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A combined study on earth's deep water cycle using numerical modelling and laboratory experiments

  Link zum kostenlosen Volltext   

[Quelle: https://d-nb.info]

Eine kombinierte Studie über den tiefen Wasserkreislauf der Erde mittels numerischer Modellierung und Laborexperimenten. Die Besonderheit der Erdoberfläche gegenüber anderen Planeten ist der Reichtum an flüssigem Wasser an der Oberfläche. Dieses Wasser wurde während der Akkretionsphase des Planeten von felsigen Asteroiden sowie einem geringen Beitrag von Kometen und protosolarem Nebelgas eingetragen. Experimentelle Beweise zeigen, dass Wasser in viele der das Erdinnere bildenden Mineralien eingebunden werden kann und dass, wenn Wasser in den kristallinen Strukturen enthalten ist, es die physikalischen Eigenschaften von Mineralien verändert und so Deformationsprozesse fördert. Daher sind wasserführende Gesteine im Vergleich zu ihren trockenen Gegenstücken weniger dicht und schwächer. Geophysikalische Beobachtungen und natürliche Proben zeigen, dass Wasser tatsächlich im Erdmantel, hauptsächlich in der Mantelübergangszone (MTZ) konzentriert, vorhanden ist. Diese Region wird von zwei seismischen Diskontinuitäten in 410 und 660 km Tiefe begrenzt und ist durch das Vorkommen von zwei Mineralien mit hoher Wasserlöslichkeit gekennzeichnet: Wadsleyit und Ringwoodit. Durch die Subduktion der ozeanischen Lithosphäre (ozeanischer Platten), wird Wasser ins Erdinnere transportiert. Dieser Wasserabgabemechanismus ist auch als „Tiefer Wasserkreislauf“ bekannt und könnte das Schlüsselelement für den Beginn der Plattentektonik auf der Erde darstellen. Ein wesentliches Werkzeug zur Erforschung der Rolle von Wasser für der Plattentektonik ist die numerische Modellierung. Mit dieser Technik ist es möglich, viele physikalische Phänomene, die auf der Erde auftreten, durch die selbstkonsistente Simulation der Mantelkonvektion zu reproduzieren. Dies wird durch die Lösung der maßgebenden Gleichungen der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung, auch bekannt als Stokes-Gleichungen, erreicht. Die Komplexität dieser Gleichungen erfordert die Verwendung von Näherungsverfahren wie der Finite Differenzen (FD), um die Ableitungen über Zeit und Raum zu lösen. Die Rückkopplungsschleife zwischen mineralphysikalischen Einschränkungen, numerischer Modellierung und geophysikalischen Beobachtungen stellt die beste Strategie dar, um das Erdinnere zu enträtseln. Dennoch bleiben trotz anhaltender Bemühungen der Geowissenschaft viele Fragen zum tiefen Wasserkreislauf der Erde unbeantwortet. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Hydratationszustand der MTZ. Ihr Ziel ist die Behandlung dreier verschiedener Aspekte des Themas, nämlich: (1) Mineralphysikalische Messungen zur Ermittlung des Einflusses von Wasser auf die Wärmeleitfähigkeit von Ringwoodit; (2) Erstellung eines Modells mit erdähnlichen beweglichen Platten unter Minimierung der Auswirkungen numerischer Parameter; und (3) Analyse der Parameter, die eine Stagnation der abtauchenden Platte in der MTZ, welche zur Wasseranreicherung in dieser Region führen kann, ermöglichen. In Projekt (1) wurden wasserhaltige Ringwoodit-Kristalle mit Multi-Amboss-Experimenten synthetisiert und durch Röntgenbeugung, Elektronenmikrosondenanalyse und Infrarotspektroskopie charakterisiert. Die Proben wurden in eine Diamantambosszelle geladen, um Messungen unter den Hochdruckbedingungen der MTZ durchzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit von Ringwoodit, Λ(Rw), wurde mit der Zeitbereichs-Thermoreflexionsmethode gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Anwesenheit von 1.73 wt% Wasser Λ(Rw) um 40% reduziert. Aus dieser Analyse konnte eine parametrisierte Gleichung abgeleitet werden, um Λ(Rw) als Funktion von Druck und Wassergehalt zu extrapolieren. Mit diesem Werkzeug wurde die großräumige thermische Entwicklung einer Platte untersucht. Die Berechnungen wurden unter der Annahme einer in der MTZ stagnierenden Platte durchgeführt, die durch den warmen Umgebungsmantel zunehmend erwärmt wird. Ein numerischer 1D-FD-Code wurde entwickelt, um die Wärmediffusionsgleichung zu lösen. Die abgeleitete Gleichung für Λ(Rw) wurde in das physikalische Modell der Platte aufgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass wasserhaltiges Ringwoodit die Erwärmung der Platte behindert und so die Erhaltung wasserführender Mineralien fördert. Im Projekt (2) wurde ein globales Modell zur Reproduktion von selbstkonsistentem plattenähnlichem Verhalten entworfen. Die Modelle wurden mit StagYY in einer 2D-Kugelringgeometrie berechnet. Das tektonische Regime eines Planeten wird durch die Bruchfestigkeit der Lithosphäre τy bestimmt. In der Natur können vier tektonische Regime identifiziert werden: Mikroplattentropfen, plattenartige und episodische Oberflächenerneuerung und Einzelplatte. Es zeigte sich, dass das tektonische Regime in den Modellen stark von der für die Diskretisierung verwendeten Gitterauflösung beeinflusst wird. Die modellierte Lithosphäre wird durch die Verringerung des horizontalen Gitterabstands ∆w geschwächt, während sie durch die Verringerung des vertikalen Gitterabstands ∆r stärker wird. Diese Effekte sind rein numerisch und resultieren aus der Interpolation der Stokes-Gleichungen. Es zeigte sich, dass die besten Ergebnisse durch eine genaue Auflösung der Lithosphäre erzielt werden, i.e. ∆w ≤40 km und ∆r ≤15 km. Im Projekt (3) wurden die Wechselwirkungen zwischen kalter, absinkender Platte und der 660 km Diskontinuität analysiert. Die Modelle wurden mit StagYY in einer 2D-Kugelringgeometrie berechnet. Aus den Modellen kann abgeleitet werden, dass die Stagnation der Platte in der MTZ durch drei Parameter gesteuert wird: (i) den Dichtesprung ∆ρ, der den Plattenzug verstärkt und die latente Wärme beeinflusst, die durch die Post-Spinell-Reaktion absorbiert wird; (ii) die negative Clapeyron-Steigung Υ, die eine Ablenkung des Phasenübergangs nach unten bewirkt; (iii) den Viskositätssprung ∆η, der das Absinken der Platte verlangsamt.

