Im Rahmen dieser Diplomarbeit entstand in Zusammenarbeit des Instituts für Kartographie der Technischen Universität Dresden und Archäologen der Universität Gent in Belgien ein dreidimensionales Landschaftsmodell einer Teilregion des Naturparks „Uch-Enmek“, gelegen in der Republik Altai. Diese Region beinhaltet die wichtigsten und größten bekannten Begräbnisstätten skythischen Ursprungs, für die es gilt, den Bekanntheitsgrad und das Bewusstsein dieses kulturellen Erbes durch diese Arbeit zu steigern. Im Zuge dessen wurden wichtige Geodaten, unter Berücksichtigung der prägenden Geoelemente einer Landschaft, in einem Geoinformationssystem zusammengetragen, um die Ausgrabungsstätten ergänzt und verfeinert und schließlich zu einem digitalen Landschaftsmodell ausgebaut. Die Wandlung zu einem dreidimensionalen Landschaftsmodell durch Hinzunahme von 3D-Objekten, wie Gebäuden oder Bäume, wurde in einer professionellen 3D-Software durchgeführt. Zur Visualisierung des Endproduktes wurden aus dem resultierenden 3D-Modell statische Bilder und eine Animation erstellt. Zukünftig können die Ergebnisse genutzt werden, um einen Internetauftritt des Naturparks zu ermöglichen. / Within the scope of this diploma thesis, a three-dimensional landscape model of a part of a region located in the nature park „Uch-Enmek“ (situated within the Altai Republic), was generated in cooperation with the Institut for Cartography of Dresden University of Technology and archaeologists of the University of Ghent in Belgium. The area of interest contains the most important and well-known burial mounds, that origin back to Scythian history. Aim of the thesis is to increase the degree of popularity and the awareness for this cultural heritage. In this case, important geodata were collected within a geo-informationsystem, with respect to characteristic geoelements of a landscape. The geodata were replenished and improved around the archaeological excavation and built up to a digital landscape model. The conversion to a three-dimensional landscape model by adding three-dimensional objects, like buildings and trees, was executed with the help of a professional 3D-software. To visualize the final product, static images and an animation were generated as results out of the 3D-model. Prospectively, the achievement can be used to establish an internet presentation of the nature park.

Agricultural production is becoming increasingly important as the world demand increases. On the other hand, there are several factors threatening that production such as the climate change. Therefore, monitoring and management of different parameters affecting the production are important. The current study is dedicated to two key parameters, namely agricultural land cover and soil-moisture mapping using X- and L-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Land-cover mapping plays an essential role in various applications like irrigation management, yield estimation and subsidy control. A model of multi-direction/multi-distance texture analysis on SAR data and its use for agricultural land cover classification was developed. The model is built and implemented in ESRI ArcGIS software and integrated with “R Environment”. Sets of texture measures can be calculated on a plot basis and stored in an attribute table for further classification. The classification module provides various classification approaches such as support vector machine and artificial neural network, in addition to different feature-selection methods. The model has been tested for a typical Mid-European agricultural and horticultural land use pattern south to the town of Pirna (Saxony/Germany), where the high-resolution SAR data, TerraSAR-X and ALOS/PALSAR (HH/HV) imagery, were used for land-cover mapping. The results indicate that an integrated classification using textural information of SAR data has a high potential for land-cover mapping. Moreover, the multi-dimensional SAR data approach improved the overall accuracy. Soil moisture (SM) is important for various applications such as crop-water management and hydrological modelling. The above-mentioned TerraSAR-X data were utilised for soil-moisture mapping verified by synchronous field measurements. Different speckle-reduction techniques were applied and the most representative filtered image was determined. Then the soil moisture was calculated for the mapped area using the obtained linear regression equations for each corresponding land-cover type. The results proved the efficiency of SAR data in soil-moisture mapping for bare soils and at the early growing stage of fieldcrops. / Landwirtschaftliche Produktion erlangt mit weltweit steigender Nahrungsmittelnachfrage zunehmende Bedeutung. Zahlreiche Faktoren bedrohen die landwirtschaftliche Produktion wie beispielsweise die globale Klimaveränderung einschließlich ihrer indirekten Nebenwirkungen. Somit ist das Monitoring der Produktion selbst und der wesentlichen Produktionsparameter eine zweifelsfrei wichtige Aufgabe. Die vorliegende Studie widmet sich in diesem Kontext zwei Schlüsselinformationen, der Aufnahme landwirtschaftlicher Kulturen und den Bodenfeuchteverhältnissen, jeweils unter Nutzung von Satellitenbilddaten von Radarsensoren mit Synthetischer Apertur, die im X- und L-Band operieren. Landnutzungskartierung spielt eine essentielle Rolle für zahlreiche agrarische Anwendungen; genannt seien hier nur Bewässerungsmaßnahmen, Ernteschätzung und Fördermittelkontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, welches auf Grundlage einer Texturanalyse der genannten SAR-Daten für variable Richtungen und Distanzen eine Klassifikation landwirtschaftlicher Nutzungsformen ermöglicht. Das Modell wurde als zusätzliche Funktionalität für die ArcGIS-Software implementiert. Es bindet dabei Klassifikationsverfahren ein, die aus dem Funktionsschatz der Sprache „R“ entnommen sind. Zum Konzept: Ein Bündel von Texturparametern wird durch das vorliegende Programm auf Schlagbasis berechnet und in einer Polygonattributtabelle der landwirtschaftlichen Schläge abgelegt. Auf diese Attributtabelle greift das nachfolgend einzusetzende Klassifikationsmodul zu. Die Software erlaubt nun die Suche nach „aussagekräftigen“ Teilmengen innerhalb des umfangreichen Texturmerkmalsraumes. Im Klassifikationsprozess kann aus verschiedenen Ansätzen gewählt werden. Genannt seien „Support Vector Machine“ und künstliche neuronale Netze. Das Modell wurde für einen typischen mitteleuropäischen Untersuchungsraum mit landwirtschaftlicher und gartenbaulicher Nutzung getestet. Er liegt südlich von Pirna im Freistaat Sachsen. Zum Test lagen für den Untersuchungsraum Daten von TerraSAR-X und ALOS/PALSAR (HH/HV) aus identischen Aufnahmetagen vor. Die Untersuchungen beweisen ein hohes Potenzial der Texturinformation aus hoch aufgelösten SAR-Daten für die landwirtschaftliche Nutzungserkennung. Auch die erhöhte Dimensionalität durch die Kombination von zwei Sensoren erbrachte eine Verbesserung der Klassifikationsgüte. Kenntnisse der Bodenfeuchteverteilung sind u.a. bedeutsam für Bewässerungsanwendungen und hydrologische Modellierung. Die oben genannten SAR-Datensätze wurden auch zur Bodenfeuchteermittlung genutzt. Eine Verifikation wurde durch synchrone Feldmessungen ermöglicht. Initial musste der Radar-typische „Speckle“ in den Bildern durch Filterung verringert werden. Verschiedene Filtertechniken wurden getestet und das beste Resultat genutzt. Die Bodenfeuchtebestimmung erfolgte in Abhängigkeit vom Nutzungstyp über Regressionsanalyse. Auch die Resultate für die Bodenfeuchtebestimmung bewiesen das Nutzpotenzial der genutzten SAR-Daten für offene Ackerböden und Stadien, in denen die Kulturpflanzen noch einen geringen Bedeckungsgrad aufweisen.

