Einen großräumigen Überblick über ein Gebiet von Interesse können Satellitenbilddaten ermöglichen. Dabei werden räumliche Beziehungen erkennbar und lassen sich untersuchen. Die Bestimmung der räumlichen Verteilung und des zeitlichen Ausmaßes eines großräumigen Ereignisses, wie einer Überflutung, ist oftmals nur mit Unterstützung von fernerkundlichen Daten möglich. Es besteht der Bedarf an kontinuierlichen Informationen über den Zustand eines Systems über einen längeren Zeitraum, wenn Zusammenhänge zwischen den natürlichen Schwankungen und unterschiedlichen anthropogenen sowie natürlichen Einflüssen untersucht werden sollen. Das Nigerbinnendelta in der Republik Mali nimmt in der semi-ariden Region eine besondere Stellung ein, da es sich um einen Gunststandort handelt, der wesentlich zur wirtschaftlichen Entwicklung der Region beiträgt. Die im Rahmen dieser Arbeit zu erstellende Datenbasis beruht auf SAR-Daten, deren größter Vorteil in der Wetter- und Tageszeitunabhängigkeit liegt. Eine Herausforderung bei der Nutzung von Radaraufnahmen sind die spezielle Bildgeometrie, der auftretende Speckle-Effekt sowie das komplexe Rückstreuverhalten der Strahlung. Die Datenbasis bilden ERS- und Envisat-Aufnahmen, deren Auswertung zunächst die Datenaufbereitung bzw. die Vorverarbeitung, u. a. in Form einer radiometrischen Kalibrierung und einer Speckle-Filterung, vorangestellt ist. Die Anwendung von pixelbasierten Auswertemethoden ist aufgrund der radiometrischen Eigenschaften der Daten weniger geeignet, weshalb die in der Fernerkundung neuere objektorientierte und wissensbasierte Klassifikation zur Anwendung kam. Das Fehlen von zeitnah erhobenen Geländebeobachtungen sowie das komplexe Rückstreuverhalten der Mikrowellen erfordern eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem Untersuchungsgebiet sowie mit dem Verhalten der C-Band SAR-Daten in Feuchtgebieten. Innerhalb der SAR-Daten treten vermehrt Überschneidungen in der Rückstreuung unterschiedlicher Landbedeckungen auf. Deren Trennung erfordert Vorkenntnisse über die Ausbreitung der Landbedeckungen zu unterschiedlichen hydrologischen Stadien. Die zum Aufbau der wissensbasierten Auswertung erfolgte Auseinandersetzung mit dem Untersuchungsgebiet beinhaltete neben der geographischen Aufbereitung die Erstellung einer Vergleichsbasis, basierend auf multispektralen Aufnahmen. Auf Grundlage je einer Aufnahme während sowie nach der Überschwemmung wurden für die objektorientierte Klassifikation zwei Regelwerke, in die neben der auszuwertenden SAR-Aufnahme zusätzliche Informationen wie z. B. der Texturparameter Entropie eingingen, erstellt. Das Ergebnis ist eine Datenbasis der Überschwemmungsflächen zu verschiedenen Aufnahmezeitpunkten. Die Evaluierung von zwei Klassifikationsergebnissen ergab eine sehr gute Trennung der überschwemmten und nicht überschwemmten Bereiche. Die aufbereiteten SAR-Daten geben einen Überblick über die Ressource Wasser für bereits vergangene Zeitschnitte. Zusammen mit aktuellen Informationen können diese einen Beitrag für ein nachhaltiges Management dieser Lebensgrundlage im Nigerbinnendelta leisten.

