In this thesis the interplay between hydrodynamic transport and specific adhesion is theoretically investigated. An important biological motivation for this work is the rolling adhesion of white blood cells experimentally investigated in flow chambers. There, specific adhesion is mediated by weak bonds between complementary molecular building blocks which are either located on the cell surface (receptors) or attached to the bottom plate of the flow chamber (ligands). The model system under consideration is a hard sphere covered with receptors moving above a planar ligand-bearing wall. The motion of the sphere is influenced by a simple shear flow, deterministic forces, and Brownian motion. An algorithm is given that allows to numerically simulate this motion as well as the formation and rupture of bonds between receptors and ligands. The presented algorithm spatially resolves receptors and ligands. This opens up the perspective to apply the results also to flow chamber experiments done with patterned substrates based on modern nanotechnological developments. In the first part the influence of flow rate, as well as of the number and geometry of receptors and ligands, on the probability for initial binding is studied. This is done by determining the mean time that elapses until the first encounter between a receptor and a ligand occurs. It turns out that besides the number of receptors, especially the height by which the receptors are elevated above the surface of the sphere plays an important role. These findings are in good agreement with observations of actual biological systems like white blood cells or malaria-infected red blood cells. Then, the influence of bonds which have formed between receptors and ligands, but easily rupture in response to force, on the motion of the sphere is studied. It is demonstrated that different states of motion-for example rolling-can be distinguished. The appearance of these states depending on important model parameters is then systematically investigated. Furthermore, it is shown by which bond property the ability of cells to stably roll in a large range of applied flow rates is increased. Finally, the model is applied to another biological process, the transport of spherical cargo particles by molecular motors. In analogy to the so far described systems molecular motors can be considered as bonds that are able to actively move. In this part of the thesis the mean distance the cargo particles are transported is determined. / In der vorliegenden Arbeit wird das Zusammenspiel zwischen hydrodynamischem Transport und spezifischer Adhäsion theoretisch untersucht. Eine wichtige biologische Motivation für diese Arbeit ist die rollende Adhäsion weißer Blutkörperchen, die experimentell in Flusskammern untersucht wird. Die spezifische Adhäsion wird durch schwache Bindungen zwischen komplementären molekularen Bausteinen vermittelt, die sich einerseits auf der Zelloberfläche, Rezeptoren genannt, andererseits auf der unteren begrenzenden Platte der Flusskammer, Liganden genannt, befinden. Das untersuchte Modellsystem besteht aus einer festen Kugel, die mit Rezeptoren bedeckt ist und sich unter dem Einfluss einer einfachen Scherströmung, deterministischer Kräfte und der Brownschen Molekularbewegung oberhalb einer mit Liganden bedeckten Wand bewegt. Es wird ein Algorithmus angegeben, mit dessen Hilfe diese Bewegung sowie das Entstehen und Reißen von Bindungen zwischen Rezeptoren und Liganden numerisch simuliert werden kann. In der numerischen Modellierung werden die Positionen von Rezeptoren und Liganden räumlich aufgelöst, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, die Ergebnisse auch mit Flusskammerexperimenten, in denen moderne nanotechnologisch strukturierte Substrate verwendet werden, zu vergleichen. Als Erstes wird der Einfluss von Strömungsrate sowie Zahl und Form der Rezeptoren bzw. Liganden auf die Wahrscheinlichkeit, mit der es zu einer Bindung kommen kann, untersucht. Hierfür wird die mittlere Zeit bestimmt, die vergeht bis zum ersten Mal ein Rezeptor mit einem Liganden in Kontakt kommt. Dabei stellt sich heraus, dass neben der Anzahl der Rezeptoren auf der Kugel insbesondere der Abstand, welchen die Rezeptoren von der Oberfläche haben, eine große Rolle spielt. Dieses Ergebnis ist in sehr guter Übereinstimmung mit tatsächlichen biologischen Systemen wie etwa weißen Blutkörperchen oder mit Malaria infizierten roten Blutkörperchen. Als Nächstes wird betrachtet, welchen Einfluss Bindungen haben, die sich zwischen Rezeptoren und Liganden bilden, aber unter Kraft auch leicht wieder reißen. Dabei zeigt sich, dass verschiedene Bewegungstypen auftreten, beispielsweise Rollen, deren Erscheinen in Abhängigkeit wichtiger Modellparameter dann systematisch untersucht wird. Weiter wird der Frage nachgegangen, welche Eigenschaften von Bindungen dazu führen können, dass Zellen in einem großen Bereich von Strömungsraten ein stabiles Rollverhalten zeigen. Abschließend wird das Modell auf einen etwas anderen biologischen Prozess angewendet, nämlich den Transport kugelförmiger Lastpartikeln durch molekulare Motoren. In Analogie zu den bisher beschriebene Systemen können diese molekularen Motoren als sich aktiv bewegende Bindungen betrachtet werden. In diesem Teil der Arbeit wird ermittelt, wie weit die Lastpartikel im Mittel transportiert werden.