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Bücher, Broschüren

DWA-Themen T1/2021, August 2021. Auswirkungen von landwirtschaftlichen Maßnahmen auf die Beschaffenheit des Sicker- und Grundwassers
DWA-Themen, Band T1/2021
Inhaltsgleich mit DVGW-Information Wasser Nr. 109.
2021, 162 S., 106 Abb., 27 Tab.,

 

 

Der Themenband ergänzt das Merkblatt DWA-M 911 "Möglichkeiten der Effizienzkontrolle von Maßnahmen zur grundwasserschonenden Bodennutzung am Beispiel des Stickstoffs" mit einer bundesweiten Beispielsammlung für den Einsatz von Maßnahmen, Anbauverfahren und Fruchtfolgen zur Reduzierung des Stickstoffaustrags in der Landwirtschaft. Die Beispiele umfassen einerseits betriebliche Maßnahmen und Verfahren zur Steuerung des Stickstoffaustrags. Andererseits werden Maßnahmen und Auswirkungen auf der Ebene von Einzugsgebieten mit einem breiten regionalen Querschnitt vorgestellt und schließlich Landesprogramme zur Nitratminderungsstrategie und Umsetzung der Vorgaben der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Zielgruppe: in der Landwirtschaft Tätige und landwirtschaftliche Berater*innen, Verantwortliche für die Steuerung der Nährstoffflüsse in der Umwelt. Der DWA-Themenband wird inhaltsgleich als DVGW-Information Wasser Nr. 109 erscheinen.

