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Nationwide estimation of groundwater nitrate concentrations using machine learning

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[Quelle: http://d-nb.info]

Die Nitratbelastung des Grundwassers ist seit Jahrzehnten ein bekanntes Problem, doch die Diskussion über Ursachen und mögliche Lösungen wird heute sehr kontrovers geführt. Um den guten Zustand der Wassersysteme in Europa wiederherzustellen, wurde die EU-Wasserrahmenrichtlinie umgesetzt, die unter anderem eine Reduzierung der Nitrateinträge in das Grundwasser fordert. Um dies zu erreichen, müssen harmonisierte und transparente Ansätze zur Bewertung der Qualität von Grundwasserkörpern und klar definierte Regelungen für die Umsetzung von Minderungsmaßnahmen geschaffen werden. Wichtige Aspekte, die bei der Entwicklung von Maßnahmenplänen berücksichtigt werden müssen, sind die Abschätzung der Stickstoffeinträge in den Untergrund, die räumliche Verteilung der Nitratkonzentrationen im Grundwasser und das natürliche Nitratreduktionspotentials des Grundwasserleiters. Für die Modellierung der Grundwasserqualität auf landesweiter Ebene haben sich datengestützte Ansätze, insbesondere Machine Learning Verfahren, bewährt. In dieser Dissertation wird ein Ansatz zur großräumigen Regionalisierung von Grundwassernitratkonzentrationen in Abhängigkeit von räumlichen Umweltparametern entwickelt. In einem ersten Schritt werden verschiedene Ansätze zur Verknüpfung von Punktinformationen aus Messstellen mit flächendeckend verfügbaren Geodaten am Beispiel des Bundeslandes Hessen in Deutschland, untersucht. Vier Machine Learning Verfahren, die auf unterschiedlichen statistischen Modelltypen basieren, werden hinsichtlich ihrer Vorhersageleistung verglichen. Es kann gezeigt werden, dass ein 1.000 m Kreisbuffer das Einzugsgebiet einer Messstelle vereinfacht beschreiben kann und für die Zusammenfassung der Faktoren, die die Nitratkonzentration im Grundwasser beeinflussen, verwendet werden kann. Das Random Forest Modell übertrifft die klassische multiple lineare Regression, einfache Klassifikations- und Regressionsbäume sowie Boosted Regression Trees. In einem zweiten Schritt wird der Ansatz dann auf die gesamte Bundesrepublik Deutschland übertragen. Basierend auf dem Grundwassermessnetz der Wasserrahmenrichtlinie wird ein Random Forest Modell trainiert und die Nitratkonzentrationen im Grundwasser für eine Gitterkarte mit der Auflösung 1 km x 1 km abgeschätzt. Mit einem R² von 0,52 kann eine gute Vorhersagelseistung erreicht werden, wobei die Redoxbedingungen, die hydrogeologischen Einheiten und der Anteil an Ackerland als die einflussreichsten Prädiktoren für die Abschätzung der Nitratkonzentration im Grundwasser identifiziert werden können. Durch die Verwendung von Quantile Random Forest für eine Unsicherheitsanalyse werden mit einem mittleren Vorhersageintervall von 53 mg NO3-/l große Unsicherheiten ermittelt. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich schließlich mit der Abschätzung der Nitratreduktion im Grundwasser. Die geschätzte räumliche Verteilung der Nitratkonzentrationen im Grundwasser wird zusammen mit Daten zum Stickstoffüberschuss in einem vereinfachten konzeptionellen Ansatz zur Abschätzung der integrierten Nitratreduktion in der ungesättigten Zone und im Grundwasserkörper verwendet. Die ermittelten Nitratreduktionsraten liegen im Mittel bei 57 % und variieren stark von keiner Reduktion bis zu einem Abbau von 100 % mit überwiegend hohen Reduktionsraten in Norddeutschland und geringeren Reduktionsraten im mittleren und südlichen Teil Deutschlands. Das Nitratreduktionsvermögen ist stark von den hydrogeologischen Bedingungen abhängig, wobei die Reduktionsraten in porösen Grundwasserleitern und unter anaeroben Bedingungen deutlich höher sind als in klüftigen verfestigten Grundwasserleitern und unter aeroben Bedingungen. Mit dem hier vorgestellten Gesamtansatz können räumliche Vorhersagen auf der Basis frei verfügbarer Geodaten erfolgen, was einen wichtigen Beitrag zur großräumigen Bewertung der Grundwasserqualität liefert und bei der Planung von Minderungsmaßnahmen genutzt werden kann.