In dieser Arbeit werden verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten von Positionssignaturen auf mobilen Geräten untersucht. Vor allem beim Gebrauch von Kartenanwendungen auf mobilen Geräten ist nicht ausreichend Platz um eine Legende mit anzubringen, wodurch alle Kartenzeichen eindeutig erklärt werden können. Hierfür müssen besonders eindeutige und selbsterklärende Zeichen verwendet werden, die in ihrer Gestaltung keine Verwirrung beim Nutzer hervorrufen. Aus diesem Grund wurden folgende Gestaltungsvariablen zur Untersuchung ausgewählt: symbolhaft versus bildhaft, zweidimensional versus dreidimensional und Signaturen mit Rahmen und Hintergrund versus Signaturen ohne Rahmen und Hintergrund. Diese sind zur Untersuchung in verschiedenen Kombinationen gesetzt, werden aber mit Hilfe eines geeigneten Auswerteverfahrens auch einzeln analysiert. Des Weiteren werden diese Gestaltungsvariablen hinsichtlich verschiedener Erkennungsprozesse untersucht. Denn man nimmt an, dass eine Gestaltungsvariable zwar eine große Aufmerksam-keit erregen kann, dennoch aber nicht gut zu interpretieren sein muss. Die erwähnten Prozesse stellen die Lokalisation, Identifikation und Interpretation dar. Diese Erforschung ist insofern wichtig, da verschiedene Gestaltungen je nach Aufgabenspezifik eingesetzt werden können, damit der Nutzer schneller zu einer Lösung findet. Die Untersuchung findet im Rahmen eines Feldtests an einem mobilen Gerät statt, für dessen Durchführung eine Test-Applikation im Android-SDK geschrieben wurde. Hierbei müssen die Probanden Signaturen, zum Teil nach vorher genannten Begriffen, schnellstmöglich entdecken/interpretieren. Ferner wird ein Interview mit den Testkandidaten durchgeführt, von dem die Ergebnisse mit den Daten der Reaktionszeitmessung verglichen werden.:Selbstständigkeitserklärung I Danksagung II Zusammenfassung III Inhaltsverzeichnis 1 Abbildungsverzeichnis 3 Tabellenverzeichnis 4 1 Einleitung 5 2 Grundlagen von Positionssignaturen und artverwandten Icons 7 2.1 Funktionen von Positionssignaturen in der Kartographie 7 2.1.1 Besonderheiten in der mobilen Kartographie 7 2.1.2 Aufgaben von Positionssignaturen 10 2.1.3 Gestaltung von Positionssignaturen 11 2.2 Icons 16 2.2.1 Theoretische Grundlagen 16 2.2.2 Empirische Untersuchungen von Icons 18 3. Grundlagen visueller Aufmerksamkeit und Wahrnehmung 22 3.1 Definitionen 22 3.2 Visuelle Aufmerksamkeit und Verarbeitung 23 3.3 Wahrnehmung des visuellen Reizes 25 3.4 Frühere Untersuchungen zur Wahrnehmbarkeit von Signaturen 27 4. Konzeptvorstellung und Durchführung einer empirischen Untersuchung 29 4.1 Ziele 29 4.2 Untersuchungsaspekte 30 4.3 Testplanung 35 4.3.1 Testdesign 36 4.3.2 Testpersonen 41 4.3.3 Testgerät 43 4.4 Hypothesenbildung 44 4.5 Ausarbeitung eines Prototyps 47 4.5.1 Android - Betriebssystem 47 4.5.2 Android – Softwareplattform 48 4.5.3 Erstellung der Android-Application 54 4.6 Ausarbeitung der Interviewfragen 59 4.7 Durchführung der Tests 61 5. Auswertung der Testergebnisse 65 5.1 Grundlagen statistischer Auswerteverfahren 65 5.2 Ergebnisse des Interviews 69 5.2.1 Zusammenfassung der Antworten 69 5.2.2 Deskriptive Auswertung 71 5.3 Ergebnisse der Reaktionszeiten 77 5.3.1 Aufbereitung der Daten 77 5.3.2 Deskripte Auswertung 79 5.3.3 Interferenzstatistische Auswertung 88 5.4 Vergleich der Methoden und Ergebnisse 98 5.4.1 Vergleich der Evaluationsmethoden 98 5.4.2 Vergleich der Ergebnisse der Evaluationsmethoden 101 6. Interpretation 103 7. Fazit 109 Literaturverzeichnis 111 Anhang 115

Maps have been important elements of visual representation in the development of different societies, and for this reason they have mainly been considered from a practical and utilitarian point of view. This means that cartographers or mapmakers have largely focused on the technical aspects of the cartographic products, and cartography has given little attention to both its theoretical component and to its philosophical and epistemological aspects. The current study is dedicated to consider these views. In this study the main trends, thoughts and different directions in cartography during positivism/empiricism, neo-positivism and post-structuralism are reviewed; and cartography is analysed under the modernism and post-modernism periods. Some of the arguments proposed by philosophers such as Ludwig Wittgenstein and Karl Popper are examined as important contributions in our understanding of the development of cartography and mapping. This study also incorporates the idea or concept of paradigm, which has been taken from the field of the epistemology of sciences. The aforementioned opens a space to analyse cartography in terms of a paradigm shift. In the analysis of each trend within contemporary cartography – from the second half of the twentieth century until today – it is necessary to keep in mind the theoretical scheme of a scientific discipline (object of study, research aims, methods and approaches, and results). This helps to determine the body of knowledge in cartography. It is also important to consider the epistemological context in which the tendencies are developed: positivism/empiricism, realism/structuralism and idealism/hermeneutic. In this way, by considering three epistemological levels - essentialist/ontical (scientific), deconstructive (sociological), and ontological (emergent) - some paradigmatic tendencies are postulated. The first level results in tendencies such as cartographic communication, cartographic semiotics, analytical cartography and cartographic visualisation - all of these belong to the scientific-empirical perspective. In the second level, we have critical cartography, belonging to the critical perspective and that confronts the scientific stances. Finally, in the third level the so-called post-representational cartography arises in open opposition to the traditional representational cartography. / Im Entwicklungsprozess verschiedener Gesellschaften sind Karten immer wichtige Elemente visueller Darstellung gewesen. Karten wurden meist aus einer praktischen und utilitaristischen Sicht betrachtet. Das heißt, dass sich Kartographen oder Kartenmacher gezielt auf die technischen Aspekte kartographischer Produkte fokussiert haben, und Kartographie sich nur wenig mit den theoretischen Komponenten und philosophischen oder epistemologischen Aspekten auseinandergesetzt hat. Diese Arbeit verfolgt das Ziel, diese Sichten zu analysieren. Diese Studie untersucht die verschiedenen kartographischen Denkrichtungen, die während des Positivismus/Empirismus, des Neo-Positivismus und der Post-Strukturalismusperioden entstanden sind und analysiert Kartographie der Moderne und post-moderner Perioden. Argumente von Philosophen wie Ludwig Wittgenstein und Karl Popper werden untersucht als wichtige Beiträge zu unserem Verständnis der Entwicklung der Kartographie. Diese Arbeit berücksichtigt auch das Konzept des Paradigmas, welches aus dem Gebiet der wissenschaftlichen Epistemologie adaptiert wurde. Dies eröffnet die Möglichkeit, Kartographie hinsichtlich eines Paradigmenwechsels analysieren zu können. Wenn man die Tendenzen der zeitgenössischen Kartographie – von der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts bis heute – studiert, muss der theoretische Rahmen einer wissenschaftlichen Disziplin (Forschungsobjekt, Forschungsziel, Arbeitsmethodik und Ergebnisse) berücksichtigt werden. Dies erlaubt es, das gesammelte Wissen der Kartographie zu ermitteln. Ebenfalls wichtig ist die Berücksichtigung des epistemologischen Kontexts, in dem diese Tendenzen entstanden: Positivismus/Empirismus, Realismus/Strukturalismus und Idealismus/Hermeneutik. Unter Berücksichtigung dreier epistemologischer Ebenen – Essenzialisten/ontisch (wissenschaftlich), dekonstructiv (soziologisch) und ontologisch (emergent) – werden ausgewählte paradigmatische Tendenzen postuliert. Die erste Ebene ergibt Tendenzen wie die kartographische Kommunikation, die kartographische Semiotik, die analytische Kartographie und die kartographische Visualisierung, die alle zu der wissenschaftlich-empirischen Perspektive gehören. Zur zweiten Ebene gehört die kritische Kartographie, welche der kritischen Perspektive zugeordnet ist und die wissenschaftliche Standpunkte konfrontiert. Die so genannte post-repräsentative Kartographie entsteht aus der dritten Ebene im offenen Widerstand zur traditionellen repräsentativen Kartographie.