In dieser Arbeit wird das eindimensionale Kondo-Gitter-Modell untersucht, das die Wechselwirkung eines Gitters lokaler magnetischer Momente mit unkorrelierten Leitungselektronen beschreibt. Mit Hilfe der Methode der kontinuierlichen unitären Transformationen (Flussgleichungen) wird das Modell im Parameterbereich schwacher Wechselwirkungsstärke betrachtet. In diesem Bereich zeigt das Modell so genanntes Luttinger-Flüssigkeitsverhalten. Im Rahmen der Flussgleichungsmethode wird der Hamilton-Operator auf ein effektives Modell abgebildet, in dem Elektronen und Spinmomente vollständig entkoppelt sind. Das Resultat dieses Prozesses ist ein Modell, das ein nichtwechselwirkendes Elektronengas und eine Heisenberg-Spinkette beschreibt. Das Eigenwertproblem der Heisenberg-Kette wird im Rahmen einer Schwinger-Boson-Molekularfeld-Theorie beschrieben. Zur Charakterisierung der Grundzustandseigenschaften des eindimensionalen Kondo-Gitter-Modells wurden verschiedene Erwartungswerte und Korrelationsfunktionen betrachtet. Neben statischen Größen, wie der Ladungskorrelationsfunktion der Elektronen oder der Spinkorrelationsfunktion der lokalen Spinmomente, werden dynamische Größen, wie die elektronische Zustandsdichte oder die dynamischen Spinstrukturfaktoren der Elektronen und der lokalen Spinmomente, berechnet. / The one-dimensional Kondo lattice model is investigated. This model describes the interaction between a lattice of local magnetic moments and uncorrelated conduction electrons. It is studied by means of the continuous unitary transformation's method (flow equations) within the parameter regime of weak interaction strength. Here the model shows so called Luttinger liquid behaviour. Within the framework of the flow equation's method the original Hamiltonian is mapped on an effective model, where electrons and local moments are completely decoupled. The result of this process is a model describing a non-interacting electron gas and a Heisenberg spin chain. The eigenvalue problem of the Heisenberg chain is described within a Schwinger bosons molecular field theory. In order to characterise the ground state properties of the one-dimensional Kondo lattice model different expectation values and correlation functions are investigated. Beside static properties like the charge correlation function of the electrons or the local moment's spin correlation function, dynamic properties are determined, like the electronic density of states or the dynamic spin structure factor of both the electrons and the local moments.

This paper presents a bio-inspired approach for optical flow data interpretation based on fuzzy inference decision making for visual mobile robot navigation. The interpretation results of regionally averaged optical flow patterns with pyramid segmentation of the optical flow field deliver fuzzy topological and topographic information of the surrounding environment (topological structure from motion). It allows a topological localization in a global map as well as controlled locomotion (obstacle avoidance, goal seeking) in a changing and dynamic environment. The topological optical flow processing is embedded in a behavior based mobile robot navigation system which uses only a mono-camera as primary navigation sensor. The paper discusses the optical flow processing approach as well as the rule based fuzzy inference algorithms used. The implemented algorithms have been tested successfully with synthetic image data for a first verification and parameter tuning as well as in a real office environment with real image data.