Das Umweltmonitoring ist ein Forschungsbereich, in dem unter anderem umweltrelevante Planungsaufgaben begleitet werden. Einen wichtigen Teil bilden dabei die Indikatoren, um ein Merkmal quantitativ zu beschreiben und auf Raumaspekte oder Prozesse zurückschlie-ßen zu können. Mit dem Indikator Siedlungsdichte wird beschrieben, wie viele Einwohner auf einem Quadratkilometer Siedlungs- und Verkehrsfläche leben. Er gibt damit Hinweise auf die Effizienz der Siedlungsflächennutzung und bietet damit auch qualitative Informati-onen. Durch flächensparende Maßnahmen im Neubau, der Nachverdichtung und Erhöhung der Baudichte, soll der Verringerung der Siedlungsdichte entgegengewirkt werden. Die Siedlungsdichte sagt jedoch nichts über die einzelne Nutzungseffizienz der Verkehrsflä-chen, Wohn- und Mischflächen oder den Siedlungsfreiflächen aus. Auch ist es nicht mög-lich, die Entwicklung der Siedlungsdichte mit der Entwicklung von Gemeinden zu verglei-chen. In dieser Arbeit wird unter Verwendung von Raumtypisierungen des BBSR (strukturelle Stadt-, Gemeinde und Kreistypen mit Wachstums- und Schrumpfungstypen) die Entwick-lung der Siedlungsdichte differenzierter analysiert. Damit sind Aussagen über Fehlentwick-lungen in den betrachteten Räumen präziser möglich. Die Untersuchung für die Effizienz von Wohnnutzung schließt sich entsprechend an. Damit konnten in einigen Gemeinden der Ausbau von Flächen für Wohnzwecke erkannt werden, trotz bestehender Bevölkerungs-rückgänge. Die Ergebnisse bieten die Möglichkeit, das Umweltmonitoring zu verbessern und raumrelevante Maßnahmen und Entwicklungen genauer bewerten zu können. / Environmental monitoring is a research area where, among other things, environmentally relevant planning task are accompanied. Indicators are an important part of this process to describe quantitative characteristic. They help to depict conclusions on spatial aspects or processes. The settlement density indicator is used to describe the number of inhabitants living on a square kilometre of settlement and traffic area. It provides qualitative infor-mations on the efficiency of used settlement area. The reduction of the settlement density can be avoided by area-saving measures in the new building, such as post-compacting and increasing the building density. However, the density of settlements does not reveal about the individual usage efficiency of the traffic areas, residential and mixed areas or the open spaces. Nor is it possible to compare the progress of settlement density with the develop-ment of municipalities. In this thesis, the progress of the settlement density is analysed in a more differentiated way using space typologies of the BBSR (structural urban, municipal and district types with growth and shrinkage types). This makes it possible to precise statements about aberration in municipal areas. The investigation for the efficiency of residential and mixed areas is fol-lowed suitably. Thus, it was possible in some municipalities to recognize the expansion of residential and mixed areas suitably despite population decline. The results provide the op-portunity to improve environmental monitoring and to evaluate the impact on space-rele-vant measures and developments more precisely.

Die Erhaltung der Umwelt gehört zu den wichtigsten Zukunftsaufgaben der Menschheit. Dazu kann jeder in seinen alltäglichen umweltrelevanten Verhaltensweisen einen Beitrag leisten. Mit der Analyse des Umweltverhaltens, einem zentralen Forschungsfeld der Umweltpsychologie, werden Möglichkeiten zur Verbesserung umweltrelevanter Verhaltensweisen aufgezeigt. Als Einflussfaktoren auf das Umweltverhalten haben sich nach Betrachtung verschiedener Modelle Verhaltensangebote, Handlungsanreize, Einstellungen, Werte, Umweltwissen, soziale Normen und wahrgenommene Konsequenzen (Rückkopplung) gezeigt. Mit der Revision der EMAS-Verordnung wird der Verbesserung der Umweltleistung in Organisationen vor allem unter Einbeziehung der Arbeitnehmer besondere Bedeutung zu gemessen. Damit rücken Betrachtungen zum Umweltverhalten der Organisationsmitglieder stärker in den Vordergrund. Durch die Befragung zum allgemeinen Umweltverhalten der Mitarbeiter an der TU Dresden wurde die Idee der Partizipation am Prozess der Einführung des Umweltmanagementsystems nach EMAS II an der TU Dresden umgesetzt, und der Ist-Zustand der umweltrelevanten Verhaltensweisen der Mitarbeiter erfasst. Die Ergebnisse aus der Clusteranalyse zeigen, dass 33,8 % der Befragten sich engagiert um den Umweltschutz an der TU Dresden bemühen. 17,9 % der befragten Mitarbeiter haben ein eher geringes Interesse und verhalten sich weniger umweltfreundlich. Bei 48,3 % der Untersuchungsteilnehmer wird deutlich, dass sie sich nur zum Teil umweltfreundlich verhalten (können), da Voraussetzungen nicht gegeben sind bzw. der persönliche Aufwand, Umweltverhalten an der TU Dresden zu zeigen, als zu hoch eingeschätzt wird. Dies zeigt, dass Handlungsbedarf von Seiten der TU Dresden besteht.