In dieser Bachelorarbeit wird eine Beispiel-E-Learning-Lektion zum Import von GPS Daten in die Kartenherstellungssoftware OCAD erstellt. Dabei liegt im theoretischen Teil der Hauptschwerpunkt auf nutzergenerierten Daten (Volunteered Geographic Infor-mation; kurz: VGI). Nach einer kurzen, allgemeinen Einführung wird auf die Bedeutung der Kartographie im Zusammenhang mit VGI eingegangen. Der zweite Teil beinhaltet Didaktik mit Schwerpunkt E-Learning. Dazu werden das Goal Based Scenario Modell und das Cognitive Apprenticeship Modell kurz vorgestellt und anschließend das Projekt GITTA mit der enthaltenen ECLASS-Struktur näher erklärt. Den immer wichtiger werdenden Content Management Systemen (CMS) widmet sich der dritte Theorieteil. Für die Realisierung der zu erstellenden Lektion wird das Open-Source CMS Joomla! ausführlicher erläutert. Die Implementierung beschreibt die Umsetzung der E-Leraning-Lektion mittels Joomla! und die Nutzung des ECLASS-Modells. Bevor auf die Vorgehensweise eingegangen wird, enthält der Implementierungsteil die Erstellung eines groben Gesamtkonzeptes für eine komplette E-Leraning-Anwendung zu OCAD mit entsprechenden Erläuterungen. Anschließend folgen eine Zusammenfassung und ein Ausblick über die Weiterführung der E-Learning-Anwendung.:Zusammenfassung III Aufgabenstellung IV Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis V Abkürzungsverzeichnis VI Inhaltsverzeichnis VII Selbständigkeitserklärung IX 1. Einführung 10 1.1 Ziele 11 1.2 Hintergrund 11 2. Nutzergenerierte Daten 13 2.1 Einführung 13 2.2 Nutzergenerierte Daten in der Kartographie 14 2.3 Nutzergenerierte Daten in OCAD 22 3. Didaktik 26 3.1 Allgemeine Bedeutung 26 3.2 Lernen 26 3.3 Lernprozess 27 3.4 Lernen mit digitalen Medien 28 3.5 E-Learning 28 3.5.1 Was ist E-Learning? 28 3.5.2 E-Learning Modelle 29 3.5.3 Vorteile und Nachteile von E-Learning 32 3.6 Das Projekt GITTA 32 3.6.1 Übersicht 32 3.6.2 Entwicklung von Lernmaterialien 33 3.6.3 ECLASS Modell 34 4. Content Management Systeme 35 4.1 Einführung 35 4.2 Definitionen 36 4.3 Eigenschaften von CMS 37 4.4 Ausblick 38 4.5 Joomla! 4.5.1 Einführung 39 4.5.2 Geschichte 39 4.5.3 Versionen 40 4.5.4 Funktionen 41 4.5.5 Aufbau 42 4.5.6 Auswahlkriterien für CMS 43 5. Implementierung 44 5.1 Motivation 44 5.2 Modellerstellung 46 5.3 Wahl der zur Umsetzung nutzbaren Systeme 48 5.3.1 ECLASS-Modell 48 5.3.2 Joomla! 49 5.4 Umsetzung der Lektion in Joomla! 49 5.4.1 Vorbereitungen 50 5.4.2 Konzeptübertragung 51 6. Zusammenfassung 54 6.1 Zusammenfassung der Praktischen Arbeit 54 6.2 Ausblick 55 Literaturverzeichnis LVI Literaturquellen LVI Internetquellen LXII Anhang LXIV Anhang 1 - Gegenüberstellung ausgewählter kartographischer Funktionalitäten in Adobe Illustrator und OCAD LXV Anhang 2 - Abdruck der Beispiel E-Learning Lektion LXVII

Mobile applications are becoming more and more important in the daily life and offer interesting and completely new aspects to the field of cartography. The technological possibilities provided by computer science have had a large impact on cartography and therefore cartographers must be familiar with the development of software to present geographic information and make it accessible. With the recent rise of mobile devices like smartphones, it is inevitable that this has to include mobile platforms as well. The main focus of this Bachelor thesis is on the conceptual design and implementation of tutorials to teach the development of mobile applications or 'apps' for the Android platform. The tutorials are going to be part of exercises in a practical course that accompanies the lecture 'Mobile Cartography' held at the Institute of Cartography at the Dresden University of Technology. Five exercises have been created covering key aspects of Android programming with Java. The theoretical part of this thesis starts with providing definitions of important terms of mobile computing and mobile cartography that will play an important role throughout the thesis. After that possibilities of interaction with mobile and web applications are introduced and discussed briefly. Location-based services and their usage in the context of social networks are discussed in the following section before the sensors of mobile devices are analyzed. A brief discussion of the potential for augmented reality applications is also given. The following second section deals with mobile software platforms and focuses on the Android operating system for mobile devices. Within this section, the features of the Android framework are described and some specific characteristics of software development are explained. The third section is all about the conceptual design and implementation of the tutorials. Considering the requirements for the practical course and different aspects of learning, the pedagogical approach is described. Additionally the ECLASS model which has evolved in the context of E-Learning is explained as it provided the structure of the exercises. After that, the content of the five exercises which include basics, layout, internal interaction of components, database access and the integration of maps is reflected. Finally, a brief outlook on further possible exercises is given.

Die Bemessung von Bauwerken an oder in Fließgewässern erfordert die Kenntnis des statistischen Hochwasserregimes. Beispielsweise legen Hochwasserschutzkonzeptionen häufig ein Hochwasser zu Grunde, welches in einem Jahr mit der Wahrscheinlichkeit von 1/100 auftritt. Ein extremeres Hochwasser wird für den Nachweis der Standsicherheit großer Stauanlagen nach DIN 19700-12 mit einem Hochwasser der jährlichen Eintrittswahrscheinlichkeit von 1/10000 benötigt. Ein solches Hochwasser kann bereits wegen des instationären Klimas nicht allein aus Durchflussmessdaten abgeleitet, sondern lediglich idealisiert dargestellt werden. Das resultiert nicht zuletzt daraus, dass der Mensch natürlich Zeuge eines so unwahrscheinlichen Ereignisses werden kann. Jedoch kann er die Unwahrscheinlichkeit nicht nachweisen. Jedes Berechnungsschema, mit welchem ein so unwahrscheinliches Ereignis abgeschätzt werden soll, wird nur begrenzt zuverlässig sein. Das Ziel der Arbeit ist es daher, die Schätzung etwas zuverlässiger zu gestalten. Grundsätzlich gilt, dass ein Modell umso mehr bzw. sicherere Ergebnisse liefern kann, je mehr Daten in das Modell eingehen. Direkt mit dem Durchfluss gekoppelt sind Angaben zu historischen Hochwasserereignissen bzw. qualitative Einschätzungen kleinräumiger Ereignisse. Eine wichtige Datenquelle neben den Durchflussartigen ist der mit dem Durchfluss kausal verbundene Niederschlag und dessen zu vermutendes Maximum in einem Gebiet. Wird zusätzlich regional vorgegangen, können räumliche Aspekte und Strukturen in größeren Einzugsgebieten berücksichtigt werden. Diese stärken bzw. erweitern die lokalen Berechnungsgrundlagen und gewährleisten ein räumlich konsistentes Bild. Im Umkehrschluss kann das Durchflussregime regionalisiert werden, um Informationen an nicht bemessenen Orten bereitstellen zu können. Aus den genannten erweiterten Berechnungsgrundlagen lassen sich drei Anknüpfungspunkte schließen: (i) Es muss eine sehr flexible und dennoch plausible Darstellungsmöglichkeit des statistischen Niederschlagsregimes bis zum vermutlichen Maximum formuliert werden. (ii) Das entwickelte Niederschlagsregime muss mit dem Durchflussregime gekoppelt werden, um die Informationen nutzen zu können. (iii) Die anschließende Regionalisierung muss die verschachtelte baumartige Struktur hydrologischer Einzugsgebiete berücksichtigen. Punkt (i) wird durch eine zweigeteilte Verteilungsfunktion gelöst. Damit werden die ideale Darstellung des wahrscheinlicheren Bereiches und der plausible Verlauf bis zum Maximum miteinander verbunden. Bezüglich Punkt (ii) wird ein neues Kopplungsprinzip entwickelt. Dieses basiert auf der Annahme, dass ein je nach Gebiet gültiger maximaler Scheitelabflussbeiwert existiert, welcher asymptotisch erreicht wird. Im Ergebnis erhält die Durchflussverteilung mit der Abflussbeiwertapproximation einen oberen Grenzwert in Abhängigkeit von Niederschlagsmaximum und Scheitelabflussbeiwert. Entsprechend der Vorgaben in Punkt (iii) wird die Referenzpegelmethode entwickelt. Diese basiert darauf, dass ähnliche Einzugsgebiete äquivalente Hochwasserscheitel generieren. Damit können bekannte Hochwasserereignisse eines Referenzpegels auf unbeobachtete Teileinzugsgebiete übertragen werden. Bei der Wahl des Referenzpegels wird u.a. die Topologie der Einzugsgebiete berücksichtigt. Die gesamte Strategie kann auf große Untersuchungsgebiete angewandt werden. Am Beispiel sächsischer Flüsse wird die Vorgehensweise von der Datenhomogenisierung bis hin zum extremen Hochwasserdurchfluss an einem unbeobachteten Querschnitt erläutert. / The dimensioning of different constructions at and in streams respectively requires knowlegde on the flood situation at site. For instance flood protection concepts often base on a peak discharge of the annual recurrence probability of 1/100. A more severe flood of an annual recurrence probability of 1/10000 is used to confirm the stability of large dams following DIN 19700-12. Such a flood cannot be deduced from runoff data only, but rather shown in an idealised way. It results not least on the fact, that human can witness a very improbable flood event. But is it not possible to verify the improbability. Every modelling scheme that is confronted with the deduction of such an extreme flood event will be of limited reliability. The task\'s aim will therefore be to make the estimation more reliable. Generally the more data a model involves the more trustworthy the results will become. Directly coupled with runoff are historical flood data and qualitative details of small scale flood events respectively. Aside runoff information an important data source is precipitation data, which is coupled with runoff data in a causal way, and the possible maximum precipitation. If additionally whole regions are examined it is possible to consider regional facets and structures of larger catchments. These strengthen and expand local modelling basics and provide a regional consistent result. Vice versa the flood regime can be regionalised to gain information at unobserved cross sections. Out of the described expanded modelling basics follow three links: (i) It is necessary to find a flexible but still plausible formulation of the statistical precipitation regime until the probable maximum precipitation. (ii) The formulation of point i) has to be coupled with the flood regime to include these information. (iii) The adjacent regionalisation has to account for the nested and arboreal structure of hydrological catchments. Point (i) will be solved by a split distribution function. That allows the ideal display of the more probable domain as well as the characteristics until the probable maximum. Regarding point (ii) a new principle of coupling will be developed. It bases on the assumption that a regional maximum runoff coefficient exists and it will be gained asymptotically. As a result of the runoff coefficient approximation the runoff distribution function gets an upper limit depending on maximum precipitation and runoff coefficient. Respecting the guidelines in point (iii) the reference gauge method will be developed. It bases upon the fact, that likewise catchments generate equivalent peak discharges. For this reason it is possible to carry known peak discharges of a reference gauge onto unobserved subcatchments. Among other things the choice of a reference gauge accounts for the topology of the catchments. The whole strategy can be applied to large catchments what is exemplarily shown in Saxon streams. Beginning with a data homogenisation to the point of discharges of extreme low exceedance probabilities at unobserved cross sections the whole procedure is shown.

