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Study of topographic effects on hydrological patterns and the implication on hydrological modeling and data interpolation

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[Quelle: http://d-nb.info]

Hydrologische Muster können den Eindruck erwecken zufällig zu sein, sind aber in vielen Fällen hochgradig organisiert und weisen deterministische Strukturen auf, die mit einer zufälligen Variation überlagert sind. Dies rührt daher dass die Muster der fundamentalen Antriebskräfte des Verhaltens des Einzugsgebiets - Sonneneinstrahlung, Wind und Niederschlag - stark abhängig von topographischen Eigenschaften - Höhe, Ausrichtung und Neigung - sind. Topographische Variationen existieren auf unterschiedlichen Skalen: Auf großer Skala entstanden die Eigenschaften der Erdoberfläche größtenteils aus geologischen Bewegungen und Gletscherabrieb und werden im Text als Makrotopographie bezeichnet. Auf kleiner Skala hingegen wird Mikrotopographie von Rinnenbildung und anderen sekundären Prozessen verursacht. Die Auswirkungen der Topographie auf Einzugsgebietsprozesse können sich zusammen mit der Skala ändern. In der Arbeit wird die direkte topographische Abhängigkeit auf Einzugsgebietsprozesse, wie Einstrahlung, Wind, Drännetz und Niederschlag, als primäre topographische Effekte bezeichnet auf denen die sekundären topographischen Effekte basieren, aus denen die räumlichen Muster der Evapotranspiration (ET), des Bodenfeuchtegehalts (BFG), der Schneeschmelze, Bodeneigenschaften, Vegetation, etc. hergeleitet werden können. Hauptziel der Arbeit ist es darzustellen, wie die Topographie diese hydrologischen Muster auf unterschiedlichen Skalen über ihre primären und sekundären Effekte beeinflusst und wie das Verständnis der räumlichen Prozesse hydrologische Modellkonzepte und -praxis voranbringen und räumliche Dateninterpolation verbessern kann. Um die Allgemeingültigkeit dieser Forschung zu gewährleisten wurden, wo es möglich war, frei verfügbare Daten benutzt. Für die Arbeit wurden die drei hauptsächlich in der Hydrologie verwendeten Forschungsmethoden verwendet: physikalisch-basierte Modellierung, konzeptuelle Modelle und statistische Analyse. Durch die Untersuchung der sechs topographischen Abhängigkeitsmuster - Strahlung, Wind, Niederschlag, ET, BFG und Schneeschmelze - liefert die Arbeit zwei wichtige Botschaften: Erstens ist die Topographie innerhalb der Elemente eines Einzugsgebiets die Hauptquelle der Variabilität, die zu einem großen Teil quantifiziert werden kann und zweitens kann die Erforschung von Mustern versteckte Gesetzmäßigkeiten von hydrologischen Prozessen offenbaren und ist deshalb ein Schlüssel zu der iterativen Schleife von Beobachtung-Verstehen-Modellieren in hydrologischen Untersuchungen. Weil für einen Teil der Arbeit ein physikalisch gerechtfertigter Modellierungsansatz gewählt und frei verfügbare Daten benutzt wurden, sind die Methoden auf andere Gebiete anwendbar.

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Die prognostizierten Klimaveränderungen stellen für die Wasserwirtschaft in Bezug auf den Hochwasserschutz, aber auch im Umgang mit trockenen Jahren, eine große Herausforderung dar. Neben den großen, flächendeckenden Überschwemmungen und den damit einhergehenden besonderen Risiken für die eingedeichten Bereiche sind insbesondere die nach Starkregenereignissen plötzlich auftretenden Sturzfluten mit einem hohen Gefährdungspotenzial verbunden. Die Schäden sind bei beiden Hochwasserformen nur dann erfolgreich und dauerhaft zu minimieren, wenn viele Fachgebiete ihr besonderes Wissen in den Planungsprozess des Hochwasserschutzes einbringen. Hierzu zählen unterschiedliche Maßnahmenpakete der Wasserwirtschaft und des Wasserbaus (u. a. die Bereitstellung verlässlicher hydrologischer und hydraulischer Planungsgrößen, der natürliche Wasserrückhalt in den Gewässerauen, unterschiedliche Ausbauvarianten und deren Auswirkungen auf die Abflüsse, technische Rückhaltemaßnahmen, Schutz der genutzten Bereiche durch Deiche, Dämme und Hochwasserschutzmauern und nicht zuletzt die rechtlichen Grundlagen), aber auch der Ablauf und die Koordination unterschiedlicher Maßnahmengruppen vor, während und nach einem vorausgesagten Hochwasserereignis. Hierzu gehören ebenfalls die aktuellen Ausführungen zur Versicherung von Hochwasserschäden. Der erste Zyklus der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie wurde Ende 2015 mit der Erstellung der Hochwasserrisikomanagementpläne abgeschlossen. Allen Aspekten der Hochwasservorsorge wird nunmehr ein sehr hoher Stellenwert eingeräumt. Die Erfahrungen aus diesem Prozess sowie die aktuellen Richtlinien der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) wurden in dieser dritten Auflage berücksichtigt. Insbesondere die Bauvorsorge ist dabei umfassend dargestellt.

