The Institute of Resource Ecology (IRE) ISone of the eight institutes of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). The Research activities are mainly integrated into the program “Nuclear Safety Research (NUSAFE)” of the Helmholtz Association (HGF) and focused on the topics “Safety of Nuclear Waste Disposal” and “Safety Research for Nuclear Reactors”. Additionally, various activities have been started investigating chemical and environmental aspects of processing and recycling of strategic metals, namely rare earth elements. These activities are located in the HGF program “Energy Efficiency, Materials and Resources (EMR)”. Both programs, and therefore all work which is done at IRE, belong to the research sector “Energy” of the HGF. The research objectives are the protection of humans and the environment from hazards caused by pollutants resulting from technical processes that produce energy and raw materials. Treating technology and ecology as a unity is the major scientific challenge in assuring the safety of technical processes and gaining their public acceptance. Namely, we investigate the ecological risks exerted by radioactive and non-radioactive metals in the context of nuclear waste disposal, the production of energy in nuclear power plants and in processes along the value chain of metalliferous raw materials. A common goal is to generate better understanding about the dominating processes essential for metal mobilization and immobilization on the molecular level. This in turn enables us to assess the macroscopic phenomena, including models, codes and data for predictive calculations, which determine the transport and distribution of contaminants in the environment.

Die vorliegende Arbeit umfasst im ersten Teil eine Literaturrecherche zu Aquifer Storage and Recovery (ASR) im Allgemeinen und den Einfluss physikalisch-chemischer Prozesse auf ASR. Aus dieser konnte abgeleitet werden, dass durch standortbedingte Untergrundeigenschaften stark unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse ablaufen und eine eindeutige Vorhersage zum Verhalten und zur Effizienz von ASR an einem neuen oder bereits genutzten Standort ohne spezifische Informationen nicht möglich ist. Des Weiteren wurde eine Literaturstudie zum Einfluss der transversalen Dispersivität, als Maß für die Vermischung von transportierten Stoffen quer zu einer (natürlichen) Fließrichtung, auf den (reaktiven) Transport durchgeführt. Letztlich wurde im Rahmen einer betreuten Masterarbeit (M. Sc. Chang Liu) eine Bewertung aus der Literatur entnommener transversaler Dispersivitäten durchgeführt. In den weiteren Teilen der Arbeit wurden Fallstudien mit unterschiedlichen Fragestellungen für die Planung und den Betrieb von künstlichen Grundwasseranreicherungen und speziell ASR numerisch modelliert und bewertet. Zuerst wurden numerische Simulationen zum konservativen Transport am Testfeld „Lauswiesen“, Tübingen, Baden-Württemberg durchgeführt. Diese beinhalteten über Direct-Push(DP)-Erkundungsmethoden gewonnene Informationen zur Untergrundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Vorhersage des standortspezifischen Transports in den „Lauswiesen“ und für vergleichbare hydraulische Situationen, auch in Hinsicht auf ASR, deterministische hydrogeologische Einheiten und ihre situationsgerechte Berücksichtigung in numerischen Modellen höchst relevant sind. Aufbauend auf den genannten Ergebnissen wurde eine Masterarbeit durch Herrn M. Sc. Tsegaye Abera Sereche durchgeführt. Diese Masterarbeit zeigte für diesen Fall erneut die hohe Relevanz deterministischer Strukturen gegenüber kleinskaligen, dreidimensionalen Heterogenitäten für ASR. Weiterführende numerische Simulationen zu einem möglichen ASR-Feldtest am Standort „Lauswiesen“ ergaben, dass dieser unter den gegebenen Untergrundbedingungen nur bei Abweichungen von einem vertretbaren Konzept für einen Ein-Brunnen-Test, z. B. bei sehr großen Infiltrationsmengen, oder durch Umwandlung in einen Zwei-Brunnen-Test durchführbar ist. Während dieser Arbeit wurden gemeinsame Forschungsarbeiten mit dem Kansas Geological Survey, Kansas, USA durchgeführt, welche die Bewertung der Verwendbarkeit von DP-Brunnen als alternative Infiltrationsmethode zu Oberflächenmethoden beinhalteten. Als Teil der gemeinsamen Arbeiten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine synthetisierte, numerische Bewertung der neuen DP-Infiltrationsbrunnen sowie einen Vergleich mit einer herkömmlichen Oberflächeninfiltrationsmethode übernommen. Im Einklang mit der Zielstellung der Arbeit wurde ebenfalls eine numerische Bewertung natürlicher und anthropogener Heterogenitäten auf die Infiltration durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten für die neue Infiltrationsmethode signifikante Vorteile abgeleitet werden. Weitere numerische Modellierungen wurden durchgeführt, um die wesentlichen Ergebnisse auf einen Feldstandort in der Südlichen Steiermark, Österreich, anzuwenden, welcher: a) bereits ein horizontales Versickerungssystem besitzt, b) weitere Systeme erhalten soll und c) letztlich eine besondere Herausforderung für vertikale Versickerungssysteme darstellt. Die Modellierung des vorhandenen Systems zeigt die hohe Komplexität der Infiltrationsprozesse. Jedoch konnten hydraulische Parameter bestätigt und in weitere