The limnological knowledge of waters in arid regions, especially Mongolia, is still insufficient. It was the goal of the Mongolian-German research project “Limnological Particularities of Characteristic Waterbodies in the Uvs Nuur Basin” to develop a systematic inventory of waters, describe their morphological, hydrophysical, chemical and biological characteristics and to generalize the framework of abiotic and biotic factors that determine their character. During the field work, carried out from 1996 to 1999, samples of water, sediments, benthic and planktonic biota were taken from 76 places at 15 stagnant water bodies, 21 streams and several groundwater bodies; morphological, hydrological, physical and hydrochemical measurements were made. Chemical and biological analyses were carried out in Germany. The most important taxonomical groups were determined by German and international specialists. The results of the work are presented and discussed separately for running waters, lakes and groundwater. Based on these findings, several general topics are dealt with: factors shaping the character of water bodies, food webs, biogeography, spatial sequence of water bodies, typology and protection issues. A checklist of 596 taxa was compiled; 109 additional taxa from the Russian and Mongolian literature were included. Two species (Cyclops glacialis Flößner 2001 and Acanthocorbis mongolica Paul 2011) were new for the science and 103 species were new reports for Mongolia. A regional stream typology with 11 different types was developed using the criteria ecoregion, altitude and catchment area. The typology developed for stagnant waters comprises 9 types based on altitude, lake area, existence of an outflow and relative depth. This dissertation comprises 139 pages and an appendix of 59 pages, 50 tables, 94 figures and a map.:Acknowledgments ii Abstract iii List of Tables iii List of Figures vi 1 Introduction 1 1.1 Significance of the investigations 1 1.2 Aims of the investigations 2 1.3 Sequence of field research activities 3 1.4 Area of investigation 4 1.4.1 Topographic situation and morphology .4 1.4.2 Climate 5 1.4.3 Geology and soils 9 1.4.4 Vegetation 10 1.4.5 Population and economy 10 1.4.6 Former limnological investigations in the Uvs Nuur Basin 11 1.4.7 Short description of the investigated waters 12 2 Methods 15 2.1 Sampling 15 2.2 Field measurements 16 2.3 Laboratory analyses and data evaluation 19 3 Results and discussion 26 3.1 Rivers 26 3.1.1 Morphology and hydrology 26 3.1.2 Runoff dynamics 34 3.1.3 Water temperature and freezing 38 3.1.4 Chemical properties 39 3.1.5 Aquatic biota 43 3.2 Lakes 53 3.2.1 Formation and morphometry 53 3.2.2 Water level changes and water balance 58 3.2.3 Temperature and overturn dynamics of the water body 63 3.2.4 Vertical gradients of physico-chemical parameters and chlorophyll 65 3.2.5 Horizontal gradients in Uvs Nuur: surface temperature and suspended matter 69 3.2.6 Salinity and ionic composition 71 3.2.7 Nutrients and trophic state 74 3.2.8 Sediments 79 3.2.9 Aquatic biota 83 3.3 Groundwater 95 3.3.1 Hydrology 95 3.3.2 Chemical composition 96 3.3.3 Biota 98 4 Conclusions and synthesis 99 4.1 Exogenous factors influencing the character of water bodies 99 4.1.1 Biological structure of running waters 100 4.1.2 Biological structure of lakes 104 4.2 Food webs 105 4.3 Biogeographical classification 110 4.4 Spatial sequence of water bodies and material flows 113 4.5 Transformation of the water bodies 116 4.6 Typology of water bodies 117 4.7 Protection of landscape and waters 121 5 Literature 124 6 Appendices 140 6.1 Tables 140 6.2 Cross sections and longitudinal profiles of rivers 169 6.3 Microscopical images of algal species 175 6.4 Satellite images 179 6.5 Photographs of sampled waters 182

There is a growing societal concern about excessive water and fertilizer use in agricultural systems. High water productivity while maintaining high crop yields can be achieved with appropriate irrigation scheduling. Moreover, freshwater pollution through nitrogen (N) leaching due to the widespread use of N fertilizers demands for an efficient N fertilization management. However, sustainable crop management requires good knowledge of soil water and N dynamics as well as of crop water and N demand. Crop growth models, which describe physical and physiological processes of crop growth as well as water and matter transport, are considered as powerful tools to assist in the optimization of irrigation and fertilization management. It is of a general nature that the reliability of simulation based predictions depends on the quality and quantity of the data used for model calibration and validation which can be obtained e.g. in field experiments. A lack of data or low data quality for model calibration and validation may cause low performance and large uncertainties in simulation results. The large number of model parameters to be calibrated requires appropriate calibration methods and a sequential calibration strategy. Moreover, a simulation based planning of the field design saves costs and expenditure while supporting maximal outcomes of experiments. An adjustment of crop growth modeling and experiments is required for model improvement and development to reliably predict crop growth and to generalize predicted results. In this research study, a new approach for simulation based optimal experimental design was developed aiming to integrate simulation models, experiments, and optimization methods in one framework for optimal and sustainable irrigation and N fertilization management. The approach is composed of three steps: 1. The preprocessing consists of the calibration and validation of the crop growth model based on existing experimental data, the generation of long time-series of climate data, and the determination of the optimal irrigation control. 2. The implementation comprises the determination and experimental application of the simulation based optimized deficit irrigation and N fertilization schedules and an appropriate experimental data collection. 3. The postprocessing includes the evaluation of the experimental results namely observed yield, water productivity (WP), nitrogen use efficiency (NUE), and economic aspects, as well as a model evaluation. Five main tools were applied within the new approach: an algorithm for inverse model parametrization, a crop growth model for simulating crop growth, water balance and N balance, an optimization algorithm for deficit irrigation and N fertilization scheduling, and a stochastic weather generator. Furthermore, a water flow model was used to determine the optimal irrigation control functions and for simulation based estimation of the optimal field design. The approach was implemented within three case studies presented in this work. The new approach combines crop growth modeling and experiments with stochastic optimization. It contributes to a successful application of crop growth modeling based on an appropriate experimental data collection. The presented model calibration and validation procedure using the collected data facilitates reliable predictions. The stochastic optimization framework for deficit irrigation and N fertilization scheduling proved to be a powerful tool to enhance yield, WP, NUE and profit.:Contents Nomenclature ..............................................................................................................................xii 1 Introduction..................................................................................................................................1 I Fundamentals and literature review ........................................................................................5 2 Water productivity in crop production ....................................................................................7 2.1 Water productivity .................................................................................................................7 2.2 Increase of crop yield ..........................................................................................................9 2.3 Irrigation ...............................................................................................................................10 2.3.1 Irrigation methods ...........................................................................................................10 2.3.2 Irrigation scheduling and irrigation control ................................................................11 2.3.3 The influence of the field design on profitability .......................................................12 2.4 The concept of controlled deficit irrigation ...................................................................14 3 Nitrogen use efficiency in crop production .........................................................................17 3.1 Nitrogen use efficiency ....................................................................................................18 3.2 N fertilization management .............................................................................................18 3.3 Combination of controlled deficit irrigation and deficit N fertilization ......................19 4 Crop growth modeling ............................................................................................................21 4.1 Physiological crop growth models ..................................................................................21 4.1.1 Model description of SVAT model Daisy ....................................................................22 4.1.2 Model description of crop growth model Pilote .........................................................24 4.2 Optimal experimental design for model parametrization ...........................................25 4.2.1 Experimental design ......................................................................................................25 4.2.2 Model parameter estimation ........................................................................................26 4.2.3 Model parameter estimation based on greenhouse data .......................................27 5 Irrigation and N fertilization scheduling ..............................................................................29 5.1 Irrigation scheduling .........................................................................................................29 5.2 N fertilization scheduling .................................................................................................30 5.3 Combination of irrigation and N fertilization scheduling ............................................30 II New approach for simulation based optimal experimental design ................................33 6 Preprocessing steps ...............................................................................................................37 6.1 Model parametrization and assessment .......................................................................37 6.1.1 Calibration of the soil parameters ...............................................................................38 6.1.2 Calibration of the plant parameters ............................................................................39 6.1.3 Model assessment .........................................................................................................41 6.1.4 Preliminary simulations for an optimal experimental layout ..................................43 6.2 Generation of long time-series of climate data ............................................................44 6.3 Determination of the optimal irrigation control functions ...........................................44 7 Stochastic optimization framework ......................................................................................47 7.1 Stochastic optimization framework .................................................................................47 7.1.1 Optimization algorithm ...................................................................................................47 7.1.2 Generation of the crop water (nitrogen) production functions ................................48 7.1.3 Application of the stochastic optimization framework ..............................................48 7.1.4 Crop growth model requirements ................................................................................49 8 Data collection during the experimentation .......................................................................51 9 Postprocessing steps .............................................................................................................55 9.1 Evaluation of the experimental results ...........................................................................55 9.1.1 Yield and total dry matter ..............................................................................................55 9.1.2 Water productivity and nitrogen use efficiency .........................................................55 9.1.3 Economic aspects ..........................................................................................................55 9.1.4 Evaluation of the model results ....................................................................................56 III Application of the new approach to three case studies ...................................................57 10 Evaluation of model transferability ....................................................................................59 10.1 Objectives and summary ................................................................................................59 10.2 Experimental site and experimental setup .................................................................61 10.3 Data collection during the experimentation ................................................................63 10.4 Calibration and validation of the model parameters .................................................63 10.4.1 Model setup and soil parametrization ......................................................................64 10.4.2 Plant parameter calibration and validation .............................................................67 10.5 Application of the stochastic optimization framework ...............................................75 10.5.1 Generation of the climate data ...................................................................................75 10.5.2 Estimation of the yield potential of wheat ................................................................75 10.5.3 Estimation of the water productivity potential of barley .........................................77 10.6 Discussion and conclusions ..........................................................................................81 11 Real-time irrigation scheduling ..........................................................................................83 11.1 Objectives and summary ................................................................................................83 11.2 Experimental site and field design ...............................................................................85 11.3 Data collection during the experiment ........................................................................86 11.4 Calibration and setup of the crop growth model Pilote .............................................87 11.5 Derivation of optimal irrigation control functions for different drip line spacings 88 11.5.1 Initial Hydrus 2D/3D simulations ...............................................................................88 11.5.2 Determination of the irrigation control functions .....................................................89 11.5.3 Verifying measurements ..............................................................................................92 11.6 Real-time deficit irrigation scheduling .........................................................................93 11.7 Evaluation of the experimental results .........................................................................96 11.7.1 Crop yields .....................................................................................................................96 11.7.2 Water productivity .........................................................................................................97 11.7.3 Prognostic simulations ................................................................................................98 11.7.4 Economic aspects ........................................................................................................99 11.8 Discussion and conclusions ........................................................................................100 12 Multicriterial optimization...................................................................................................103 12.1 Objectives and summary .............................................................................................103 12.2 Experimental site and experimental setup ...............................................................105 12.3 Data collection during the experiment ......................................................................105 12.4 Experimental layout ......................................................................................................106 12.5 Calibration and validation of the model parameters ..............................................107 12.5.1 Calibration of the soil parameters ...........................................................................107 12.5.2 Calibration and validation of the plant parameters .............................................107 12.5.3 Setup of SVAT model Daisy .....................................................................................108 12.6 Generation of the climate data ....................................................................................109 12.7 Optimized irrigation and N fertilization scheduling .................................................109 12.8 Evaluation of the experimental results .......................................................................111 12.8.1 Observed plant variables and weather data .........................................................111 12.8.2 Water productivities and nitrogen use efficiencies ...............................................111 12.8.3 Chlorophyll Meter values ..........................................................................................112 12.8.4 Recalculation of soil parameters .............................................................................113 12.9 Postprocessing simulations of yield and water and N dynamics..........................114 12.9.1 Yield predictions using Daisy 1D ............................................................................114 12.9.2 Yield predictions using Daisy 2D ............................................................................119 12.10 Discussion and conclusions .....................................................................................121 IV General discussion, conclusions and outlook ...............................................................123 13 General discussion ............................................................................................................125 