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Bücher, Broschüren

DWA-Themen T3/2021, September 2021. Folgewirkungen des Klimawandels für den Zustand der Fließgewässer - Bedeutung für Bewertung und Management vor dem Hintergrund der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie
DWA-Themen, Band T3/2021
2021, 33 S., 7 Abb., 1 Tab.,

 

 

Vor dem Hintergrund des Klimawandels gilt es zunächst zu erkennen, wie er sich auf die Systeme der Wasserwirtschaft einschließlich der natürlichen Systeme auswirkt, um gezielte Strategien und Maßnahmen umsetzen zu können. Bei Fließgewässern zeigt sich der Klimawandel vor allem durch ein verändertes Abflussverhalten und eine Erhöhung der Temperatur - jeweils auch mit veränderten Jahresganglinien. Der Themenband zeigt, welche Auswirkungen dies zur Folge hat. Er gibt eine Übersicht zu den Grundlagen der Gewässerbewertung und Empfehlungen zu Bewertung und Bewirtschaftung. Schließlich gehören zum Management auch Verhaltensänderungen bei Nutzergruppen und Zivilgesellschaft, wie zum Beispiel beim Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft und von Arzneimitteln der Bevölkerung, bei der Freizeitnutzung etc.. Planungs- und Managemententscheidungen der Aufgabenträger in den Bereichen Bauen, Arbeiten, Gesundheit, Mobilität und Kommunikation, Freizeit und Erholung sind zu beachten.

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DWA-Themen T2/2020, Juli 2020. Erfolgsbewertung von Maßnahmen zur Erreichung eines guten Gewässerzustands
DWA-Themen, Band T2/2020
2020, 33 S., 4 Abb., 2 Tab.,

 

 

Seit Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) hat nur ein geringer Anteil der Fließgewässerwasserkörper in Deutschland den guten ökologischen Zustand bzw. das gute ökologische Potenzial erreicht. Trotz einer Vielzahl von durchgeführten Maßnahmen machen sich die damit verbundenen Verbesserungen der Gewässerbeschaffenheit nicht in einer veränderten Bewertung bemerkbar. Zum Teil liegt dies sicherlich an den natürlichen Rahmenbedingungen, die in der Regel nicht zu einer schnellen umfassenden Besiedlung mit Zielorganismen führen. Vermutlich sind aber auch weitergehende Gewässerentwicklungsmaßnahmen notwendig, um die angestrebten Ziele zu erreichen. In jedem Fall wurden in der Vergangenheit nicht gerade geringe Investitionen getätigt, ohne dass anscheinend ein Erfolg erzielt werden konnte, der in einer Verbesserung der ökologischen Qualitätskomponenten zum Ausdruck kommt. In dem Themenband wird der Status quo der "Erfolgsbewertung von Maßnahmen zur Erreichung eines guten Gewässerzustands" hinterfragt und geprüft sowie Vorschläge zum Weiterentwicklungsbedarf bzw. zur Weiterentwicklung dieses Themas zusammengestellt. Es soll damit die Diskussion zur bewertenden Darstellung von Maßnahmenerfolgen gefördert werden und letztlich ein Beitrag zur Weiterentwicklung der Zustandsbewertung in eine Erfolgsbewertung unserer Gewässerbewirtschaftung geleistet werden.

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Peter Zoth
Rechtliche Instrumente für das Dürre-Management
Das Recht der Wasser- und Entsorgungswirtschaft, Band 49
Eine Untersuchung unter besonderer Berücksichtigung des öffentlichen Wasserrechts in Deutschland und Spanien
2020, 300 S., 22.8 cm, Hardcover
Heymanns

 

 

Dürren zählen zu den schadensträchtigsten Naturgefahren weltweit. In Zukunft wird auch in Deutschland vermehrt mit Dürreereignissen zu rechnen sein. Untersuchungen zum Klimawandel zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit von Trockenheitsextremen in den Sommermonaten zugenommen hat und noch weiter ansteigen wird. Vor diesem Hintergrund untersucht der Autor, welche rechtlichen Instrumente im öffentlichen Wasserrecht der Bundesrepublik Deutschland für das Dürre-Management zur Verfügung stehen. Schwerpunkt der Untersuchung bildet dabei das im Bundesland Baden-Württemberg geltende öffentliche Wasserrecht. Des Weiteren wird herausgearbeitet, welche Rahmenvorgaben die Wasserrahmen-Richtlinie (WRRL) der Europäischen Union (EU) für das Dürre-Management macht. Dabei wird insbesondere auf die Ausnahmevorschrift des Art. 4 Abs. 6 WRRL für den Fall einer ?lang anhaltenden Dürre? eingegangen. In der Untersuchung wird die Frage diskutiert, ob die bestehenden rechtlichen Instrumente in Deutschland ausreichend sind, um Umwelt und Gesellschaft auch in Zukunft vor Dürreereignissen zu schützen. Zum Vergleich wird das spanische öffentliche Wasserrecht herangezogen, das spezifische rechtliche Instrumente für das Dürre-Management kennt. Es wird geprüft, inwieweit dieses rechtliche Instrumentarium als Vorbild für die Weiterentwicklung des öffentlichen Wasserrechts in der Bundesrepublik Deutschland dienen kann. Als Endergebnis formuliert die Arbeit konkrete Handlungsvorschläge an den Gesetzgeber zur Anpassung des rechtlichen Instrumentariums.

