur Festsetzung der GLONASS-Mehrdeutigkeiten mit dem Ziel einer kombinierten GPS/GLONASS-Mehrdeutigkeitslösung sind die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit. Die entwickelte alternative Mehrdeutigkeitsfestsetzungsstrategie baut auf der puren Widelane-Linearkombination auf, weshalb globale Ionosphärenmodelle unabdingbar sind. Sie eignet sich sowohl für GLONASS als auch für GPS und zeigt gleichwertige Ergebnisse für beide GNSS, wenngleich im Vergleich zur konventionellen Methode mit geringeren Mehrdeutigkeitsfestsetzungsquoten zu rechnen ist. / Precise Point Positioning (PPP) allows for accurate Global Navigation Satellite System (GNSS) based positioning without the immediate need for observations collected by regional station networks. The fundamental drawback of PPP in comparison to differential techniques such as Real-Time Kinematic (RTK) is a significant increase in convergence time. Among a plurality of different measures aiming for a reduction of convergence time, fixing the estimated carrier phase ambiguities to integer values is the key technique for success. The ambiguity resolution asks for a robust functional model and rests upon a two-stage method ruling out first-order ionospheric effects. In this context the Melbourne-Wübbena linear combination of dual-frequency carrier phase and code measurements leverages a simple resolution of widelane ambiguities. As a consequence the in comparison to the wavelength of the ionosphere-free linear combination significantly longer narrowlane wavelength can be used to form the ionosphere-free linear combination. By default the applied functional model is solely based on observations of the Global Positioning System (GPS). However measurements from the GLObal’naya NAvigatsioannaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) can contribute to improve the model’s stability significantly. Due to the technique used by GLONASS to distinguish individual satellites (Frequency Division Multiple Access, FDMA), the signals broadcast by those satellites differ in their frequencies. The resulting slightly different frequencies constitute a barricade for both modelling and correcting any device-dependent signal delays, e.g. fractional-cycle biases (FCB). These facts limit the applicability of the conventional ambiguity-fixing approach when it comes to GLONASS signals. The present work puts a focus both on investigating the device-dependent GLONASS signal delays and on developing an alternative method for fixing GLONASS ambiguities with the ultimate objective of a combined GPS/GLONASS ambiguity resolution. The alternative ambiguity resolution strategy is based on the pure widelane linear combination, for which reason ionospheric corrections are indispensable. The procedure is applicable for GLONASS in the first instance but reveals equivalent results for both GPS and GLONASS. The disadvantage relative to the conventional approach is the reduced ambiguity fixing success rate.