14 General conclusions and outlook ....................................................................................133 Appendix ....................................................................................................................................134 A Tables and Figures ...............................................................................................................137 B Model setup and weather files ...........................................................................................145 List of Tables .............................................................................................................................153 List of Figures ............................................................................................................................153 References ................................................................................................................................159 / In der heutigen Gesellschaft gibt es zunehmend Bedenken gegenüber übermäßigem Wasser- und Düngereinsatz in der Landwirtschaft. Eine hohe Wasserproduktivität kann jedoch durch geeignete Bewässerungspläne mit hohen landwirtschaftlichen Erträgen in Einklang gebracht werden. Die mit der weitverbreiteten Stickstoffdüngung einhergehende Gewässerbelastung aufgrund von Stickstoffauswaschung erfordert zudem ein effizientes Stickstoffmanagement. Eine entsprechende ressourceneffiziente Landbewirtschaftung bedarf präzise Kenntnisse der Bodenwasser- und Stickstoffdynamiken sowie des Pflanzenwasser- und Stickstoffbedarfs. Als leistungsfähige Werkzeuge zur Unterstützung bei der Optimierung von Bewässerungs-und Düngungsplänen werden Pflanzenwachstumsmodelle eingesetzt, welche die physischen und physiologischen Prozesse des Pflanzenwachstums sowie die physikalischen Prozesse des Wasser- und Stofftransports abbilden. Hierbei hängt die Zuverlässigkeit dieser simulationsbasierten Vorhersagen von der Qualität und Quantität der bei der Modellkalibrierung und -validierung verwendeten Daten ab, welche beispielsweise in Feldversuchen erfasst werden. Fehlende Daten oder Daten mangelhafter Qualität bei der Modellkalibrierung und -validierung führen zu unzuverlässigen Simulationsergebnissen und großen Unsicherheiten bei der Vorhersage. Die große Anzahl an zu kalibrierenden Parametern erfordert zudem geeignete Kalibrierungsmethoden sowie eine sequenzielle Kalibrierungsstrategie. Darüber hinaus kann eine simulationsbasierte Planung des Versuchsdesigns Kosten und Aufwand reduzieren und zu weiteren experimentellen Erkenntnissen führen. Die Abstimmung von Pflanzenwachstumsmodellen und Versuchen ist zudem für die Modellentwicklung und -verbesserung sowie für eine Verallgemeinerung von Simulationsergebnissen unabdingbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz für ein simulationsbasiertes optimales Versuchsdesign entwickelt. Ziel war es, Simulationsmodelle, Versuche und Optimierungsmethoden in einem Ansatz für optimales und nachhaltiges Bewässerungs- und Düngungsmanagement zu integrieren. Der Ansatz besteht aus drei Schritten: 1. Die Vorbereitungsphase beinhaltet die auf existierenden Versuchsdaten basierende Kalibrierung und Validierung des Pflanzenwachstumsmodells, die Generierung von Klimazeitreihen und die Bestimmung der optimalen Bewässerungssteuerung. 2. Die Durchführungsphase setzt sich aus der Erstellung und experimentellen Anwendung der simulationsbasierten optimierten Defizitbewässerungs- und Stickstoffdüngungspläne und der Erfassung der relevanten Versuchsdaten zusammen. 3. Die Auswertungsphase schließt eine Evaluierung der Versuchsergebnisse anhand ermittelter Erträge, Wasserproduktivitäten (WP), Stickstoffnutzungseffizienzen (NUE) und ökonomischer Aspekte, sowie eine Modellevaluierung ein. In dem neuen Ansatz kamen im Wesentlichen folgende fünf Werkzeuge zur Anwendung: Ein Algorithmus zur inversen Modellparametrisierung, ein Pflanzenwachstumsmodell, welches das Pflanzenwachstum sowie die Wasser- und Stickstoffbilanzen abbildet, ein evolutionärer Optimierungsalgorithmus für die Generierung von defizitären Bewässerungs- und Stickstoffplänen und ein stochastischer Wettergenerator. Zudem diente ein Bodenwasserströmungsmodell der Ermittlung der optimalen Bewässerungssteuerung und der simulationsbasierten Optimierung des Versuchsdesigns. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz wurde in drei Fallbeispielen angewandt. Der neue Ansatz kombiniert Pflanzenwachstumsmodellierung und Experimente mit stochastischer Optimierung. Er leistet einen Beitrag zu einer erfolgreichen Pflanzenwachstumsmodellierung basierend auf der Erfassung relevanter Versuchsdaten. Die vorgestellte Modellkalibrierung und -validierung unter Verwendung der erfassten Versuchsdaten trug wesentlich zu zuverlässigen Simulationsergebnissen bei. Darüber hinaus stellt die hier vorgestellte stochastische Optimierung von defizitären Bewässerungs- und Stickstoffplänen ein leistungsfähiges Werkzeug dar, um Erträge, WP, NUE und den Profit zu erhöhen.:Contents Nomenclature ..............................................................................................................................xii 1 Introduction..................................................................................................................................1 I Fundamentals and literature review ........................................................................................5 2 Water productivity in crop production ....................................................................................7 2.1 Water productivity .................................................................................................................7 2.2 Increase of crop yield ..........................................................................................................9 2.3 Irrigation ...............................................................................................................................10 2.3.1 Irrigation methods ...........................................................................................................10 2.3.2 Irrigation scheduling and irrigation control ................................................................11 2.3.3 The influence of the field design on profitability .......................................................12 2.4 The concept of controlled deficit irrigation ...................................................................14 3 Nitrogen use efficiency in crop production .........................................................................17 3.1 Nitrogen use efficiency ....................................................................................................18 3.2 N fertilization management .............................................................................................18 3.3 Combination of controlled deficit irrigation and deficit N fertilization ......................19 4 Crop growth modeling ............................................................................................................21 4.1 Physiological crop growth models ..................................................................................21 4.1.1 Model description of SVAT model Daisy ....................................................................22 4.1.2 Model description of crop growth model Pilote .........................................................24 4.2 Optimal experimental design for model parametrization ...........................................25 4.2.1 Experimental design ......................................................................................................25 4.2.2 Model parameter estimation ........................................................................................26 4.2.3 Model parameter estimation based on greenhouse data .......................................27 5 Irrigation and N fertilization scheduling ..............................................................................29 5.1 Irrigation scheduling .........................................................................................................29 5.2 N fertilization scheduling .................................................................................................30 5.3 Combination of irrigation and N fertilization scheduling ............................................30 II New approach for simulation based optimal experimental design ................................33 6 Preprocessing steps ...............................................................................................................37 6.1 Model parametrization and assessment .......................................................................37 6.1.1 Calibration of the soil parameters ...............................................................................38 6.1.2 Calibration of the plant parameters ............................................................................39 6.1.3 Model assessment .........................................................................................................41 6.1.4 Preliminary simulations for an optimal experimental layout ..................................43 6.2 Generation of long time-series of climate data ............................................................44 6.3 Determination of the optimal irrigation control functions ...........................................44 7 Stochastic optimization framework ......................................................................................47 7.1 Stochastic optimization framework .................................................................................47 7.1.1 Optimization algorithm ...................................................................................................47 7.1.2 Generation of the crop water (nitrogen) production functions ................................48 7.1.3 Application of the stochastic optimization framework ..............................................48 7.1.4 Crop growth model requirements ................................................................................49 8 Data collection during the experimentation .......................................................................51 9 Postprocessing steps .............................................................................................................55 