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DWA-Themen T2/2017, März 2017. Niederschlagserfassung durch Radar und Anwendung in der Wasserwirtschaft
DWA-Themen, Band T2/2017
2017, 99 S., 64 Abb., 5 Tab.,

 

 

Die Niederschlagsmessung mit Hilfe der Radartechnik hat seit den 90er Jahren stetig zugenommen. Dazu haben nicht nur die technischen Entwicklungen, sondern auch die zunehmenden Anforderungen der Nutzer beigetragen. In zahlreichen Projekten wurden bis heute gute Grundlagen für Vorsorgemaßnahmen und Handlungsoptionen für die Stadt- und Raumplanung, den Bevölkerungsschutz, die Wasserwirtschaft, die Energiewirtschaft und die Landwirtschaft entwickelt, um durch Starkregen besonders gefährdete Gebiete zu identifizieren und Grundlagen für deren Entwicklung bereitzustellen. Das Themenheft stellt den aktuellen Stand der Radarprodukte des Deutschen Wetterdienstes für die Niederschlagserfassung vor und bewertet und erläutert die Möglichkeiten und Grenzen von mit Radar erfassten Niederschlagsinformationen. Abschließend wird eine Übersicht über die Anwendungen der Radarprodukte in der Wasserwirtschaft gegeben.

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DWA-Themen T 2/2013, September 2013. Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser
DWA-Themen, Band T 2/2013
2013, 157 S., zahlr. Abb. u. Tab.,

 

 

Die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Grundwasserleitern und Oberflächengewässern prägen entscheidend den Landschaftswasserhaushalt. Der weitaus größte Anteil des Wassers in oberirdischen Gewässern sickert aus den angrenzenden Grundwasserspeichern ein. Bei hohen Wasserständen durch Hochwasser erfolgt umgekehrt eine Rückspeicherung von Oberflächenwasser in die angrenzenden Grundwasserleiter. Es wird über die in den letzten Jahren zahlreich entwickelten und auch angewandten Verfahren und Modelle für die Beschreibung und Quantifizierung der hydrologischen, hydraulischen, geochemischen und biologischen Prozesse zwischen Grund- und Oberflächenwasser berichtet, Fallbeispiele ergänzen die grundsätzlichen Erläuterungen.

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DWA-Themen T 5/2012, Oktober 2012. Grundwasserbiologie - Grundlagen und Anwendungen
DWA-Themen, Band T 5/2012
Inhaltsgleich mit DVGW-Information Nr. 75.
2012, 237 S., zahlr. Abb. u. Tab.,

 

 

Der DWA-Themenband wurde mit dem Ziel verfasst, den aktuellen Stand des Wissens insbesondere im Hinblick auf die wasserwirtschaftliche Praxis zusammenzufassen. Die einzelnen Kapitel des Bandes sind als eigenständige Einheiten konzipiert und ordnen sich in die thematischen Bereiche (1) Organismengruppen im Grundwasser, (2) Stoffwechselleistungen der Mikroorganismen, (3) Biologische Prozesse im Grundwasser und Anwendungsbeispiele, (4) Probenahme und Untersuchungsmethoden sowie (5) Rechtliche Rahmenbedingungen. Mit praktischen Beispielen werden im Band die biologischen Prozesse im Grundwasser erläutert und Anregungen zur Bearbeitung spezifischer Fragestellungen gegeben. Die Schrift richtet sich sowohl an Entscheidungsträger auf der Ebene der Länder und Kommunen als auch an Ingenieure und Planer sowie Mitarbeiter von Forschungseinrichtungen.

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DWA-Themen T 1/2012, Juli 2012. Schadensanalysen und Projektbewertung im Hochwasserrisikomanagement
DWA-Themen, Band T 1/2012
2012, 140 S., zahlr. Abb. u. Tab.,

 

 

Ein wichtiger Aspekt bei der Planung und Umsetzung wasserwirtschaftlicher Projekte in Deutschland ist die Projektbewertung der geplanten Maßnahmen und ihre Einordnung im Rahmen von Hochwassermanagementplänen. Die DWA hat bereits im Jahr 2008 eine erste Arbeitshilfe zu diesem Themenkomplex als DWA-Themenband "Arbeitshilfe Hochwasserschadensinformationen" herausgegeben. Mit dem nun vorgelegten Band der DWA-Themen wird dieses Gesamtthema der Projektbewertung von Hochwasservorsorgemaßnamen u. a. auf der Grundlage eines Seminars, das im Jahr 2010 ausgerichtet wurde, um den aktuellen Stand der Technik ergänzt und erweitert. Mit praktischen Beispielen werden Anregungen zur Erarbeitung individueller Lösungen für jede einzelne Fragestellung im Rahmen der Projektbewertung vorgestellt. Ziele sind die umfassende Darstellung der heute zur Verfügung stehenden Vorgehensweisen zur Projektbewertung von Hochwasservorsorgemaßnahmen, um qualitativ hochwertige Planungen und Entscheidungsgrundlagen zu entwickeln, sowie deren Einordnung ins Hochwasserrisikomanagement.