Biomass is an important ecological variable for understanding the responses of vegetation to the currently observed global change. The impact of changes in vegetation biomass on the global ecosystem is also of high relevance. The vegetation in the arid and semi-arid environments of Kazakhstan is expected to be affected particularly strongly by future climate change. Therefore, it is of great interest to observe large-scale vegetation dynamics and biomass distribution in Kazakhstan. At the beginning of this dissertation, previous research activities and remote-sensing-based methods for biomass estimation in semi-arid regions have been comprehensively reviewed for the first time. The review revealed that the biggest challenge is the transferability of methods in time and space. Empirical approaches, which are predominantly applied, proved to be hardly transferable. Remote-sensing-based Net Primary Productivity (NPP) models, on the other hand, allow for regional to continental modelling of NPP time-series and are potentially transferable to new regions. This thesis thus deals with modelling and analysis of NPP time-series for Kazakhstan and presents a methodological concept for derivation of above-ground biomass estimates based on NPP data. For validation of the results, biomass field data were collected in three study areas in Kazakhstan. For the selection of an appropriate model, two remote-sensing-based NPP models were applied to a study area in Central Kazakhstan. The first is the Regional Biomass Model (RBM). The second is the Biosphere Energy Transfer Hydrology Model (BETHY/DLR). Both models were applied to Kazakhstan for the first time in this dissertation. Differences in the modelling approaches, intermediate products, and calculated NPP, as well as their temporal characteristics were analysed and discussed. The model BETHY/DLR was then used to calculate NPP for Kazakhstan for 2003–2011. The results were analysed regarding spatial, intra-annual, and inter-annual variations. In addition, the correlation between NPP and meteorological parameters was analysed. In the last part of this dissertation, a methodological concept for derivation of above-ground biomass estimates of natural vegetation from NPP time-series has been developed. The concept is based on the NPP time-series, information about fractional cover of herbaceous and woody vegetation, and plants’ relative growth rates (RGRs). It has been the first time that these parameters are combined for biomass estimation in semi-arid regions. The developed approach was finally applied to estimate biomass for the three study areas in Kazakhstan and validated with field data. The results of this dissertation provide information about the vegetation dynamics in Kazakhstan for 2003–2011. This is valuable information for a sustainable land management and the identification of regions that are potentially affected by a changing climate. Furthermore, a methodological concept for the estimation of biomass based on NPP time-series is presented. The developed method is potentially transferable. Providing that the required information regarding vegetation distribution and fractional cover is available, the method will allow for repeated and large-area biomass estimation for natural vegetation in Kazakhstan and other semi-arid environments.

Reactive transport modelling has wide applications in geosciences. In the field of hydrogeology, it has been utilised to simulate the biogeochemical processes that disperse and degrade contaminants in the aquifer. For geotechnical applications, such as geological CO2 sequestration, the reaction of CO2 with the ambient saline aquifer determines the final success of storage. In a radioactive waste repository, scientists rely on reactive transport models to predict the mobilisation of hazardous radionuclides within space and time. In this work, the multi-component mass transport code OpenGeoSys, was coupled with two geochemical solvers, the Gibbs Energy Minimization Selektor (GEM) and the Biogeochemical Reaction Network Simulator (BRNS). Both coupled codes were verified against analytical solutions and simulation results from other numerical models. Moreover, the coupling interface was developed for parallel simulation. Test runs showed that the speed-up of reaction part had a very good linearity with number of nodes in the mesh. However, for three dimensional problems with complex geochemical reactions, the model performance was dominated by solving transport equations of mobile chemical components. OpenGeoSys-BRNS was applied to a two dimensional groundwater remediation problem. Its calculated concentration profiles fitted very well with analytical solutions and numerical results from TBC. The model revealed that natural attenuation of groundwater contaminants is mainly controlled by the mixing of carbon source and electron donor. OpenGeoSys-GEM was employed to investigate the retardation mechanism of radionuclides in the near field of a nuclear waste repository. Radium profiles in an idealised bentonite column was modelled with varying clay/water ratios. When clay content is limited, Ba-Sr-Ra sulfate solid solutions have a very strong retardation effect on the aqueous radium. Nevertheless, when clay mineral is abundant, cation exchange sites also attract Sr and Ba, thus dominates the transport of Ra.