9.1 Evaluation of the experimental results ...........................................................................55 9.1.1 Yield and total dry matter ..............................................................................................55 9.1.2 Water productivity and nitrogen use efficiency .........................................................55 9.1.3 Economic aspects ..........................................................................................................55 9.1.4 Evaluation of the model results ....................................................................................56 III Application of the new approach to three case studies ...................................................57 10 Evaluation of model transferability ....................................................................................59 10.1 Objectives and summary ................................................................................................59 10.2 Experimental site and experimental setup .................................................................61 10.3 Data collection during the experimentation ................................................................63 10.4 Calibration and validation of the model parameters .................................................63 10.4.1 Model setup and soil parametrization ......................................................................64 10.4.2 Plant parameter calibration and validation .............................................................67 10.5 Application of the stochastic optimization framework ...............................................75 10.5.1 Generation of the climate data ...................................................................................75 10.5.2 Estimation of the yield potential of wheat ................................................................75 10.5.3 Estimation of the water productivity potential of barley .........................................77 10.6 Discussion and conclusions ..........................................................................................81 11 Real-time irrigation scheduling ..........................................................................................83 11.1 Objectives and summary ................................................................................................83 11.2 Experimental site and field design ...............................................................................85 11.3 Data collection during the experiment ........................................................................86 11.4 Calibration and setup of the crop growth model Pilote .............................................87 11.5 Derivation of optimal irrigation control functions for different drip line spacings 88 11.5.1 Initial Hydrus 2D/3D simulations ...............................................................................88 11.5.2 Determination of the irrigation control functions .....................................................89 11.5.3 Verifying measurements ..............................................................................................92 11.6 Real-time deficit irrigation scheduling .........................................................................93 11.7 Evaluation of the experimental results .........................................................................96 11.7.1 Crop yields .....................................................................................................................96 11.7.2 Water productivity .........................................................................................................97 11.7.3 Prognostic simulations ................................................................................................98 11.7.4 Economic aspects ........................................................................................................99 11.8 Discussion and conclusions ........................................................................................100 12 Multicriterial optimization...................................................................................................103 12.1 Objectives and summary .............................................................................................103 12.2 Experimental site and experimental setup ...............................................................105 12.3 Data collection during the experiment ......................................................................105 12.4 Experimental layout ......................................................................................................106 12.5 Calibration and validation of the model parameters ..............................................107 12.5.1 Calibration of the soil parameters ...........................................................................107 12.5.2 Calibration and validation of the plant parameters .............................................107 12.5.3 Setup of SVAT model Daisy .....................................................................................108 12.6 Generation of the climate data ....................................................................................109 12.7 Optimized irrigation and N fertilization scheduling .................................................109 12.8 Evaluation of the experimental results .......................................................................111 12.8.1 Observed plant variables and weather data .........................................................111 12.8.2 Water productivities and nitrogen use efficiencies ...............................................111 12.8.3 Chlorophyll Meter values ..........................................................................................112 12.8.4 Recalculation of soil parameters .............................................................................113 12.9 Postprocessing simulations of yield and water and N dynamics..........................114 12.9.1 Yield predictions using Daisy 1D ............................................................................114 12.9.2 Yield predictions using Daisy 2D ............................................................................119 12.10 Discussion and conclusions .....................................................................................121 IV General discussion, conclusions and outlook ...............................................................123 13 General discussion ............................................................................................................125 14 General conclusions and outlook ....................................................................................133 Appendix ....................................................................................................................................134 A Tables and Figures ...............................................................................................................137 B Model setup and weather files ...........................................................................................145 List of Tables .............................................................................................................................153 List of Figures ............................................................................................................................153 References ................................................................................................................................159

Das saisonale Auftreten von erdig/modrigen Geruchsstoffen beeinträchtigt die organoleptische Qualität von Trinkwasser aus Talsperren weltweit. Grund für diese Beeinträchtigungen sind biogene Geruchsstoffe, die in oligo- bis mesotrophen Trinkwassertalsperren vorwiegend von benthischen Cyanobakterien freigesetzt werden. Als wichtigste Vertreter der biogenen Geruchsstoffe in den untersuchten sächsischen Trinkwassertalsperren wurden Geosmin und 2-Methylisoborneol (2-MIB) identifiziert, die bereits in Konzentrationen von wenigen ng/L organoleptisch wahrgenommen werden. Zur Entfernung der Geruchsstoffe während der Trinkwasseraufbereitung wird meist die Adsorption an Pulveraktivkohle als zusätzlicher Aufbereitungsschritt eingesetzt. In natürlichen Wässern wird die Adsorptionskapazität vor allem durch die direkte Konkurrenz niedermolekularer, gut adsorbierbarer Fraktionen des organischen Hintergrundes reduziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Adsorption mit verschiedenen Modellansätzen für die Gemischadsorption von Spurenstoffen und organischem Hintergrund beschrieben werden kann. Diese Modelle, die für Gleichgewichtszustände entwickelt wurden, können auch angewendet werden, wenn sich das Adsorptionsgleichgewicht noch nicht eingestellt hat, wie es oftmals bei den in der Praxis realisierten Kontaktzeiten der Fall ist. Bei Auswahl einer Aktivkohle mit guter Entfernungsleistung für die Geruchsstoffe liegen die Kosten für die benötigte Aktivkohlemenge zur Reduzierung der Geruchsstoffkonzentration um 90 % bei 0,009 - 0,05 €/m³. Der Einsatz UV-basierter erweiterter Oxidationsverfahren, wie UV/O3, UV/H2O2, Vakuum-UV (VUV) sowie VUV/O3, stellt eine Alternative für die Entfernung von Geosmin und 2-MIB dar. Die eingehende Untersuchung dieser Verfahren zeigte, dass die indirekte Oxidation durch gebildete Hydroxylradikale zu einer effektiven Umsetzung der Geruchsstoffe und zahlreicher weiterer Spurenstoffe führt. Zusätzlich wird das Rohwasser aufgrund der keimtötenden Wirkung von UV-Strahlung (und Ozon) gleichzeitig desinfiziert. Allerdings sind bei den Verfahren UV/O3 und UV/H2O2 für einen kosteneffizienten Geruchsstoffabbau hohe Oxidationsmittelkonzentrationen notwendig, die zu unerwünschten Nebenprodukten oder Residuen führen können. Die VUV-Bestrahlung stand besonders im Fokus der Untersuchungen, da dieser Wellenlängenbereich sowohl zur photoinitiierten Oxidation von Spurenstoffen als auch zur Generierung von Ozon in der Gasphase eingesetzt werden kann. Ozongenerierung und Bestrahlung (im UV- oder VUV-Bereich) wurden in einem speziellen UV-Reaktor mit nur einer Strahlungsquelle realisiert. Mit diesem innovativen UV-System mit interner Ozongenerierung konnte eine Reduzierung der