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Forschungsberichte

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Hochwasser-Kolloquium vom 24.Okt.1991 in Bad Liebenzell. 3.Bericht zum Hochwasser
Bauforschung, Band T 2487
1992, 70 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Am 24.10.1991 veranstalteten der Wasserwirtschaftsverband Baden-Württemberg e.V. und der Regionalverband Nordschwarzwald in Bad Liebenzell das Kolloquium "Hochwasserbewirtschaftung in der Region Nordschwarzwald am Beispiel von Enz und Nagold". Ziel des Kolloquiums war es, die unterschiedlichen Interessenlagen im Flußgebiet der Nagold zum Hochwasserschutz aufzuzeigen. Zentrale Frage war die Diskussion, ob es realistische Alternativen zu dem Großprojekt eines Hochwasserspeichers gibt. Anlaß hierzu war die Aufarbeitung der Hochwasserereignisse von 1990 durch den Regionalverband Nordschwarzwald. Zur Verbesserungd des Hochwasserschutzes im Nagoldtal standen dabei 3 Vorschläge zur Überprüfung an: 1. Waldachspeicher als Einzelmaßnahme, 2. Flutmuldenkonzept, 3. Lokale Ausbau- und Schutzmaßnahmen. Vom beauftragten Ingenieurbüro Wald und Corbe konnte eindrucksvoll nachgewiesen werden, daß das Prinzip der dezentralen Maßnahmen nach Vorschlag 3 am wirkungsvollsten ist. Auf den Bau eines ökologisch und ökonomisch fraglichgen Wasserrückhaltebeckens an der Waldach kann somit verzichtet werden. (-y-)

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Wolfgang Hartl
Pestizidrückstände in Boden- und Grundwasserproben des Bezirkes Gänserndorf
Bauforschung, Band T 2322
1989, 45 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Umweltbundesamt hat in Zusammenarbeit mit Landwirten aus dem Bezirk Gänserndorf, einem der fruchtbarsten und landwirtschaftlich am intensivsten genutzten Gebiet Österreichs, Untersuchungen auf Pestizidrückstände (Pflanzenschutzmittelrückstände) in Boden und Grundwasser durchgeführt. Boden- und Grundwasserproben wurden auf jene Pestizide untersucht, deren Anwendung im Bezirk Gänserndorf allgemein üblich und weit verbreitet ist. Es handelt sich dabei um die Fungizide Bayleton 25 (Triadimefon), Vigil (Diclobutrazol) und Tilt 250 EC (Propiconazol) sowie um die Herbizide 2,4-D, 2,4-DP, MCPA und MCPP. In den Bodenproben wurden relativ hohe Werte mit bis zu 35 ppb Fungizidwirkstoff und bis zu 5 ppb Fungizidwirkstoff bedeutet, daß 15 Wochen nach der Applikation noch max. 80% der bei der Spritzung ausgebrachten Wirkstoffmenge in den obersten 20 cm Boden gefunden wurden. Aus diesen Bodenrückstandswerten konnten jedoch keine unmittelbaren Bodenschädigungen abgeleitet werden. Demgegenüber kam es bei den Herbiziden zu teilweise sehr starken Überschreitungen der EG-Grenzwerte für Trinkwasser. 9 von 11 Grundwasserproben lagen bezüglich der 2,4-D-Rückstände und alle Grundwasserproben bezüglich der 2,4-DP-Rückstände über dem EG-Trinkwassergrenzwert für pestizide Einzelwirkstoffe von 0,1 ppb. Die in der EG erlaubte Gesamtkonzentration für pestizide Wirkstoffe im Trinkwasser (0,5 ppb) wurde in allen Grundwasserproben überschritten. (-y-)