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Tobias Schmitt
Dürre als gesellschaftliches Naturverhältnis
Erdkundliches Wissen, Schriftenreihe für Forschung und Praxis, Band 162
Die politische Ökologie des Wassers im Nordosten Brasiliens. Dissertationsschrift
2017, 437 S., 46 schw.-w. Abb., 12 schw.-w. Tab. 240 mm, Softcover
Franz Steiner Verlag

 

 

Dürren gelten oftmals als Ursache für Hungerkatastrophen und Armut - die humanitäre Katastrophe wird als Ergebnis der Naturkatastrophe verstanden. Gesellschaftliche Ursachen treten so in den Hintergrund oder werden gar nicht erst benannt. Eine Dürre als gesellschaftliches Naturverhältnis zu begreifen und damit die Prozesse der sozialen Herstellung der Dürre in den Blick zu nehmen, erscheint hingegen gewagt, wenn nicht gar zynisch. Tobias Schmitt verfolgt in der Studie dennoch genau diesen Ansatz. Er betrachtet die Dürreverhältnisse im Nordosten Brasiliens als historisches und gesellschaftliches Produkt von Diskursen, Institutionalisierungen, Eigentums- und Produktionsverhältnissen und zeigt die Praktiken ihrer (Re-)Produktion auf. Eine zentrale Rolle spielen hierbei die postkolonialen Machtverhältnisse: Sie prägen die gesellschaftlichen Naturverhältnisse, etwa die Verteilung von Wasser mittels Stauseen und Kanälen oder die Regelung des Zugangs zu Wasser in Gesetzen und Partizipationsprozessen. In diesem Zusammenhang nimmt Schmitt aber auch die Widerstandspraktiken gegen die hegemoniale Naturaneignung und ihre Durchsetzungspotenziale in den Blick.

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DWA-Themen T2/2016, August 2016. Diffuse Stoffeinträge in Gewässer aus der Landwirtschaft
DWA-Themen, Band T2/2016
Inhaltsgleich mit DVGW-Information Wasser Nr. 88.
2016, 39 S.,

 

 

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Forschungsberichte

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T. Grunder, H.P. Lühr
Ökologische Bauproduktenbewertung (Teilaspekte): Ökotoxikologische Parameterwahl, Einfluß der organischen Anteile in der Bodenmatrix auf die Eluate sowie Frachtmodelle zur Eluierbarkeit
Bauforschung, Band T 2856
1998, 58 S., Abb.,Tab.,Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zur ökologischen Bauproduktenbewertung soll das Gefährdungspotential von Bauprodukten im Hinblick auf Boden und Grundwasser erfaßt werden. Die für die Untersuchungen ausgewählten Bauprodukte sollen zum Abdichten gegen drückendes Wasser (zwei Acrylharzsysteme), zum Sanieren von Abwasserkanälen (ein Acrylharzsystem) und zur Lockergesteinsverfestigung (ein Polyurethansystem) eingesetzt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden zur Erfassung des ökologischen Gefährdungspotentials die Produkte in Laborversuchen in wasserdurchströmte Sandsäulen injiziert und die so entstehenden wäßrigen Eluate mittels Biotests auf ihre Wirkung untersucht. Für Produkte zur Rohrsanierung existieren seitens des Deutschen Instituts für Bautechnik bereits Prüfvorschriften, die auch Biotests umfassen. Die Palette der relevanten Biotests sollte überprüft werden. Im Ergebnis der Untersuchungen wird vorgeschlagen, die Eluate aus den Säulenversuchen bezüglich ihrer Wirkungen auf Algen, Daphnien, Protozoen und Leuchtbakterien - in speziellen Fällen auch Fischen - sowie ihrer biologischen Abbaubarkeit zu untersuchen und damit ihre ökologischen Auswirkungen zu bewerten.