Geosminkonzentration um 90 % mit einem Energieverbrauch unter 1 kWh/m³ und Energiekosten unter 0,09 €/m³ erreicht werden. Außerdem wird Nitrit, das durch VUV-Bestrahlung gebildet wird, durch die Zugabe des intern erzeugten Ozons oxidiert. Unter den untersuchten UV-basierten Verfahren ist die Kombination VUV/O3 mit interner Ozongenerierung für die Entfernung von saisonal auftretenden Geruchsstoffen in der Trinkwasseraufbereitung aus Talsperrenwässern am besten geeignet. Die Verfahrenskombination zeichnet sich durch ein geringes Risiko hinsichtlich der Bildung unerwünschter Nebenprodukte, den Verzicht auf den Einsatz von Chemikalien und die Vermeidung von Rückständen sowie einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch und Wartungsaufwand aus.:1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Zielstellung 2. Grundlagen und Literaturauswertung 2.1. Geruchsstoffe im Trinkwasser 2.1.1. Quantitative und qualitative Beschreibung von Geruch 2.1.2. Biogene Geruchsstoffe 2.2. Aufbereitungsmethoden für geruchsstoffhaltige Rohwässer 2.3. Adsorption an Pulveraktivkohle 2.3.1. Theoretische Grundlagen 2.3.2. Geruchsstoffentfernung mittels Adsorption 2.4. Ozonung und Peroxonprozess 2.4.1. Theoretische Grundlagen 2.4.2. Geruchsstoffentfernung mittels Ozonung 2.5. UV-basierte Verfahren 2.5.1. UV-Bestrahlung und direkte Photolyse 2.5.2. Photoinitiierte Oxidation 2.5.3. Ozongenerierung mittels VUV 2.5.4. UV-System mit interner Ozongenerierung 2.5.5. Geruchsstoffentfernung mittels UV-basierter Verfahren 2.6. Desinfektion und Nebenproduktbildung 2.6.1. Desinfektion 2.6.2. Nebenproduktbildung: Nitrit 2.6.3. Nebenproduktbildung: Bromat 2.6.4. Nebenproduktbildung: Chlorit, Chlorat und Perchlorat 2.6.5. DOC-Abbau 3. Material und Methoden 3.1. Gewässerparameter 3.2. Verwendete Wässer 3.3. Geruchsstoffanalytik 3.3.1. Flüssig-Flüssig-Extraktion 3.3.2. Festphasen-Mikroextraktion 3.3.3. Trennung und Detektion mittels GC/MS 3.4. Adsorption an Pulveraktivkohle 3.4.1. Versuchsdurchführung 3.4.2. Adsorptionsmodellierung 3.5. Ozonung 3.5.1. Versuchsdurchführung 3.5.2. Ozonbestimmung 3.6. UV-basierte Verfahren 3.6.1. Aktinometrie 3.6.2. Biodosimetrie 3.6.3. Ozongenerierung mittels VUV-Bestrahlung 3.6.4. Versuchsdurchführung 3.7. Bestimmung der Abbaukonstanten 3.8. Bestimmung der stationären Hydroxylradikalkonzentration 3.9. Bewertungskriterium EE/O 3.10. Desinfektion und Wiederverkeimung 3.11. Weitere Spurenstoffe 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Geruchsstoffanalytik 4.1.1. Qualitative Untersuchungen 4.1.2. Quantitative Untersuchungen 4.2. Adsorption an Pulveraktivkohle 4.2.1. Adsorptionskinetik 4.2.2. Einflussfaktoren auf den Adsorptionsprozess 4.2.3. Modellierung des Adsorptionsprozesses 4.2.4. Kosten für Adsorption an Pulveraktivkohle 4.3. Ozonung 4.3.1. Einflussfaktoren auf die Ozonung 4.3.2. Kosten für die Ozonung 4.3.3. Bestimmung der Hydroxylradikalkonzentration 4.4. UV-basierte Verfahren 4.4.1. Aktinometrie und Biodosimetrie 4.4.2. Ozongenerierung mittels VUV-Bestrahlung 4.4.3. Geruchsstoffabbau mittels UV-Bestrahlung 4.4.4. Geruchsstoffabbau mittels VUV-Bestrahlung 4.4.5. Geruchsstoffabbau mittels UV/H2O2 4.4.6. Geruchsstoffabbau mittels UV/Ozon 4.4.7. Geruchsstoffabbau mittels VUV/Ozon 4.4.8. Transformationsprodukte der Geruchsstoffe 4.4.9. Bestimmung der stationären Hydroxylradikalkonzentration 4.4.10. Vergleich der erweiterten Oxidationsverfahren anhand EE/O 4.5. Weiterführende Untersuchungen 4.5.1. DOC-Umsetzung 4.5.2. Desinfektion und Wiederverkeimung 4.5.3. Nebenproduktbildung: Nitrit 4.5.4. Nebenproduktbildung: Bromat 4.5.5. Nebenproduktbildung: Chlorit, Chlorat und Perchlorat 4.5.6. Abbau weiterer Spurenstoffe 5. Zusammenfassung und Ausblick 5.1. Optimierung des UV-Systems mit interner Ozongenerierung 5.2. Einordnung in den Wasseraufbereitungsprozess 5.3. Potentielle Anwendungsgebiete der VUV/O3-Technologie 5.4. Bewertung der Aufbereitungsverfahren für geruchsstoffhaltige Rohwässer 6. Literatur Abkürzungen und Symbole Anhang / The seasonal occurrence of earthy/musty odours affects the organoleptic quality of drinking water from reservoirs worldwide. In oligo-mesotrophic drinking water reservoirs this impairment is mainly caused by biogenic odour compounds released by benthic cyanobacteria. The most important odour compounds in the investigated Saxon drinking water reservoirs were geosmin und 2-methylisoborneol (2-MIB), which exhibit a threshold odour concentration of several ng/L. The application of powdered activated carbon is widely used for the removal of odour compounds during drinking water treatment. However, the adsorption capacity in natural waters is reduced due to the competition of well adsorbable, low molecular weight organic compounds. It could be shown that the adsorption process can be described with various model approaches for the competitive adsorption of micropollutants in presence of natural organic matter. These model approaches, which were developed for equilibrium adsorption, can be applied for the non-equilibrium adsorption as well, for example for contact times realized in the waterworks. If an activated carbon with a high adsorption capacity for odour compounds is applied, the costs for the amount of activated carbon necessary to reduce the odour concentration by one order of magnitude are about 0.009 - 0.05 €/m³. UV-based advanced oxidation processes like UV/O3, UV/H2O2, Vacuum-UV (VUV) and VUV/O3 are an alternative for the removal of geosmin and 2-MIB. Thus, these processes were investigated in detail showing that an effective elimination of the odour compounds and other micropollutants is achieved via indirect oxidation by formed hydroxyl radicals. Additionally, the raw water is disinfected by the germicidal effect of UV irradiation (and ozone). However, for a cost efficient degradation of odour compounds by UV/O3 or UV/H2O2 high oxidant concentrations are necessary, which lead to the formation of undesired by-products and residuals. The focus of the presented doctoral thesis was on the treatment with VUV irradiation because this wavelength range can be applied for photoinitiated oxidation as well as for the generation of ozone in the gas phase. Ozone generation and irradiation (in the UV or VUV range) can be combined in a specific UV reactor using a single irradiation source. Using this innovative UV system with internal ozone generation the reduction of the concentration of geosmin by one order of magnitude can be achieved with an energy consumption below 1 kWh/m³ and operational costs below 0.09 €/m³. Furthermore, the addition of ozone leads to a noticeable oxidation of nitrite, which is formed under VUV irradiation. Within the investigated UV based processes, the combination VUV/O3 with internal ozone generation is the most suitable for the removal of seasonally occurring odour compounds during drinking water treatment from reservoir water. The process is characterized by the minimization of the risk for the formation of undesired by-products without the application of chemicals, the reduction of the formation of residues as well as low energy consumption and maintenance requirements.:1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Zielstellung 2. Grundlagen und Literaturauswertung 2.1. Geruchsstoffe im Trinkwasser 2.1.1. Quantitative und qualitative Beschreibung von Geruch 2.1.2. Biogene Geruchsstoffe 2.2. Aufbereitungsmethoden für geruchsstoffhaltige Rohwässer 2.3. Adsorption an Pulveraktivkohle 2.3.1. Theoretische Grundlagen 2.3.2. Geruchsstoffentfernung mittels Adsorption 2.4. Ozonung und Peroxonprozess 2.4.1. Theoretische Grundlagen 2.4.2. Geruchsstoffentfernung mittels Ozonung 2.5. UV-basierte Verfahren 2.5.1. UV-Bestrahlung und direkte Photolyse 2.5.2. Photoinitiierte Oxidation 2.5.3. Ozongenerierung mittels VUV 2.5.4. UV-System mit interner Ozongenerierung 2.5.5. Geruchsstoffentfernung mittels UV-basierter Verfahren 2.6. Desinfektion und Nebenproduktbildung 2.6.1. Desinfektion 2.6.2. Nebenproduktbildung: Nitrit 2.6.3. Nebenproduktbildung: Bromat 2.6.4. Nebenproduktbildung: Chlorit, Chlorat und Perchlorat 2.6.5. DOC-Abbau 3. Material und Methoden 3.1. Gewässerparameter 3.2. Verwendete Wässer 3.3. Geruchsstoffanalytik 3.3.1. Flüssig-Flüssig-Extraktion 3.3.2. Festphasen-Mikroextraktion 3.3.3. Trennung und Detektion mittels GC/MS 3.4. Adsorption an Pulveraktivkohle 3.4.1. Versuchsdurchführung 3.4.2. Adsorptionsmodellierung 3.5. Ozonung 3.5.1. Versuchsdurchführung 3.5.2. Ozonbestimmung 3.6. UV-basierte Verfahren 3.6.1. Aktinometrie 3.6.2. Biodosimetrie 3.6.3. Ozongenerierung mittels VUV-Bestrahlung 3.6.4. Versuchsdurchführung 3.7. Bestimmung der Abbaukonstanten 3.8. Bestimmung der stationären Hydroxylradikalkonzentration 3.9. Bewertungskriterium EE/O 3.10. Desinfektion und Wiederverkeimung 3.11. Weitere Spurenstoffe 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Geruchsstoffanalytik 4.1.1. Qualitative Untersuchungen 4.1.2. Quantitative Untersuchungen 4.2. Adsorption an Pulveraktivkohle 4.2.1. Adsorptionskinetik 4.2.2. Einflussfaktoren auf den Adsorptionsprozess 4.2.3. Modellierung des Adsorptionsprozesses 4.2.4. Kosten für Adsorption an Pulveraktivkohle 4.3. Ozonung 4.3.1. Einflussfaktoren auf die Ozonung 4.3.2. Kosten für die Ozonung 4.3.3. Bestimmung der Hydroxylradikalkonzentration 4.4. UV-basierte Verfahren 4.4.1. Aktinometrie und Biodosimetrie 4.4.2. Ozongenerierung mittels VUV-Bestrahlung 4.4.3. Geruchsstoffabbau mittels UV-Bestrahlung 4.4.4. Geruchsstoffabbau mittels VUV-Bestrahlung 4.4.5. Geruchsstoffabbau mittels UV/H2O2 4.4.6. Geruchsstoffabbau mittels UV/Ozon 4.4.7. Geruchsstoffabbau mittels VUV/Ozon 4.4.8. Transformationsprodukte der Geruchsstoffe 4.4.9. Bestimmung der stationären Hydroxylradikalkonzentration 4.4.10. Vergleich der erweiterten Oxidationsverfahren anhand EE/O 4.5. Weiterführende Untersuchungen 4.5.1. DOC-Umsetzung 4.5.2. Desinfektion und Wiederverkeimung 4.5.3. Nebenproduktbildung: Nitrit 4.5.4. Nebenproduktbildung: Bromat 4.5.5. Nebenproduktbildung: Chlorit, Chlorat und Perchlorat 4.5.6. Abbau weiterer Spurenstoffe 5. Zusammenfassung und Ausblick 5.1. Optimierung des UV-Systems mit interner Ozongenerierung 5.2. Einordnung in den Wasseraufbereitungsprozess 5.3. Potentielle Anwendungsgebiete der VUV/O3-Technologie 5.4. Bewertung der Aufbereitungsverfahren für geruchsstoffhaltige Rohwässer 6. Literatur Abkürzungen und Symbole Anhang