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The role of energy and information in hydrological modeling

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[Quelle: http://d-nb.info]

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Hydrologie von einer Ingenieurdisziplin zu einer etablierten Erdsystemwissenschaft entwickelt, die auf physikalischen Prinzipien beruht. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in den aktuellen, hydrologischen Fragestellungen wider die von Infiltrationsexperimenten auf der Porenskala bis hin zu Simulationen des weltweiten Wasserkreislaufs reichen. Während die Hydrologie in den letzten Jahren große wissenschaftliche Fortschritte gemacht hat und immer vielfältiger wurde, sind viele, besonders in der Praxis angewendeten hydrologische Modelle (z. B. die Einheitsganglinie), größtenteils noch immer empirische Konzepte, die auf starken physikalischen Vereinfachungen beruhen. Solche Ansätze eignen sich für Fragestellungen bei denen ausreichend lange Beobachtungszeitreihen vorliegen und stationäre Bedingungen angenommen werden können. Sie sind jedoch tendenziell ungeeignet, sobald der Fokus auf instationären Bedingungen oder auf Gebiete mit wenigen oder schlechten Daten gerichtet wird. In solchen Fällen sind stärker physikalisch-basierte Modelle eine vielversprechende Alternative. Während letzteres in der Hydrologie kaum angezweifelt wird, gibt es bis heute jedoch keinen Konsens darüber, wie genau ein adäquat physikalisch-basiertes Model aussieht und welche Details und physikalische Gesetze in ihm abgebildet werden müssen. Diese Uneinigkeit kann zumindest teilweise darauf zurückgeführt werden, dass es in der Hydrologie bis heute keine allgemein akzeptierten theoretischen Grundlage gibt. James Dooge erkannte das bereits im Jahr 1986 und argumentierte, dass die hydrologische Gemeinschaft zusammen einen klaren theoretischen Rahmen ableiten müsse, auf dem ihre Modelle sowie die entsprechenden Hypothesen beruhen. Diese gemeinsame theoretische Grundlage würde dann die Notwendigkeit von Modellkalibrierungen und die damit verbundene Empirie in hydrologischen Modellen minimieren und schlussendlich zu belastbareren Vorhersagen führen. Diese Dissertation knüpft an diesen Punkt an und beschäftigt sich mit der Verbesserung der theoretischen Grundlage hydrologischer Modelle, mit Schwerpunkt auf mesoskalige Einzugsgebiete. Ziel dieser Arbeit ist es dabei nicht, eine umfassende, neue theoretischen Grundlage einzuführen, sondern die bestehenden theoretischen Grundlagen a) anzuerkennen und b) weiter zu entwickeln. Dazu nutze ich weitgehend zwei verwandte wissenschaftliche Theorien, die Informationstheorie und die Thermodynamik und verwende damit die Konzepte von Information und Energie, um Forschung zu betreiben sowie neue Blickwickel auf etablierte Fragestellungen zu erhalten.

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Hochwasser-Handbuch
Auswirkungen und Schutz
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2020, xxii, 715 S., 297 SW-Abb., 34 Farbabb., 34 Farbtabellen. 240 mm, Hardcover
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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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Frank Wisotzky, Nils Cremer, Stephan Lenk
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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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Peter Hilbert
Aufgeräumt in Dresdens Unterwelt
Der mühsame Weg vom Abwasser-Kollaps zur modernen Stadtentwässerung
2017, 168 S., m. 140 Abb. 26 cm, Softcover
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Carsten Leven, Thomas Ptak, Anneli Guthke, Uwe Hekel, Gernot Karch, Ulf Mohrlok, Peter Halla, Hans-Peter Koschitzky
Hydraulische Charakterisierung von Grundwasserleitern
Schriftenreihe Altlastenforum Baden-Württemberg e.V., Band 17
Moderne Anwendungs- und Auswertungsansätze
2016, 38 S., 17 Abb., 1 Tabellen. 300 mm, Geheftet
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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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Der Band vermittelt die Grundlagen des Wasserkreislaufs mit seinen räumlichen und zeitlichen Mustern. Dabei werden u. a. der Einfluss der Landnutzung und des Klimas beschrieben, landschaftliche und regionale Besonderheiten erläutert und ein Einblick in die hydrologische Praxis der Bewässerung, der Risikovorsorge und des Flussgebietsmanagements gegeben. Rund 200 Abbildungen und 45 Tabellen veranschaulichen die komplexen Sachverhalte.

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Recycling von Phosphor: Dünger aus Klärschlamm
Neue Landschaft, 2020

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Weichel, Thilo
Hochwassergefahren- und -risikokarten - Herausforderungen und Lösungen am Beispiel Sachsen-Anhalt
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Cassel, Ulrich; Kreimeier, Thorsten
Geodatenanalytik im kommunalen Kontext am Beispiel von Starkregenereignissen.
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Trösser, Susanne
25 Jahre nach dem Jahrhunderthochwasser am Rhein. Wie Hochwasserschutz in Köln und anderen Städten seitdem neu gedacht wird. (kostenlos)
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