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Neben den Anwendungen der Grundlagen der anorganischen Wasserchemie wird in dem Band erstmalig zusammenhängend die organische Wasserchemie von Grundwasserbelastungsstoffen behandelt. Darüber hinaus enthält er eine Einführung in die hydrochemische Modellierung und auch die chemischen Aspekte der Wasseraufbereitung werden dargestellt. Viele Beispiele aus der Praxis, Abbildungen und Schemazeichnungen machen die Grundwasserchemie nachvollziehbar und transparent. Mit zahlreichen Übungsaufgaben und dazugehörigen Lösungen. Im Teil I des Buches werden Grundlagen zu den Themen Grundwasserchemie (u. a. Wasserinhaltsstoffe, anorganische und organische Hydrochemie) und hydrogeochemische Modellierung behandelt, zwei Themen, die in anderen Lehrbüchern zur Hydrogeologie nur kurz oder überhaupt nicht angesprochen werden. Im Teil II werden eine Reihe von interessanten Beispielen aus Gebieten mit unterschiedlichen hydrogeologischen Verhältnissen und Grundwasserproblemen dargestellt (z. B. Auswirkungen des Braunkohlebergbaues auf das Grundwasser, Wassergewinnung durch Uferfiltration und Grundwasseranreicherung, Versauerungsprobleme, Probleme in Zusammenhang mit Düngung in der Landwirtschaft, Hydrogeologie in einem Karstgebiet). Alle Beispiele liegen zwar in Deutschland, sind aber auch für Gebiete mit ähnlichen hydrogeologischen Verhältnissen außerhalb Deutschlands von großem Interesse. Der Text ist klar und leicht verständlich geschrieben und wird durch zahlreiche Fotos, Grafiken und Tabellen sinnvoll ergänzt. Wasser als Rohstoff (Trink- und Brauchwasser) wird in unserer Gesellschaft zunehmend wichtiger, wobei in vielen Gebieten das Grundwasser die wichtigste Ressource für Trink- und Brauchwasser darstellt. Dabei treten zunehmend Probleme auf, einerseits bedingt durch den Klimawandel und die damit einhergehenden Veränderungen im Wasserkreislauf, andererseits bedingt durch die anthropogenen Belastungen und Verunreinigungen des Grundwassers.

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Hydraulische Charakterisierung von Grundwasserleitern
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Die hydraulische Charakterisierung von Grundwasserleitern ist eine der wichtigsten Untersuchungsschritte bei der Bearbeitung verschiedener umwelt- und ingenieurgeologischer Fragestellungen. Hierfür stehen eine Vielzahl an hydraulischen Feldmethoden zur Verfügung, deren Wahl sich maßgeblich nach den Anforderungen der Fragestellung richtet. In der Praxis sind zwar zahlreiche hydraulische Untersuchungsmethoden etabliert, in den letzten Jahren ergaben sich jedoch apparative Weiterentwicklungen und neue Ansätze für ihre Durchführung und Auswertung, die häufig zu einem erfolgversprechenden Einsatz sowie zu zusätzlichen und verbesserten Erkenntnissen führen können. Dennoch finden einige Methoden bislang nur wenig Beachtung in der hydrogeologischen Praxis, da teilweise Unsicherheiten bezüglich ihrer Anwendbarkeit für die Beantwortung spezifischer umweltgeologischer Fragestellungen bestehen. Der Arbeitskreis Innovative Erkundungs-, Sanierungs- und Überwachungsmethoden im altlastenforum Baden-Württemberg hat sich dem Thema "Hydraulische Charakterisierung von Grundwasserleitern" angenommen und einen Statusbericht erarbeitet, in dem moderne Methoden und Anwendungen systematisch dargestellt und ihre Zweckmäßigkeit für Fragestellungen aus verschiedenen Anwendungsbereichen aufgezeigt werden. Er richtet sich insbesondere an Praktiker aus Gutachter- und Ingenieurbüros, an Standortverantwortliche sowie an Behördenvertreter aus dem Umweltbereich. Der Bericht soll einen Beitrag leisten, das Wissen über diese Methoden in der Praxis zu verbreiten und deren Einsatzhäufigkeit in der Zukunft zu erhöhen. Aufbauend auf Begriffsbestimmungen und Grundsätzen von hydraulischen Untersuchungsmethoden werden ausgewählte moderne und besonders innovative Methoden dargestellt und ihre Anwendungsmöglichkeiten und ihr Entwicklungsstand aufgezeigt. Hochauflösende hydraulische Verfahren stehen im Vordergrund. Eine tabellarische Übersicht der Untersuchungsmethoden mit grundlegenden Anwendungsaspekten ermöglicht eine schnelle Auswahl geeigneter Methoden.

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