Die bisherigen Untersuchungen zu den Folgen extremer Hochwasserereignisse beschäftigten sich überwiegend mit den durch hohe Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten verursachten direkten und tangiblen Schäden an Gebäuden und Infrastrukturen. Den durch schadstoffhaltiges Hochwasser hervorgerufenen direkten und indirekten sowie in der Regel intangiblen Konsequenzen für Mensch und Umwelt ist - insbesondere im Hinblick auf deren räumliche Verteilung - im Rahmen des Hochwasserrisikomanagements nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet worden. Während Hochwasserereignissen können toxische Stoffe - wie beispielsweise Arsen, Blei, Cadmium oder Quecksilber sowie persistente organische Kontaminanten wie DDT oder HCH - aus belasteten Gewässer- und Ufersedimenten sowie Altstandorten und Altablagerungen freigesetzt werden. Diese Stoffe werden von der Hochwasserwelle aufgenommen, zum überwiegenden Teil partikulär gebunden transportiert und bei nachlassender Fließgeschwindigkeit und ablaufendem Hochwasser als Sedimente in den Überflutungsbereichen deponiert. In Abhängigkeit von der Nutzung der überschwemmten Gebiete sind nach einem Hochwasser unterschiedliche Rezeptoren den abgelagerten Sedimenten und darin enthaltenen Schadstoffen in der Regel langfristig ausgesetzt. Mögliche Rezeptoren sind zum Beispiel Menschen, Nutz- und Wildtiere, Futter- und Nahrungspflanzen sowie Böden mit ihren spezifischen Bodenfunktionen. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer räumlich differenzierten Methodik zur integrierten Analyse und Bewertung von stofflichen Hochwasserrisiken. Um deren Anwendbarkeit zu überprüfen, wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Fallstudie an Überflutungsbereichen entlang des Unterlaufes der Vereinigten Mulde zwischen Bitterfeld und Priorau erprobt, wobei der Fokus auf dem Rezeptor Mensch liegt. Die Methodik basiert auf der Integration von Verfahren der Hochwasserrisikoanalyse und der Schadstoffrisikoanalyse. Diese werden unter Verwendung eines angepassten Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzeptes kombiniert. Die Methodik besteht aus drei größeren Hauptelementen: (1.) der Gefahrenanalyse, (2.) der Expositionsanalyse und (3.) der Schadstoffrisikocharakterisierung und -bewertung. Die Gefahrenanalyse beschreibt die Freisetzung, den Transport und die Ablagerung der Stoffe in Abhängigkeit von der Hochwassercharakteristik, den Substanzeigenschaften sowie den Verteilungsprozessen nach der Ablagerung, beispielsweise dem Transfer vom Boden in die Pflanze. Ergebnisse der Gefahrenanalyse sind Karten der Schadstoffquellen in Form räumlich verteilter Stoffkonzentrationen in Umweltmedien wie Böden und Pflanzen. Die Expositionsanalyse stellt die Verbindung zwischen den Schadstoffquellen und den Rezeptoren her. Bindeglied sind Expositionspfade, beispielsweise die orale Aufnahme von kontaminiertem Boden oder der Verzehr von Pflanzen, die auf belasteten Böden angebaut werden. Teil der Expositionsanalyse ist eine so genannte Rezeptoranalyse, die - aus Landnutzungstypen abgeleitet - Vorkommen bestimmter Rezeptoren identifiziert und diese charakterisiert. Dabei bezieht die Rezeptoranalyse sowohl die räumliche Verteilung der Rezeptoren als auch deren Eigenschaften ein. Für den Rezeptor Mensch sind dies etwa physiologische Parameter wie Körpergewicht oder Atemrate sowie verhaltensbezogene Parameter wie Zeit-Aktivitätsbudgets oder Nahrungsaufnahmeraten. Daran anschließend wird mit der Expositionsanalyse im engeren Sinne die Exposition der Rezeptoren gegenüber bestimmten Stoffen quantifiziert, indem Transfer- und Aufnahmeraten von Expositionsmedien wie Boden, Nahrung oder Luft ermittelt und mit den darin enthaltenen Stoffkonzentrationen in Beziehung gesetzt werden. Ergebnis der Expositionsanalyse