Im Rahmen des Pilotprojektes Mulde wurde die Schwermetallbelastung landwirtschaftlich und gärtnerisch genutzter Böden untersucht. Als Ergebnis der Bodenuntersuchungen und der Boden-Pflanze-Beziehungen wurden Belastungskarten der untersuchten Gebiete angefertigt.

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In dieser Arbeit werden Konzepte für die Diagnostik der großskaligen Zirkulation in der Troposphäre und Stratosphäre entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf dem Energiehaushalt, auf der Wellenausbreitung und auf der Interaktion der atmosphärischen Wellen mit dem Grundstrom. Die Konzepte werden hergeleitet, wobei eine neue Form des lokalen Eliassen-Palm-Flusses unter Einbeziehung der Feuchte eingeführt wird. Angewendet wird die Diagnostik dann auf den Reanalysedatensatz ERA-Interim und einen durch beobachtete Meerestemperatur- und Eisdaten angetriebenen Lauf des ECHAM6 Atmosphärenmodells. Die diagnostischen Werkzeuge zur Analyse der großskaligen Zirkulation sind einerseits nützlich, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems weiter zu fördern. Andererseits kann das gewonnene Verständnis des Zusammenhangs von Energiequellen und -senken sowie deren Verknüpfung mit synoptischen und planetaren Wellensystemen und dem resultierenden Antrieb des Grundstroms auch verwendet werden, um Klimamodelle auf die korrekte Wiedergabe dieser Beobachtungen zu prüfen. Hier zeigt sich, dass die Abweichungen im untersuchten ECHAM6-Modelllauf bezüglich des Energiehaushalts klein sind, jedoch teils starke Abweichungen bezüglich der Ausbreitung von atmosphärischen Wellen existieren. Planetare Wellen zeigen allgemein zu große Intensitäten in den Eliassen-Palm-Flüssen, während innerhalb der Strahlströme der oberen Troposphäre der Antrieb des Grundstroms durch synoptische Wellen verfälscht ist, da deren vertikale Ausbreitung gegenüber den Beobachtungen verschoben ist. Untersucht wird auch der Einfluss von arktischen Meereisänderungen ausgehend vom Bedeckungsminimum im August/September bis in den Winter. Es werden starke positive Temperaturanomalien festgestellt, welche an der Oberfläche am größten sind. Diese führen vor allem im Herbst zur Intensivierung von synoptischen Systemen in den arktischen Breiten, da die Stabilität der troposphärischen Schichtung verringert ist. Im darauffolgenden Winter stellen sich barotrope bis in die Stratosphäre reichende Änderungen der großskaligen Zirkulation ein, welche auf Meereisänderungen zurückzuführen sind. Der meridionale Druckgradient sinkt und führt so zu einem Muster ähnlich einer negativen Phase der arktischen Oszillation in der Troposphäre und einem geschwächten Polarwirbel in der Stratosphäre. Diese Zusammenhänge werden ebenfalls in einem ECHAM6-Modelllauf untersucht, wobei vor allem der Erwärmungstrend in der Arktis zu gering ist. Die großskaligen Veränderungen im Winter können zum Teil auch im Modelllauf festgestellt werden, jedoch zeigen sich insbesondere in der Stratosphäre Abweichungen für die Periode mit der geringsten Eisausdehnung. Die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen von der Troposphäre in die Stratosphäre ist in ECHAM6 mit sehr großen Abweichungen wiedergegeben. Somit stellt die Wellenausbreitung insgesamt den größten in dieser Arbeit festgestellten Mangel in ECHAM6 dar. / In this study concepts for the diagnostics of the large-scale circulation in the troposphere and the stratosphere are developed. Therefore the energy budget, wave propagation and the interaction between waves and the mean flow are analyzed. A corresponding set of diagnostic methods is derived. Furthermore a new type of localized Eliassen Palm Fluxes including moisture fluxes is introduced. These diagnostic methods are then applied to the ERA-Interim reanalysis and to a run of the ECHAM6 atmospheric model forced with observed sea surface temperatures and sea ice data. The diagnostics of the large scale circulation are useful to enhance the understanding of the climate system dynamics. Furthermore the knowledge of the relation between energy sources and sinks, atmospheric waves on planetary and synoptic scales and their forcing of the mean flow is applicable to validate global climate models. The results presented here show small deviations in terms of the energy balance in ECHAM6 but large discrepancies in terms of wave propagation. On the one hand Eliassen Palm fluxes connected to planetary waves are generally too strong. On the other hand the mean flow forcing within upper tropospheric jet streams by synoptic scale waves does not agree with observations, since the vertical propagation is shifted. A second part of this study analyses the influence of Arctic sea ice anomalies at the sea ice minimum in August/September on atmospheric conditions. Strong positive temperature anomalies with their maximum at the surface are observed. In autumn they lead to intensified synoptic scale systems, because of a reduced atmospheric vertical stability. A large-scale barotropic circulation pattern up to the stratosphere appears in winter related to previous late summer sea ice changes. A reduced meridional pressure gradient leads to a pattern related to a negative phase of the Arctic Oscillation in the troposp here as well as related to a weaker stratospheric polar vortex. The same analysis performed with an ECHAM6 model run shows a too small warming of Arctic latitudes. While tropospheric changes in the Arctic are covered by the model to some degree, the stratosphere shows large discrepancies in reproducing the observed changes in the low ice period. The vertical propagation of planetary waves from the troposphere into the stratosphere is reproduced with large differences. Accordingly this study shows the largest errors in ECHAM6 related to atmospheric wave propagation.