planerische Simulationen zu Verwendung von DP-basierten Infiltrationsbrunnen eingefügt werden. Diese zeigen, dass ein Brunnenfeld am Standort auf relativ geringem Raum installiert werden kann. Zusätzlich zeigt ein Feldversuch an einem weiteren Standort (Pirna, Sachsen), dass hohe Infiltrationsraten unter Nutzung von DP-Brunnen möglich sind. / The works presented in the thesis include in the first part a literature research on Aquifer Storage and Recovery (ASR) in general and the impacts of different physico-chemical processes on ASR. This research concludes that site-specific subsurface conditions lead to varying physical and chemical processes and that a conclusive prediction of function and efficiency of ASR at any site, in-operation or new site design, is not possible without site-specific information. Additionally, a literature study was conducted that focused on the impacts of transverse dispersivity, as a measure for mixing of transported species perpendicular to the (natural) flow direction, on (reactive) transport. Finally, evaluation of transverse dispersivity data available in the literature was performed, which included a supervision of a master thesis (of M. Sc. Chang Liu). Numerical simulations of case studies for different questions of planning and operation of artificial recharge systems and more specifically ASR were realized for the other parts of the thesis. The first evaluated case was the “Lauswiesen” test site, Tübingen, Baden-Wuerttemberg. This study used new insights into the subsurface structure gained by Direct-Push(DP) exploration methods. The results obtained show that for further works at the site and for comparable hydraulic conditions, also in the view of ASR, deterministic hydrogeological subunits and their consideration in numerical models are critical for prediction of site-specific transport. Based on the previous findings, a master thesis was conducted by M. Sc. Tsegaye Abera Sereche. The master thesis yet again revealed for this case the high relevance of deterministic subunits compared to small-scale, three-dimensional heterogeneities for ASR. Further, numerical simulations of a possible ASR field test at “Lauswiesen” site showed that under the prevailing subsurface conditions, a field test can only be realized when the set-up of a single-well-test is impracticably changed, by e.g. very high infiltration volumes, or by transformation into a two-well-test. During the thesis joint research works were performed with the Kansas Geological Survey, Kansas, USA, which contained the evaluation of the applicability of DP wells as an alternative to surface infiltration methods. As part of the joint work, this thesis presents a synthesized numerical evaluation of the new DP well infiltration as well as a comparison to a common surface infiltration system. Furthermore, in accordance with the main objective of the work, numerical evaluation of natural and anthropogenic heterogeneities was performed. The results concluded the advantages for the DP wells for infiltration process. Further numerical models were implemented to convey the important results to a field site at Southern Styria, Austria, where: a) an existing infiltration system is already in operation, b) further infiltration systems are planned and c) the subsurface conditions are rather challenging for vertical infiltration systems. Modeling of the existent system revealed the high complexity of the infiltration processes. However, hydraulic parameters could be verified and included into planning simulations for DP-based infiltration wells. The findings show, that a well field can be installed at a comparably small land. Additionally, a field test at a further test site (Pirna, Sachsen) indicates that high infiltrations rates are possible when DP wells are used.

Model-based reservoir management systems are indispensable for determining an optimal water resources management in river basins with multipurpose reservoirs. A recently developed management system will be described, using evolutionary algorithms to optimize both event-based and long-term operation of a reservoir system concerning multiple objectives with different units of measurement (Money, Dimensions, Ecology). The result are sets of so-called Pareto optimal solutions which represent the most useful compromises and can serve as a transparent information base for decision-making. In order to improve the ecological performance of multipurpose reservoirs, a dynamic operating scheme is implemented, which ensures that reservoir releases correspond to natural flow variability as far as possible. In addition water quality problems during the flood discharge and the release from selected layers of the water body will be discussed in brief.

Immer mehr Anwenderprogramme werden zum täglich genutzten Werkzeug des Ingenieurs zur Lösung vielfältiger Problemstellungen. Viele Aufgaben sind ohne die Computertechnik nicht mehr lösbar. Simulationen mit ein-, zwei- und allmählich zunehmend dreidimensionalen Programmen ermöglichen heute schon eine Komplexität der Betrachtung, die es ohne diese Programme nicht gäbe. Am Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden werden daher verschiedene Praktika und Belege in Verbindung mit physikalischen Modellversuchen in die studentische Ausbildung integriert.