sind räumlich explizite Darstellungen der inneren Exposition, d.h. täglich aufgenommener resorbierter Schadstoffmengen. Darauf folgend werden im Zuge der Risikocharakterisierung die Effekte der Exposition mit Hilfe von Dosis-Wirkungsbeziehungen analysiert, die dann in Form von toxikologisch begründeten Referenzwerten als Basis für die finale stoffbezogene Risikobewertung dienen. Diese erfolgt durch Vergleich der inneren Exposition mit toxikologischen Referenzwerten in Form von tolerablen Aufnahmeraten. Die gesundheitlichen Risiken werden durch den Quotienten aus resorbierter Dosis und tolerabler Dosis beschrieben und als stoff- und pfadspezifischer Risikoindex flächenhaft dargestellt. Abschließend erfolgt eine Bewertung der Risiken mittels einer die Unsicherheiten der Referenzwerte berücksichtigenden Bewertungsfunktion. Die Methodik ist in Form eines GIS-basierten Rechenmodells umgesetzt und im Rahmen einer Fallstudie an der Vereinigten Mulde für verschiedene hydraulische Szenarien im Sinne simulierter Abflüsse verschiedener Jährlichkeiten - 100, 200 und 500 Jahre - erprobt worden. Als ausgewählte Ergebnisse liegen räumlich differenzierte Risikobewertungen für die Stoffe Arsen, Cadmium, Quecksilber und Blei unterschieden nach den Expositionsmedien Boden/Hausstaub, Luft sowie pflanzliche Nahrung vor. Exemplarisch seien hier ausgewählte Bewertungsergebnisse in Form des sogenannten Gefahrenwertes für ein HQ500-Szenario dargestellt: Durch die orale Aufnahme von Arsen über Boden/Hausstaub wird für den Rezeptor Kleinkinder räumlich begrenzt die Risikoschwelle überschritten, wobei die Handlungsschwelle nicht erreicht wird. Die Ergebnisse für Cadmium, Quecksilber und Blei liegen deutlich unter der Risikoschwelle. Ein ähnliches Bild zeigt sich für die Aufnahme über die Luft. Hier wird bei lebenslanger Exposition für Arsen die Risikoschwelle überschritten, für die anderen Stoffe werden Gefahrenwerte weit unter der Risikoschwelle ermittelt. Bezogen auf den Verzehr von Nahrungspflanzen aus Eigenanbau zeigen sich bei lebenslanger Exposition für Cadmium großräumig erhebliche Überschreitungen des Handlungsschwellenwertes. Für die anderen Stoffe finden sich nahezu flächendeckend Überschreitungen des Risikoschwellenwertes, die aber nicht an die Maßnahmenschwelle heranreichen. / Research on the consequences of flood events has so far focused on direct tangible damages to buildings and infrastructure caused by high water levels and flow velocities. In the context of flood risk management only little interest has been paid to direct and indirect as well as dominantly intangible consequences caused by flood pollutants to human and ecological receptors - especially taking their spatial distribution into account. During floods toxic substances such as trace elements (e.g. Arsenium, Cadmium, Mercury, Lead, Zinc) and persistent organic pollutants (e.g. HCHs, DDX) can be released from contaminated river bank sediments or former industrial sites. These substances are taken up by the flood water, get transported - mainly bound to fine particles - and get deposited as sediments in the floodplain in case of decreasing flow velocities. Depending on the land use in the floodplain, different receptors can be exposed to the sediments with the associated contaminants. Potential receptors are humans, livestock, wild animals, food and fodder plants as well as soils with their specific soil functions. The core of this thesis is the development of a spatially explicit methodology which enables the integrated analysis and evaluation of substance-based flood risks. To test the applicability, the developed methodology is applied within a case study dealing with floodplains along the lower reaches of the Vereinigte Mulde River situated between Bitterfeld and Priorau (Saxony-Anhalt, Germany). In