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B. Eggers
Geologisch-hydrogeologische Kriterien zur Einschaetzung potentieller Gefaehrdungsmoeglichkeiten des Grundwassers durch Altablagerungen in Niedersachsen. Teil 1. Abschlussbericht
Siehe auch: Eggers, B., Erfassung und Erstbewertung von Altablagerungen der Kategorie I und II im Landkreis Helmstedt. Teil 2. Best.-Nr. T 2021.
Bauforschung, Band T 2020
1988, 129 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde im ablaufenden Berichtszeitraum (vom 01.02.1985-31.01.1987) eine wissenschaftliche Konzeption zur Erfassung und Erstbewertung von Altablagerungen schwerpunktmaessig am Beispiel des Landkreises Helmstedt realisiert. Die Vielfalt der geologischen Verhaeltnisse des Landkreises Helmstedt beguenstigen den Vergleich mit anderen Gebieten Niedersachsens. Darueber hinaus werden weitere Untersuchungen in den Landkreisen Hamburg, Gifhorn sowie im Stadtgebiet von Wolfsburg durchgefuehrt bzw. begonnen. Dabei erwies es sich als notwendig, methodische Ansaetze neu zu entwickeln, bzw. den regionalen geologischen, bodenkundlichen und wasserwirtschaftlichen Gegebenheiten anzupassen. So gelang es mit Erfolg, geomagnetische und geologische Verfahren zur Ausgrenzung von Hausmuelldeponien einzusetzen. (-z-)

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B. Eggers
Erfassung und Erstbewertung von Altablagerungen der Kategorien I und II im Landkreis Helmstedt. Teil 2
Siehe auch: Eggers, B., Geologisch-hydrogeologische Kriterien zur Einschaetzung potentieller Gefaehrdungsmoeglichkeiten des Grundwassers durch Altablagerungen in Niedersachsen. Teil 1., Best.-Nr. T 2020.
Bauforschung, Band T 2021
1988, 351 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die durchgefuehrten Untersuchungen haben gezeigt, dass von den Altablagerungen keine akute Trinkwassergefaehrdung ausgeht. Gleichwohl ist das Grundwasser durch drei Altablagerungen beeinflusst. Dies wird durch erhoehte Schwermetall-, AOX- und SO tief 4-Gehalte sowie durch eine erhoehte Leitfaehigkeit und einen hohen KMnO tief 4-Verbrauch dokumentiert. Bei den gemessenen Werten muss allerdings beruecksichtigt werden, dass das Grundwasser geogen vorbelastet ist, und sich nicht fuer die Trinkwassergewinnung eignet. Bei sechs Altablagerungen ist eine schwache Beeinflussung des Grundwassers durch erhoehte AOX- und Schwermetallgehalte nachweisbar; diese ehemaligen Deponien sind in die Kategorie II eingruppiert. Da bei einem Grossteil der Deponien nur ein Grundwasserbeobachtungsbrunnen im Abstrom der Altablagerung abgeteuft wurde, ist eine Interpretation der chemischen Daten schwierig. Eine Unterscheidung, ob die Beeinflussung des Grundwassers primaer geogen, durch landwirtschaftliche Nutzung oder durch die Altablagerungen hervorgerufen wird, konnte nicht in jedem Falle getroffen werden. Die aus den Untersuchungen resultierende Klassifizierung weist fuer die Kategorie I 3 Altablagerungen und fuer die Kategorie II 6 Altablagerungen aus. (-z-)

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Zeitschriftenartikel

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Ostermann, Ulrich
Gewässerunterhaltung in Niedersachsen
Gewässer-Info, 2022

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Wingen, Martha; Schüttrumpf, Holger
Hydraulische Beurteilung des Bewegungsbeginns von Wasserleichen in Fließgewässern mit niedrigen Wasserständen
Wasser und Abfall, 2022

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Berger, Wolfgang
Der Wolfgangsee - Lieblich heiter und nach Maß des Menschen. Serie Alpenseen, Teil 8 und Schluß (kostenlos)
wwt Wasserwirtschaft Wassertechnik, 2021

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Zintz, Klaus
Ein See im Stresstest. Algen, Stichlinge oder Quagga-Muscheln: Der Bodensee hat viele Herausforderungen zu meistern. Wie kommt er damit zurecht?
Bild der Wissenschaft, 2021

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Agrawal, Shelesh; Orschler, Laura; Lackner, Susanne
Umfassendes Monitoring antibiotikaresistenter Bakterien und Gene zur Bewertung der Reduktion in Kläranlagen
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall, 2021

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Highlights aus dem Programm 2022