Die rasante Weiterentwicklung der Technik eröffnet vielen Lebens- und Wirtschaftsbereichen völlig neue Möglichkeiten. So ist die stetige Verbesserung von mobilen Geräten auch ein Gewinn für die Kartographie. Im Bereich der erweiterten Realität sind dazu schon einige Anwendungen entwickelt worden. Diese Arbeit stellt verschiedene Augmented Reality Anwendungen vor, nicht nur aus dem Gebiet der Kartographie, sondern aus allen Lebensbereichen. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf der Anwendung mit mobilen Endgeräten liegen. Entstanden ist aus dieser Arbeit ein Campusführer, der nur die Namen der Gebäude anzeigt, welche der Nutzer von seiner Position aus auch tatsächlich sehen kann. Hierfür werden in der Arbeit Sichtbarkeitsanalysen im Allgemeinen und im Speziellen für GIS-Programme untersucht und vorgestellt. Auch die Beschriftung im dreidimensionalen Raum und auf dem Bildschirm von mobilen Geräten wird überblickshaft dargestellt. Abschließend wird der Campusführer getestet und bewertet sowie ein Fazit zum Thema Augmented Reality auf mobilen Endgeräten gegeben. / Undreamed-of possibilities in many areas of life and also in different economic sectors emerge owing to the rapid enhancement of technology. The constant advancement of mobile devices is also a gain for cartography. In this field some augmented reality applications have already been developed. In this thesis some augmented reality applications, not only with cartographic references, are introduced. Special attention is paid to their use on mobile devices. Furthermore a campus-guide is developed, which only displays the points of interest actually seen from the user's position. For this purpose the concept of viewsheds is introduced and examined both in general terms and especially in the use of GIS-programs. The labeling in a three-dimensional scene and on the screen of mobile devices is shortly discussed as well. Moving on, the campus-guide is tested and evaluated. Also a conclusion on the topic of augmented reality with mobile devices is given.

Inwieweit bisherige und prognostizierte Klimaänderungen Mittelgebirgsmoore beeinflussen, wurde am Beispiel der Mothhäuser Haide im Mittleren Erzgebirge untersucht. Mit den angewandten moorkundlichen Methoden und dem Vergleich von drei Landnutzungsszenarien (IST, pnV, Paläovegetation) mit drei Klimaszenarien (Messdaten 1981 - 2000, WEREX IV 2041-60, Paläoklima) lassen sich die Ökotopveränderungen der Moorfläche ableiten. Im Ergebnis wird ein Rückgang an nässeren Ökotopen prognostiziert, wobei der Charakter eines Moores aber erhalten bleibt. Anthropogene Einflüsse wie Straßenbau, Entwässerung und Torfabbau haben größere Veränderungen bewirkt als durch den Klimawandel zu erwarten sind. Die Wiederherstellung der hydrologischen Durchgängigkeit des Moores, d.h. die Beseitigung von Gräben und Barrieren, kann die negativen Folgen eines zukünftig wärmeren Klimas abpuffern. Hinweise des Herausgebers (Stand: 4. April 2011): Zu Seite 18, Abbildung 4: Die Temperaturreihe vom Hohenpeißenberg und die Temperaturrekonstruktionen nach Glaser (2001), welche diese Reihe mit berücksichtigt hat, weisen in der verwendeten Form Inhomogenitäten auf. Nach einer Homogenisierung durch den DWD wird deutlich, dass das mittlere Temperaturniveau um 1780 eher dem von 1970 entspricht. Die Folgejahre sind von einem Anstieg um ca. 1 °C gekennzeichnet (Glaser 2008). Zu Seite 20, Abschnitt 4.3.2: Die genannten Datenfehler wurden inzwischen behoben. Weil vergleichbare Unplausibilitäten nie ganz ausgeschlossen werden können, sind Qualitätsprüfungen von Beobachtungs- und Projektionsdaten vor jeder Datenanwendung durchzuführen. Zu Seite 20, Abschnitt 4.3.3: Das Regionalisierungsverfahren WEREX simuliert im Betrachtungszeitraum 10 Realisierungen. Statistische Kenngrößen sollten aus allen 10 Realisierungen für vorzugsweise 30-jährige Zeiträume abgeleitet werden. Abweichungen der statistischen Kenngrößen in Modelldaten von denen des beobachteten Datenkollektives sind modellimmanent und deshalb zu erwarten. Die dargestellten Ergebnisse ermöglichen keine abschließende Bewertung der statistischen Eigenschaften der Projektionsdaten. Klimaprojektionen liefern generell nur Annahmen einer möglichen Klimazukunft. Neben der Plausibilitätsprüfung sollte die Bewertung der Aussagen eines Modells möglichst immer in die Bandbreite der Ergebnisse vieler Modelle erfolgen.

Bisherige Auswertungen der Erosionsgefährdung stützen sich auf das landesweit verfügbare Digitale Geländemodell (DGM) mit einer Rasterweite von 20 m (DGM20). Das neu erstellte DGM2 bietet durch seine Rasterweite von 2 m erstmalig eine sehr hohe räumliche Auflösung. In Testgebieten wurden die Auswirkungen der neuen Datengrundlage DGM2 (Laserscanbefliegung) auf die Erosionsgefährdungsbewertung analysiert. Verschiedene DGM-Aufbereitungsverfahren sowie DGM-Rasterweiten wurden im Hinblick auf die Erosionsmodelle Erosion-3D und ABAG (Allgemeine Bodenabtragsgleichung) getestet. ABAG und Erosion-3D reagierten zum Teil unterschiedlich empfindlich auf die verschiedenen DGM-Varianten.

In drei Gebieten Sachsens wurde durch einen Forschungsverbund unter Leitung des LfULG die Nutzung der petrothermalen Geothermie zur Strom- und Wärmegewinnung untersucht. In der Elbezone im Raum Dresden, in Freiberg und Aue-Schneeberg wurden geologische, petrophysikalische und thermische Daten aufgearbeitet und dreidimensionale Modelle bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Stromerzeugung durch Tiefenaufschlüsse bis 5 km Tiefe in allen drei Untersuchungsgebieten möglich ist. Die Temperaturmodelle weisen in 5 km Tiefe Werte zwischen 105 und 190 °C auf. Dabei verfügt das Untersuchungsgebiet Aue-Schneeberg über die besten Voraussetzungen für die Errichtung eines Geothermiekraftwerkes.

Gute Gewässerqualität für alle europäischen Gewässer, der sogenannte »gute Zustand«, ist das Hauptziel der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie. Bei der Bewertung der Gewässer werden biologische, hydromorphologische, physikalische, chemische und mengenmäßige Kriterien berücksichtigt. Der Bericht beschreibt die Bewertungsverfahren und dokumentiert die detaillierten Ergebnisse der Zustandsbewertung aller 651 Oberflächenwasserkörper und 70 Grundwasserkörper in Sachsen. Enthalten ist auch eine Einschätzung, welche Gewässer bis 2015 den angestrebten guten Zustand erreicht haben werden und ein Überblick über die Strategien zur Verbesserung des Gewässerzustands in den wichtigsten Belastungsbereichen. Auf den angefügten Gewässerkarten lässt sich der ökologische und chemische Zustand der Oberflächengewässer sowie der chemische und mengenmäßige Zustand der Grundwasserkörper für ganz Sachsen ablesen.

Erstmalig wird in dieser Bergbaumonografie die Sparte Braunkohlenbergbau einer größeren Region (Südraum Leipzig) zusammenfassend abgehandelt. Dabei kam es dem umfangreichen Autorenkollektiv unter Leitung von Dr. Andreas Berkner vorrangig auf eine ausgewogene Darstellung der Entwicklung, der aktiven Gewinnung und Aufbereitung sowie der weitgehend sanierten Hinterlassenschaften der Braunkohlenindustrie dieses Raumes an. Zu den entwicklungsgeschichtlich positiven Seiten des Braunkohlenbergbaus zählen u.a. - die Entwicklung des Braunkohlenbergbaus ab Mitte des 19. Jahrhunderts, seine Rolle als Katalysator für die Industrialisierung Mitteldeutschlands; - die Einführung von wichtigen technischen Innovationen in der Kohleveredlung (Brikettierung, Verstromung, Verschwelung, Hydrierung), die teilweise Hochtechnologien ihrer Zeit verkörperten; - die Tatsache, dass bis zu 35 000 Menschen im Südraum Leipzig in diesem Industriezweig Lohn und Brot fanden, indem sie zur landesweiten Energieversorgung beitrugen; - dass seit 1990 Wege gefunden wurden, bedarfsentsprechende und akzeptanzfähige Bergbaufolgelandschaften zu entwickeln und zu gestalten. Unübersehbar sind jedoch auch die Hinterlassenschaften des Braunkohlenbergbaus, die u.a. - in der Gewinnung von über 3 Mrd. t Kohle und rund 10 km³ Abraummassen bestehen; - sich in der Überbaggerung von rund 250 km² Gesamtfläche mit »gewachsenem« Boden auswirkte; - den Gebietswasserhaushalt mit einer Grundwasserabsenkung auf über 500 km² und bis zu 70 m Tiefe nachhaltig beeinflusste und - das Siedlungsnetz aufgrund der ca. 70 Komplett- und Teilortsverlegungen mit rund 23.000 betroffenen Menschen schwer beeinträchtigte, was das Gebietsimage langzeitig negativ beeinflusste.