this case study, the focus is on the receptor man or, more specifically, human health. The methodology is based on an integration of procedures from the fields of flood risk analysis and contaminant risk analysis. These procedures are integrated using an adopted Source-Pathway-Receptor-Consequence concept. The three main elements of the methodology are hazard analysis, exposure analysis and contaminant risk determination and evaluation. At first, the hazard analysis describes the release, transport and deposition of substances based on flood characteristics and substance properties as well as fate and transfer processes after sedimentation (e.g. soil-to-plant transfer). Results of the hazard analysis are maps of spatially distributed substance concentrations in environmental media such as soils and plants, i.e. the (secondary) contaminant sources. Within the exposure analysis the linkages between the contaminant sources and the receptors are described. Connecting elements are exposure pathways such as the ingestion of contaminated soil or the consumption of food produced on such soils. Part of the exposure analysis is a so-called receptor analysis which indicates and characterises potential human receptors that are derived from land-use types. The receptor analysis takes the receptors\' spatial distribution as well as certain properties into account. Taking the receptor human, these properties are physiological parameters such as body weight or respiration rate and behavioural parameters, e.g. activity budgets or food consumption patterns. Subsequently, with the exposure analysis in a narrower sense, the exposure of the receptors to a certain substance is quantified by calculating transfer and intake rates of exposure media such as soil, food or air taking into account the corresponding substance concentrations in these media. Results of the exposure analysis are spatially explicit representations of absorbed contaminant amounts for a certain receptor, i.e. daily resorbed exposure doses. In the course of the contaminant risk determination, the effects (consequences) of the receptors\' exposure are analysed by dose-response relationships, setting the basis for the final substance-based risk assessment in terms of toxicologically derived reference values. Health risks are expressed as ratio between calculated resorbed dose and tolerable resorbed dose and are presented as maps of substance- and pathway-specific risk indices. In a final step, an evaluation is carried out based on a method that takes the uncertainty of the toxicological reference values into account. The methodology has been implemented in a GIS-based calculation model and was applied within a case study to simulate floods with certain return periods (100, 200, and 500 years). Selected results are spatially differentiated risk evaluations for the substances arsenic, cadmium, mercury and lead distinguished based on the exposure media soil/house dust, air and home-grown vegetable food. Taking the 500-year flood-scenario and the risk evaluation value as an example, the following results have been derived: the oral intake of arsenic via soil/house dust leads to a spatially restricted exceedance of the risk level of the receptor infant, whereas the action level is not reached. The results of cadmium, mercury and lead are clearly below the risk level. A similiar pattern shows for the pulmonary intake via air. Based on lifetime exposure, the risk level for arsenic is exceeded, for all other substances the values are far below the risk level. Considering the intake of cadmium via consumption of home-grown vegetables, the action level is notably exceeded in large areas. The other substances show a nearly general exceedance of the risk level without reaching the action level.