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Fridtjof Bauer
Die unterirdischen Abflußverhältnisse im Dachsteingebiet und ihre Bedeutung für den Karst-Wasserschutz
Bauforschung, Band T 2315
1989, 84 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Dachstein ist eines der größten Karstmassive Österreichs. Zahlreiche Gemeinden in den Bundesländern Oberösterreich, Steiermark und Salzburg beziehen ihr Trinkwasser aus den Quellen rings um das Gebirge. Diese Trinkwasservorkommen sollen durch eine Schongebietsverordnung vor Beeinträchtigungen, die sich aus verschiedenen Nutzungen (Gletschergebiet, Skipisten, Schutzhütten, Truppenübungsplatz, Land- und Forstwirtschaft) ergeben können, geschützt werden. Um die Einzugsgebiete der Quellen und das unterirdische Abflußverhalten zu erkunden, wurden von der Abteilung Wasserhaushalt von Karstgebieten in den Jahren 1984-1986 insgesamt 19 Einspeisungen mit Fluoreszentracern durchgeführt und nach dem neuesten Stand der Meßtechnik ausgewertet. Dabei wurden die Ergebnisse der bereits im Zeitraum 1953-1960 durchgeführten pionierhaften Sporentriftversuche überprüft und ergänzt. Dem Vergleich der mit diesen beiden Untersuchungsmethoden erzielten Ergebnisse wird in diesem Bericht besonderes Augenmerk geschenkt. (-z-)

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Johannes Grath, Martin Tschulik
Grundwasseruntersuchungen im Bereich der Katastralgemeinde Nonndorf
Bauforschung, Band T 2317
1989, 64 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Aufbauend auf Grundwasseruntersuchungen im Raum des unteren Kamptales wurden seitens des Landes Niederösterreich und des Umweltbundesamtes weitergehende Untersuchungen hinsichtlich der Nitratbelastung des Grundwassers im Gebiet der Kastralgemeinde Nonndorf, Marktgemeinde Gars am Kamp, durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurden, zusätzlich zu dem durch die Hausbrunnen gegebenen Meßstellennetz, Grundwassersonden errichtet sowie entsprechende Wasserproben entnommen und analysiert. Die Ergebnisse wurden unter Berücksichtigung vorhandener Kenntnisse über relevante Rahmenbedingungen, wie z.B. der hydrogeologischen Situation und der lokalen landwirtschaftlichen Bewirtschaftungspraxis, ausgewertet und interpretiert. Entsprechend diesen Ergebnissen ist im Gebiet der Katastralgemeinde Nonndorf von einer Überlagerung von Einflüssen aus der Landwirtschaft mit Einflüssen aus unsachgemäßer Abwasserbeseitigung und der Lagerung von Wirtschaftsdünger auszugehen. Die Studie zeigt also, daß im verbauten Bereich durch bauliche Unzulänglichkeiten massive Grundwasserverunreinigungen auftreten können, aufgrund derer eine Versorgung aus Hausbrunnen unmöglich wird. (-z-)

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Manfred Sutterer
Wasserwirtschaftlicher Ressourcenschutz in Regionalplanung und Fachplanung. Referat zur Referendarausbildung im Innenministerium Stuttgart
1985, 20 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

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Zeitschriftenartikel

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Schwefel, Robert; Jordan, Sylvia; Köhler, Antje; Hupfer, Michael
Wie reagieren Seen auf den Klimawandel? Prognosen und mögliche Anpassungsstrategien
KW Korrespondenz Wasserwirtschaft, 2023

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Lisa-Rempe, Marie; Stahl-van Rooijen, Natalie; Stoermer, Joachim; Peter, Jonas; Unger, Olga
Hochwasser 2021 in Bayern
Wasserwirtschaft, 2022

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Philipp, Andy
Hochwasserfrühwarnung in Sachsen
Wasserwirtschaft, 2022

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Müller, Uwe
20 Jahre Hochwasserrisikomanagement in Sachsen
Wasserwirtschaft, 2022

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Johst, Margret; Demuth, Norbert
Hochwasserfrühwarnung in Rheinland-Pfalz
Wasserwirtschaft, 2022

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Highlights aus dem Programm