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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
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3., Aufl.
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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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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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Das Taschenbuch der Wasserwirtschaft - das Kompendium des gesamten Grundlagenwissens der Wasserwirtschaft - ist seit 1958 in jetzt neun Auflagen erschienen. Um auch bei Berücksichtigung zahlreicher neuer Erkenntnisse und Entwicklungen den Umfang des Werkes im Rahmen zu halten, sind alle Kapitel gänzlich neu gefasst und gestrafft worden. So ergab sich eine konzentrierte Darstellung aller Fachgebiete der Wasserwirtschaft und des Wasserbaus. Acht Kapitel sind den wasserwirtschaftlichen und wasserbaulichen Grundlagen gewidmet: Physik und Chemie des Wassers; Wasserhaushalt, Gewässer, Hydrometrie; Gewässerökologie; Hydraulik; Boden; Grundwasser; Ingenieurhydrologie; Wasserrecht und Abfallrecht. Sieben weitere Kapitel betreffen die wasserbaulichen Maßnahmen: Gewässerregelung; Be- und Entwässerung; Stau- und Wasserkraftanlagen; Küsteningenieurwesen; Binnenverkehrswasserbau; Wasserversorgung; Abwassertechnik. Schließlich befassen sich vier Kapitel mit den Themen Abfalltechnik; Altlasten; Umgang mit wassergefährdenden Stoffen; wasserwirtschaftlichen Planungen.

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Berger, Wolfgang
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Cassel, Ulrich; Kreimeier, Thorsten
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Breiholdt, Kai-Peter
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