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

Im Rahmen des Pilotprojektes Mulde wurde die Schwermetallbelastung landwirtschaftlich und gärtnerisch genutzter Böden untersucht. Als Ergebnis der Bodenuntersuchungen und der Boden-Pflanze-Beziehungen wurden Belastungskarten der untersuchten Gebiete angefertigt.

Climate change and land use transition are the main drivers of watershed hydrological processes. The main objective of this study was to assess the hydrometeorological responses to climate and land use changes in the Jhelum River Basin (JRB), Pakistan. The development of proper climate information is a challenging task. To date, Global Climate Models (GCMs) are used for climate projections. However, these models have a coarse spatial resolution, which is not suitable for regional/local impact studies such as water resources management in the JRB. Therefore, different downscaling methods and techniques have been developed as means of bridging the gap between the coarse resolution global models projection and the spatial resolution required for hydrological impact studies. Statistical Downscaling Model (SDSM) and Long Ashton Research Station Weather Generator (LARS-WG) are selected in this study for downscaling of temperature and precipitation. Both downscaling approaches consider three climate models and two emission scenarios (i.e., RCP4.5 and RCP8.5) in order to sample the widest range of uncertainties in climate projections. Current land use and land cover (LULC) maps are generated from Landsat imagery to analyze the pattern and dynamic of land use change. Both climate projections and LULC are fed into SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrological model to investigate the streamflow dynamics. The results indicate good applicability of SDSM and LARS-WG for downscaling of temperature and precipitation in three future periods (2020s, 2050s and 2080s). Both models show an increase mean annual max temperature, min temperature and precipitation as 0.4-4.2°C, 0.3-4.2°C and 4.4-32.2% under both RCPs scenarios. Similarly, results of SWAT model suggest an increase in mean annual discharge about 3.6 to 28.8% under RCP4.5 and RCP8.5. The study also revealed that water yield and evapotranspiration in the eastern part of the basin (sub-basins at high elevation) would be most affected by climate change. The results of LULC change detection show that forest exhibited maximum positive change while agriculture showed maximum negative change during 2001-2018. SWAT model simulations suggested that implementation of afforestation in the watershed would reduce surface runoff and water yield while enhancing the evapotranspiration. It is recommended that authorities should pay attention to both climate change and land use transition for proper water resources management.