This study investigates the aspects of resilience in the management strategies of the key stakeholders of flood risk management in the city of Accra, Ghana. The overall objective is to analyse the response capacity in the strategies of the key stakeholders in flood risk management for managing the unexpected course of flood disasters in addition to the expected features of flood risk. To achieve the set objective, the following research questions are addressed: Who are the key stakeholders of flood risk management in the city of Accra? How are these stakeholders dealing with the unexpected course of flood disasters in addition to the expected features of flood risk in their management strategies? How could the capacity of the strategies for responding to the unexpected course of flood disasters be advanced? The inductive case study design applies document analyses, semi-structured interviews as well as key stakeholder identification and validation methods. Scientific and policy documents about resilience and flood risk management were reviewed. The research participants were mainly directors and representatives of organisations in flood risk management of the study. Empirical findings include key stakeholders in flood risk management as well as aspects of resilience and anticipation in flood risk management strategies. The main finding on the key stakeholders of flood risk management are national, district, civil society, and private sector organisations as well as traditional authorities (local chiefs). Aspects of resilience in flood risk management strategies comprises omnivorousness, agile and timely flow of response resource, homoeostasis, flatness of the response structure and process, redundancy of the response resources and buffer capacity. Findings revealed resilience regarding diversity in sources of resource and responses for dealing with unexpected course of flood disasters. The aspects of anticipation are described as resistance to known risk, maintenance of boundary conditions of the management strategies and specialisation for dealing with specific flood risk within and among organisations. Regarding anticipation, results indicate that there are measures for resisting known flood risk but their implementation is ineffective. Based upon the findings, hypotheses are derived for advancement of resilience and anticipation in flood risk management strategies. Involvement of the local chiefs, Slum Union of Ghana, Local Development Associations of flood-prone communities and key private sector organisations in flood risk management strategies in the city of Accra would amend their response capacities in diversity of sources of response resources and allow for advanced resilience regarding their responses to the impacts of land-use changes and the waste disposal in watercourses. Recommendations refer to prospects to advance the response capacity of key stakeholders of flood risk management strategies by integrating traditional authorities and private organisations in flood risk management in the city of Accra. / Diese Arbeit untersucht Aspekte von Resilienz in den Strategien von Schlüsselakteuren des Hochwasserrisikomanagements in der Stadt Accra (Ghana). Das übergeordnete Ziel besteht darin, das Reaktionsvermögen dieser Akteure in ihren Management-Strategien nicht nur hinsichtlich des erwarteten, sondern vor allem hinsichtlich des unerwarteten Verlaufs von Hochwasserkatastrophen zu untersuchen. Die folgenden drei Forschungsfragen werden untersucht: Wer sind die Schlüsselakteure des Hochwasserrisikomanagements in der Stadt Accra? Wie berücksichtigen diese Akteure in ihren Management-Strategien den unerwarteten Verlauf von Hochwasserkatastrophen zusätzlich zu dem erwarteten Verlauf? Wie könnte das Reaktionsvermögen bezüglich des Umgangs mit dem unerwarteten Verlauf von Hochwasserkatastrophen in diesen Strategien ausgeweitet werden? Im Rahmen des induktiven Fallstudiendesigns werden Dokumentenanalysen, halbstandardisierte Interviews und Gruppendiskussionen eingesetzt. Die daraus resultierenden empirischen Befunde beziehen sich neben der Identifikation der Schlüsselakteure des Hochwasserrisikomanagements auch auf die Aspekte von Resilienz und Antizipation in ihren Management-Strategien. Zu den Schlüsselakteuren zählen nationale und lokale Organisationen, aber auch solche aus der Zivilgesellschaft, dem privaten Sektor und traditionelle Autoritäten. Bei den Aspekten von Resilienz in den Hochwasserrisikomanagement-Strategien handelt es sich um ganzheitliche Herangehensweisen, regen und zeitnahen Einsatz von Ressourcen zur Ereignisbewältigung sowie Pufferkapazitäten. Die Ergebnisse zeigten Widerstandsfähigkeit in Bezug auf die Vielfalt in den Quellen von Ressourcen und Antworten auf den unerwarteten Verlauf von Hochwasserkatastrophen. Die Ergebnisse hinsichtlich der Antizipation von Hochwasserrisikomanagement-Strategien umfassen den Widerstand gegen das bekannte Risiko, die Aufrechterhaltung von Rahmenbedingungen der Management-Strategien und die Spezialisierung auf bestimmte Hochwasserrisiken. Auf den Erkenntnissen über die Aspekte von Resilienz und Antizipation in den Hochwasserrisikomanagement-Strategien aufbauend werden Hypothesen abgeleitet. In den Handlungsempfehlungen werden die Chancen einer Integration traditioneller Autoritäten und anderer Interessensgruppen in das Hochwasserrisikomanagement der Stadt Accra aufgezeigt, wodurch eine Weiterentwicklung der Resilienz in den Hochwasserrisikomanagement-Strategien für die Zukunft erreicht werden kann.

Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management. / Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement.