TY - THES A1 - Schuh, Alfred T1 - Eishochwasser an Oder und Elbe aus historischen und meteorologischen Gesichtspunkten und im Hinblick auf mögliche Gefährdungen T1 - Ice related floods on Oder and Elbe river from a historical and a meteorological point of view and potential risks N2 - Die Dissertation gliedert sich in mehrere Teile. Der historische Teil zeigt die Chronologie der Eishochwasser an Oder und Elbe von 1700 bis heute und vergleicht die Ursachen von damals mit heute. Im meteorologischen Teil werden die Einflüsse der Großwetterlagen und der Nordatlantischen Oszillation auf Eishochwasser untersucht mit dem Ziel, diese vorherzusagen. Im Gefährdungsteil wird das Bilden eines Eishochwassers dokumentiert, beginnend mit dem Eisbildungsprozess, dem Eisdickenwachstum, der fortschreitenden Eisstandsgrenze und den Eisversetzungen. Daraus ergeben sich starke Wasserstandsanstiege. Diese werden begünstigt durch bewachsene Vorländer, enge Brückenöffnungen, Sandbänke, Einengungen des Abflussprofils, verringertes Gefälle und durch die Tide. Aufgrund dieser Ursachen werden die Deiche, Hochwasserschutzanlagen und andere Bauwerke in den Flüssen gefährdet und geschädigt. Im letzten Teil wird auf die Bekämpfung von Eishochwassern durch Eisbrecher eingegangen. N2 - The thesis is divided into several parts. The historical part shows the chronology of the ice floods on Oder and Elbe from 1700 to today and compares the causes of then and now. The meteorological part of the influences of weather situations for Greater Europe and the North Atlantic Oscillation are examined for ice floods with the aim of predicting them. In the third part the hazard of making an ice flood is documented, starting with the process of ice forming, growth of the ice thickness, moving forwards of the ice frontier and the blockage through the ice. This results in high water levels rise. These are favored by vegetation on the banks, narrow bridge openings, sandbanks, narrowing of the outflow profile, reduced gradient and by the Tide. Because of these reasons the dikes, flood control facilities and other structures and buildings are endangered and damaged. The last part deals with the fight against ice floods through icebreakers. KW - Inlandeis KW - Hochwasserschaden KW - Deich KW - Eishochwasser KW - Nordatlantische Oszillation KW - Prozess der Eisbildung KW - Schmale Brückenöffnungen KW - Blockaden durch Eis KW - North Atlantic Oscillation KW - Process of ice forming KW - Ice floods KW - Narrow bridge openings KW - Blockage through the ice Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23582 ER - TY - THES A1 - Trinh, Xuan Manh T1 - A methodological framework for future flood risk assessment in ungauged and data-scarce coastal river catchments in Southeast Asia T1 - Ein methodologisches Modellierungskonzept zur Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage in Südostasien N2 - Ungauged and data-scarce coastal river catchments, small and medium-sized ones in particular, are popular worldwide, especially in developing countries in Southeast Asia. In general, coastal river catchments are exposed to various coastal hazards such as fluvial floods, typhoons, and sea-level rise. In addition, climate change and socio-economic development will substantially change global flood risks. However, in scientific research, flood risk and future flood risk assessments in such coastal river catchments have not been significantly considered. Therefore, the overall objective of this thesis is to propose an innovative methodological framework for modeling and evaluating flood risk in such river catchments in the future under the impacts of climate change, sea-level rise, and land-use change based on using numerical models (hydrological models and land-use change models) and remote sensing data (satellite images and precipitation) in combination with other state-of-the-art methods, tools and models, and new approaches, such as flood risk assessment methods, regionalization methods, and statistical downscaling methods. The proposed framework was adopted, applied, and validated successfully for a case study - Tra Bong River Catchment - on the south-central coast of Vietnam as a test application. The main conclusion of this research is that the proposed framework can provide valuable information and projections of changing future flood risk associated with climatic and socio-economic changes in ungauged and data-scarce coastal river catchments. The proposed framework is designed with free model and method choices, meaning that it can apply different methods and tools for each step depending on the natural characteristics of river catchments, data collection, tools, and understanding of models, etc. Finally, this research can be used as a technical reference for designing and building national, regional, or local frameworks/guidelines for assessing future flood risk in ungauged and data-scarce coastal river catchments in Vietnam and other countries in Southeast Asia. N2 - Einzugsgebiete von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage sind weltweit vorzufinden, unter anderem vor allem in den Entwicklungsländern wie in Südostasien in Vietnam, wo sie typisch für die Einzugsgebiete im zentralen Küstenbereich des Landes sind. Im Allgemeinen sind Einzugsgebiete von Küstenflüssen verschiedenartigen Naturgefahren wie z.B. Überschwemmungen durch Flüsse, Auswirkungen von Taifunen oder dem Anstieg des Meeresspiegels ausgesetzt. Darüber hinaus führen der Klimawandel und sozioökonomische Entwicklungen zu erheblichen Veränderungen des Hochwasserrisikos. Allerdings wurde die Bewertung des aktuellen Hochwasserrisikos und der zukünftiger Hochwasserrisiken für derartige Einzugsgebiete von Küstenflüssen mit unzureichender Datenlage aufgrund fehlender Messsysteme in der Forschung bisher nicht ausreichend untersucht. Aus diesem Grund ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, ein methodologisches Modellierungskonzept für die Modellierung und Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in solchen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung des Klimawandels, des Meeresspiegelanstiegs und der Landnutzungsänderungen vorzuschlagen. Dabei werden numerische Modelle (hydrologische Modelle und Landnutzungsänderungsmodelle), Fernerkundungsdaten (Satellitenbilder und Niederschlag) in Kombination mit anderen verfügbaren Methoden, Werkzeugen und Modellen sowie neuen Ansätzen wie Hochwasserrisikobewertungsmethoden, Regionalisierungsmethoden und statistischen Downscaling-Methoden berücksichtigt. Das neue methodische Modellierungskonzept wird für eine exemplarische Fallstudie (Tra Bong River Catchment) an der südlichen Zentralküste Vietnams angepasst, angewendet und bewertet. Die Dissertation zeigt als wesentliches Ergebnis, dass das vorgeschlagene methodische Modellierungskonzept in der Lage ist, notwendige Informationen und Projektionen für zukünftige Hochwasserrisiken in Verbindung mit klimatischen und sozioökonomischen Veränderungen in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage liefern zu können. Das Konzept ist so aufgebaut, dass die spezifischen Modelle und Methoden für die Anwendung frei wählbar sind, d.h. es können für die Modellierungsschritte je nach den spezifischen Merkmalen des Einzugsgebiets andere Methoden und Modellwerkzeuge verwendet werden. Darüber hinaus kann die Arbeit als technische Referenz für den Entwurf und die Erstellung nationaler oder regionaler (Rahmen-) Richtlinien für die Bewertung des zukünftigen Hochwasserrisikos in Einzugsgebieten von Küstenflüssen ohne ausreichende Messdatenlage in Vietnam und anderen Ländern in Südostasien verwendet werden. KW - Methodological framework KW - Numerical models KW - Flood risks KW - Climate change KW - Ungauged catchments KW - Methodologisches Modellierungskonzept KW - Numerische Modelle KW - Hochwasserrisiko KW - Klimawandel KW - Einzugsgebiete ohne Messdaten KW - Mittelvietnam KW - Küstengewässer KW - Klimawandel KW - Hochwasser KW - Datenerhebung KW - Methodologie KW - Modllierung KW - Numerisches Modell Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64411 ER - TY - JOUR A1 - Frimpong, Bernard Fosu A1 - Koranteng, Addo A1 - Opoku, Fosu Senior T1 - Analysis of urban expansion and its impact on temperature utilising remote sensing and GIS techniques in the Accra metropolis in Ghana (1986–2022) T1 - Analyse der Stadterweiterung und ihrer Auswirkungen auf die Temperatur mit Hilfe von Fernerkundung und GIS-Techniken in der Metropole Accra in Ghana (1986-2022) N2 - The Accra Metropolis of Ghana has experienced rapid urban expansion over the past decades. Agricultural and forest-lands have been transformed into urban/built-up areas. This study analysed urban expansion and its relationship with the temperature of Accra from 1986 to 2022. Multi-source datasets such as remote sensing (RS) and other ancillary data were utilised. Land use land cover (LULC) maps were produced employing the random forests classifier. Land surface temperature (LST) and selected d(RS) Indices were extracted. Regression techniques assessed the interplay between LST and remote sensing indices. The LULC maps revealed increasing trends in the urban/built-up areas at the expense of the other LULC types. The analysis from the LST and the RS indices revealed a direct relationship between temperature and urban/built-up areas and an inverse relationship between temperature and vegetation. Thus, spatial urban expansion has modified the urban temperature of Accra. The integrated utilisation of RS and GIS demonstrated to be an efficient approach for analysing and monitoring urban expansion and its relationship with temperature. N2 - Die Metropole Accra in Ghana hat in den letzten Jahrzehnten eine rasante Ausdehnung des Stadtgebietes erlebt. Landwirtschaftliche Flächen und Waldgebiete wurden in städtische/bebaute Gebiete umgewandelt. Diese Studie untersuchte die städtische Expansion und ihre Beziehung zur Temperatur in Accra von 1986 bis 2022. Es wurden Daten aus mehreren Quellen wie Fernerkundung (Remote Sensing, RS) und andere Zusatzdaten verwendet. Landnutzungs- und Landbedeckungskarten (Land Use Land Cover, LULC) wurden mit Hilfe des Random-Forest-Klassifikators erstellt. Landoberflächentemperatur (Land Surface Temperature, LST) und ausgewählte d(RS)-Indizes wurden extrahiert. Mit Regressionstechniken wurde das Zusammenspiel zwischen LST und Fernerkundungsindizes untersucht. Die LULC-Karten zeigten zunehmende Trends in den städtischen/bebauten Gebieten auf Kosten der anderen LULC-Typen. Die Analyse der LST- und RS-Indizes ergab eine direkte Beziehung zwischen Temperatur und städtischen/bebauten Gebieten und eine umgekehrte Beziehung zwischen Temperatur und Vegetation. Somit hat die räumliche Ausdehnung der Städte die städtische Temperatur in Accra verändert. Die integrierte Nutzung von RS und GIS erwies sich als effizienter Ansatz für die Analyse und Überwachung der städtischen Expansion und ihrer Beziehung zur Temperatur. KW - Urban expansion KW - Change detection KW - Land use land cover KW - Regression KW - Remote sensing KW - Städtische Expansion KW - Erkennung von Veränderungen KW - Landnutzung Landbedeckung KW - Temperatur KW - Fernerkundung KW - Accra KW - Stadt KW - Expansion KW - Landnutzung KW - Temperatur KW - Fernerkundung Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1007/s42452-023-05439-z ER - TY - THES A1 - Bauer, Oliver T1 - Potenziale des Wasser- und Stoffrückhalts in Niederungsgebieten des pleistozänen Tieflands zur Minderung der Nährstoffbelastung in Fließgewässern N2 - Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung von Algorithmen, mit denen auf mesoskaliger Ebene die Auswirkungen des Wassermanagements in grundwasserregulierten Niederungen auf deren Wasserrückhalt abgeschätzt werden können, ebenso wie damit verbundene Änderungen der Nährstoffeinträge in Fließgewässer. Dies geschieht auf der Grundlage breitenverfügbarer Gebietsinformationen, die in dem Geographischen Informationssystem ARC/INFO verarbeitet werden. Den zeitlichen Bezug bilden langjährige Monatsmittel. Die Algorithmen wurden auf das ca. 1900 km² große Einzugsgebiet des Rhin im Nordwesten des Landes Brandenburg angewendet. Dazu wurde eine Grundvariante entwickelt, für die sich die Grundwasserhaltung aus der Landnutzungsverteilung der 1990er Jahre ableitet. Weitere fünf Szenarien folgen möglichen zukünftigen Zielstellungen der Land- und der Wasserwirtschaft. Der auch auf andere Gebiete des nordostdeutschen Tieflands übertragbare Modellansatz reagierte auf sämtliche Eingabeparameter plausibel. Ein Szenarienvergleich ergab eine Minderung des Gebietsabflusses um 45% zur Grundvariante, was einer Minderung von Stoffeinträgen in die Gewässer von bis zu 177 t N/a und 11 t P/a entspricht. N2 - This work documents the development of algorithms to estimate the effects of water table management in regulated bottom lands on the water retention at the mesoscale level, likewise the associated changes of nutrient immissions in running waters. This is done on the basis of broad-available information, which is processed in the Geographical Information System ARC/INFO. Temporal data base on longtime monthly means. The algorithms have been applied to the approx. 1900 km² large catchment area of the River Rhin, situated in the northwest of the country Brandenburg. Therefore a basic variant was developed, for which the groundwater management is derived from the distribution of land use in the decade of 1990. Other five scenarios follow potential future goals of land and of water management. The model approach, being transferable to other areas of the northeastern German lowlands, reacted to all input parameters plausibly. A comparison of the scenarios showed a reduction of the area discharge around 45% to the basic variant, which corresponds to a decrease of nutrient immissions into the waters of up to 177 t N/a and 11 t P/a. KW - Deutschland KW - Niederung KW - Oberflächengewässer KW - Eutrophierung KW - Wasserrücklage KW - Mathematisches Modell KW - Wasserrückhalt KW - Stoffrückhalt KW - Wiedervernässung KW - Melioration KW - Grundwasserhaltung KW - Water table management KW - Controlled drainage KW - Subirrigation Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000420 ER - TY - THES A1 - Gädeke, Anne T1 - Climate and land use change impacts on water resources in the Lusatian river catchments (Germany) - Analysis and assessment considering modelling uncertainties T1 - Die Wasserressourcen der Lausitzer Flusseinzugsgebiete unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungswandel – Analyse, Bewertung und Darstellung der Modellierungsunsicherheiten N2 - In anthropogenically heavily impacted river catchments, such as the Lusatian river catchments Spree and Schwarze Elster in Germany, the robust assessment of potential impacts of climate change on the regional water resources is of high relevance for water resources management. Large uncertainties inherent in future scenarios may, however, reduce the willingness of regional stakeholders to develop and implement suitable adaptation strategies to climate change. This thesis proposes the use of an integrated framework consisting of i) an ensemble based modelling approach and ii) the incorporation of measured and simulated meteorological and hydrological trends to consider uncertainties in climate change impact assessments. In addition, land use, as the most responsive catchment characteristic to buffer potential climate change impacts, is considered as one suitable trigger for climate change adaptation. The ensemble based modelling approach consists of the meteorological output of four climate downscaling approaches (DAs): two dynamical and two statistical. These DAs drive different model configurations of the two conceptually different hydrological models WaSiM ETH and HBV light. The objective of incorporating measured meteorological trends into the analysis was twofold: trends in measured time series can i) be regarded as harbinger for future change and ii) serve as a mean to validate the results of the DAs. In order to evaluate the nature of the trends, both gradual (Mann Kendall test) and step changes (Pettitt test) are considered as well as temporal and spatial correlations in the data. The suitability of land use change as an adaptation strategy to climate change is evaluated in the form of different land use change scenarios: i) extreme scenarios where the entire catchment is parameterised as coniferous forest and uncultivated land and ii) scenarios of changes in crop cultivation and ii) a combination of a change in crop cultivation and forest conversion. As study areas serve three almost natural subcatchments of the Spree and Schwarze Elster (Germany). The results of the ensemble based climate change impact analysis show that depending on the type (dynamical or statistical) of DA used, opposing trends in precipitation, actual evapotranspiration and discharge are simulated in the scenario period (2031 2060). While the statistical DAs simulate a decrease in future long term annual precipitation, the dynamical DAs simulate a tendency towards increasing precipitation. The trend analysis suggests that measured precipitation has not changed significantly during the period 1961 2006. Therefore, the strong decrease in precipitation simulated by the statistical DAs should be interpreted as a rather dry future scenario. The dynamical DAs, on the other hand, are too wet in the reference period and needed to be statistically bias corrected which destroys the physical consistency between the parameters. Concerning temperature, measured and simulated trends agree on a positive trend. The uncertainty related to the hydrological model within the climate change modelling chain is comparably low when long term averages are considered but increases during low flow events. The proposed framework of combining an ensemble based modelling approach with trend analysis on measurements is a promising approach to gain more confidence into the final results of climate change impact assessments and to obtain an increased process understanding of the interrelation between climate and water resources. In terms of climate change adaptation, land use alternatives can have a considerable impact on the water balance components as the analysis of the extreme scenarios revealed. The scenarios of changes in crop cultivation in combination with forest conversion show, however, that the impact on the long term annual water balance is comparably low. An intra annual shift in the water balance components can be triggered which makes these scenarios suitable to reduce low flow risks during the summer. Overall, land use change can serve as one part of an integrated climate change adaptation strategy. Such as strategy needs, depending on the severity of the climate change impact, to include other, especially technical measures of water resources management, such as additional water storage, different strategies to manage the existing and new reservoirs. It may also consider additional water transfers from neighbouring, more water rich, river catchments. Regional adaptation planning needs also to consider problems related to water quality which are a consequence of the long term mining activities in the Lusatian river catchments. Last but not least, adaptation strategies should not only consider climate but also other aspects of global change. N2 - In anthropogen stark überprägten Einzugsgebieten, wie den Lausitzer Flusseinzugsgebieten von Spree und Schwarzer Elster in Deutschland, ist die robuste Abschätzung von potentiellen Auswirkungen des Klimawandels auf die regionalen Wasserressourcen von hoher Relevanz für die Wasserbewirtschaftung. Unsicherheiten in solchen Abschätzungen können jedoch die Bereitschaft von regionalen Akteuren für die Entwicklung und Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel mindern. Um den Unsicherheiten in der Modellierung von Klimafolgen Rechnung zu tragen, wird ein Ansatz bestehend aus i) einem modellgestützten Ensemble und ii) die Integration von Trendanalysen an gemessenen und simulierten meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen vorgeschlagen. Zusätzlich wird die Landnutzung, welche eine sensitive Einzugsgebietseigenschaft zur Pufferung von potentiellen Einflüssen des Klimawandels darstellt, als mögliche Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel berücksichtigt. Der modellgestützte Ensembleansatz besteht aus den meteorologischen Ausgaben von vier, zwei statistischen und zwei dynamischen, regionalen Klimamodellen, welche den Antrieb für unterschiedliche Modellkonfigurationen der konzeptionell unterschiedlichen hydrologischen Modelle WaSiM ETH and HBV light darstellen. Der Integration von Trendanalysen an meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen liegen folgende Annahmen zu Grunde: Trends in den Messungen können i) als Vorboten für zukünftige Veränderungen interpretiert werden und ii) zur Validierung der simulierten meteorologischen Größen der regionalen Klimamodelle dienen. Um die Art der Trends zu beurteilen wurden graduelle (Mann Kendall Test) und abrupte Trends (Pettitt Test) sowie zeitliche und räumliche Korrelationen in den Daten berücksichtigt. Die Eignung von Landnutzungsänderungen als Anpassungsmaßnahme an den Klimawandel wurde in Form von unterschiedlichen Szenarien bewertet: i) extreme Szenarien, bei welchen das gesamte Einzugsgebiet als Nadelwald und Brache parametrisiert wird, ii) eine Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen und iii) eine Kombination aus der Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen und Waldumbau. Als Einzugsgebiete dienen drei anthropogen kaum beeinflusste Teileinzugsgebiete der Spree und Schwarzen Elster (Deutschland). Die Ergebnisse des modellgestützten Ensembles zeigen, dass abhängig von der Wahl des regionalen Klimamodells (dynamisch oder statistisch), gegensätzliche Trends für Niederschlag, aktuelle Verdunstung und Abfluss in der Szenarioperiode (2031 2060) simuliert werden. Die statistischen regionalen Klimamodell berechnen eine Abnahme der langjährigen mittleren Niederschläge, die dynamischen hingegen eine Zunahme. Die Trendanalysen anhand der gemessenen Niederschlagszeitreihen zeigen, dass sich der Niederschlag im Zeitraum 1961 2006 kaum verändert hat. Daraus folgend sollte die starke Niederschlagsabnahme, wie sie von den regionalen statistischen Klimamodellen berechnet wird, als trockenes Zukunftsszenarium interpretiert werden. Andrerseits sind die dynamischen regionalen Klimamodelle in der Referenzperiode zu feucht und müssen statistisch Bias korrigiert werden, was die physikalische Konsistenz zwischen den Parametern zerstört. Bezüglich der Lufttemperatur werden sowohl in den Messungen als auch in den Simulationen positive Trends berechnet. Die Unsicherheit bezüglich der Wahl des hydrologischen Modells im modellgestützten Ensemble ist vergleichsweise gering bei der Betrachtung von langjährigen mittleren Wasserhaushaltsgrößen, nimmt jedoch für Niedrigwässer stark zu. Es konnte gezeigt werden, dass der vorgeschlagene Ansatz bestehend aus Trendanalysen und modellgestütztem Ensemble vielversprechend ist, um mehr Vertrauen in die Ergebnisse von Klimafolgenabschätzungen und ein erhöhtes Prozessverständnis zwischen Klimaveränderungen und deren Auswirkungen auf regionale Wasserressourcen zu erlangen. Landnutzungsänderungen können einen erheblichen Einfluss auf die Wasserbilanz eines Einzugsgebiets haben, wie die Analysen der Extremszenarios belegen. Gleichzeitig zeigen die Szenarien bezüglich einer Verschiebung der Vegetationsperiode von Nutzpflanzen, dass deren Einfluss auf die langjährigen Wasserhaushaltsgrößen gering ist. Eine Verschiebung der Vegetationsperiode eignet sich jedoch, um eine innerjährliche Umverteilung der Wasserhaushaltsgrößen zu bewirken und so das Risiko von Niedrigwässern während der Sommermonate zu reduzieren. Insgesamt können Landnutzungsänderungen einen Bestandteil einer integrierten Strategie zur Anpassung an den Klimawandel darstellen. Diese muss jedoch, in Abhängigkeit des Stärke der Klimaänderungen, auch andere, insbesondere technische Wasserbewirtschaftungsmaßnahmen, wie zusätzlicher Wasserspeicher, unterschiedliche Strategien zur Bewirtschaftung vorhandener und neuer Speicher enthalten. Diese Strategien können auch zusätzliche Wasserüberleitungen aus wasserreicheren Nachbareinzugsgebieten, berücksichtigen. Außerdem müssen Probleme bezügliche der Wasserbeschaffenheit, als eine Konsequenz der langjährigen Bergbauaktivitäten in den Lausitzer Flusseinzugsgebieten, in die regionale Planung zur Anpassung an den Klimawandel einbezogen werden. Schließlich sollten Anpassungsmaßnahmen nicht nur den Klimawandel, sondern auch andere Aspekte des globalen Wandels berücksichtigen. KW - Land use change KW - Climate change impact assessment KW - Trend analysis KW - Lausitzer Flusseinzugsgebiete KW - Trendanalyse KW - Klimawandelimpaktanalyse KW - Landnutzungswandel KW - Unsicherheit KW - Uncertainty KW - Lusatian river catchments KW - Spree KW - Schwarze Elster KW - Einzugsgebiet KW - Klimaänderung KW - Klimamodell KW - Wasserwirtschaft KW - Landnutzung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32519 ER - TY - THES A1 - Feldmann, Lutz T1 - Optimierung des Mitteleinsatzes für Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern im urbanen Raum T1 - Automatic optimization of flood-protection measures at rivers in urban areas N2 - Die Ausarbeitung von wirtschaftlichen Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern stellt insbesondere im urbanen Raum aufgrund vieler Randbedingungen eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Darüber hinaus ist die Variantenstudie mit hydraulischer Modellierung und belastbarer Kostenermittlung ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Aus vielen herkömmlichen Variantenstudien gehen Planungen hervor, ohne alle Einsparpotenziale auszuschöpfen. Mit dieser Arbeit wird ein Planungswerkzeug zur computergestützten automatischen Optimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern entwickelt. Dafür wird die Variantenstudie automatisiert, indem die Variantenbildung, die hydraulische Berechnung und die Variantenbewertung in einem Optimierungssystem miteinander verknüpft werden. Nach entsprechender Konfiguration bewertet das Optimierungssystem automatisch verschiedenste Varianten in iterativer Vorgehensweise. Damit die Suche nach der Vorzugsvariante zielorientiert erfolgt, wird das System von einem heuristischen Optimierungsalgorithmus gesteuert. Das entwickelte Planungswerkzeug bietet eine substanzielle Unterstützung bei der Beantwortung gestalterischer Fragestellungen im Wasserbau und der Kostenoptimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern. Zur Berechnung der Wasserspiegellage und anderer für die Bewertung einer Variante relevanter hydraulischer Parameter kommt das Programm WSPR2007 der Firma PSW-Knauf, Jugenheim zum Einsatz. Die Einbindung von anderen Programmen wäre nach der Entwicklung entsprechender Schnittstellen zum Datenaustausch zwischen hydraulischem Modell und Optimierungssystem möglich. Für die Variantenbildung sind zunächst die Freiheitsgrade bei der Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen zu definieren. Um den Hochwasserschutz zu verbessern, werden Ufererhöhungen, Veränderungen der Gerinnebreiten sowie Veränderungen der Sohlenhöhen und des Sohlengefälles untersucht. Zudem kann wahlweise die Anhebung von das Gewässer kreuzenden Brücken bei der Optimierung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit gilt ein Planungsziel als erfüllt, wenn der Bemessungsdurchfluss ohne Ausuferungen abfließt. Bei der Automatisierung der Variantenstudie ist die Vorgabe des Optimierungsalgorithmus zu beachten, dass eine Variante über eine begrenzte Anzahl Entscheidungsvariablen abzubilden ist. Um dem gerecht zu werden, werden Parametrisierungsansätze entwickelt, die die Schnittstelle zwischen dem Algorithmus und dem hydraulischem Modell bilden. Zur Parametrisierung werden Bézierkurven verwendet, mit denen die Gewässergeometrie nachgeformt wird. Über die Veränderung der entsprechenden Bézierpunkte können verschiedenste Geometrien gebildet und hydraulisch untersucht werden. Für den Optimierungsalgorithmus stellen die Bézierpunkte die Entscheidungsvariablen dar. Wahlweise können durch eine entsprechende Programmoption für den Planzustand Mittel- und Niedrigwasserrinnen im Gewässer vorgesehen werden. Zur Variantenbewertung werden die Kosten für Hochwasserschutzmaßnahmen kalkuliert, die anfallen, um das Bemessungshochwasser schadlos abzuleiten. Hierfür werden Kostenfunktionen für technische Hochwasserschutzmaßnahmen im Detaillierungsgrad einer Entwurfsplanung entwickelt. Um die Leistungsfähigkeit des entwickelten Optimierungssystems zu beurteilen, wird es an einfach nachvollziehbaren Testfällen angewendet. Mit den Anwendungsbeispielen – die auf Daten der Vereinigten Weißeritz im Stadtgebiet von Dresden basieren – wird das Optimierungssystem zur Lösung praxisnaher Problemstellungen eingesetzt. Mit dem angesetzten Bemessungsdurchfluss werden Hochwasserschutzmaßnahmen erforderlich. Es wird untersucht, wie sich Sohleneintiefungen gegenüber Brückenanhebungen verhalten und welche Auswirkungen Gerinneaufweitungen auf die Kosten haben. Im Vergleich zu Lösungen, die in herkömmlicher Vorgehensweise ausgearbeitet wurden, zeigt sich die gute Leistungsfähigkeit des Optimierungssystems. Bei den verschiedenen Anwendungsbeispielen wird stets der richtige Lösungsansatz erkannt, und die Feinabstimmung ermöglicht die Ausarbeitung sehr detaillierter und kostenoptimierter Vorzugsvarianten. Aufgrund der Automatisierung der Variantenstudie wird es möglich, nach der Konfiguration des Systems ohne viel Aufwand des Ingenieurs, die Auswirkungen von verschiedenen Bemessungsgrößen wie Durchfluss und Freibord auf die Kosten zu ermitteln. Die Ergebnisse der automatischen Optimierung sind gut nachvollziehbar, weil eine transparente Aufbereitung der kalkulierten Kosten möglich ist. Darüber hinaus liegt von jeder optimierten Vorzugsvariante der Geometriedatensatz des hydraulischen Modells vor, so dass die Möglichkeit zur Prüfung der hydraulischen Berechnungen gegeben ist. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fragestellungen können ohne Anpassungen am Optimierungssystem auf andere Fließgewässer angewendet werden. Es sind lediglich die für die Planung relevanten Randbedingungen über Schnittstellen einzupflegen. N2 - The design of large-scale flood-protection systems for urban rivers is a complex task with many variables and constraints to consider. To evaluate a design, river hydraulics must be computed and costs for flood-protection measures must be calculated in detail. Finding economical solutions is a time-consuming and costly process. In this dissertation an automatic optimization system is described, which enables an engineer to design cost-efficient solutions for defined levels of urban river flood protection. The automatic optimization process is similar to that of the conventional, manual design process, and analyzes input variables iteratively. Each iteration builds a flood-protection system by combining flood-protection measures, computes the water surface, and evaluates the system by determining investment costs for the chosen flood-protection measures. Throughout the optimization process, which is controlled by an optimization algorithm based on Evolutionary Strategies, costs are minimized. To increase flood protection, changes in the height of river banks and protective walls, the width, the depth and the slope of the channel, and the height of bridges are considered. To vary these parameters automatically, parameterization approaches are applied, which connect the optimization algorithm with the one-dimensional hydraulic river model. Cost-functions are developed and applied to rate each flood-protection system by calculating the investment costs required to realize runoff without flooding. Several test cases are used to analyze the performance of the automatic optimization system. It is shown, that the automatic optimization system solves given problems well and generates realistic, natural river designs. By applying the automatic optimization system to a known problem taken from literature, the correct solution is found in a reasonable computing time. Further the automatic optimization system is applied to a real-world problem. The computed results compare well with the conventionally generated solutions, however, investment costs can be reduced significantly. Once the automatic optimization system is configured to a problem, it generates detailed and reliable solutions automatically. This allows a comprehensive analysis of how discharge, freeboard and other boundary conditions affect the costs. The comparable data supports the decision-making process and the economical expenditure of financial resources. The evaluation of flood-protection systems can be extended further to consider ecological interests, for example. To determine longterm operating efficiency, annualized maintenance costs can be considered as well. KW - Fliessgewässer KW - Hochwasserschutz KW - Kostenoptimierung KW - Automatische Optimierung KW - Hochwasserschutz KW - Wirtschaftliche Mittelverwendung KW - Wirtschaftlichkeit KW - Kostenfunktionen KW - Automatic optimization KW - Flood protection KW - Financial resources KW - Cost-efficient KW - Cost functions Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-11376 ER - TY - RPRT A1 - Gerwin, Werner A1 - Schaaf, Wolfgang A1 - Biemelt, Detlef A1 - Elmer, Michael A1 - Maurer, Thomas A1 - Schneider, Anna T1 - The Artificial catchment 'Hühnerwasser' (Chicken Creek): construction and initial properties N2 - In this first volume of the series ‘Ecosystem Development’, the geographic situation of the artificial catchment 'Chicken Creek', its construction and fundamental structures, as well as an outline of the comprehensive monitoring program are introduced. Established in autumn 2005 thanks to financial support from the Brandenburg University of Technology and the State of Brandenburg itself, the monitoring program was set up in order to document the highly dynamic development of this initial-phase system and describe the newly emerging structures both qualitatively and quantitatively. The data provided by the central monitoring project can also be used as the fundamental basis for a number of other scientific projects. The objective of this series is to document this important research site, including the changes occurring during the ongoing initial stages of ecosystem development. Whereas this volume presents the site itself and the general concept of the monitoring investigations, the following volumes in the series will present the results gathered during each phase of the investigative period. N2 - In diesem ersten Band der Schriftenreihe "Ecosystem Development" werden die geographische Situation, der Bau und grundlegende Strukturen sowie das umfassende Monitoringprogramm im künstlichen Wassereinzugsgebiet "Hühnerwasser" vorgestellt. Im Herbst 2005 konnte mit finanzieller Unterstützung durch die BTU Cottbus und das Land Brandenburg das Monitoringprogramm eingerichtet werden, um die hoch dynamischen Entwicklungen dieses initialen Systems zu dokumentieren und die sich neu entwickelnden Strukturen sowohl qualitativ wie auch quantitativ zu beschreiben. Die durch das zentrale Monitoring gewonnenen Daten können als grundlegende Basis für zahlreiche wissenschaftliche Projekte genutzt werden. Das Ziel dieser Schriftenreihe ist die Dokumentation dieses wichtigen Forschungsgeländes mit seinen Veränderungen während der andauernden Initialphase der Ökosystementwicklung. Während dieser Band die Fläche selbst und das generelle Konzept der Monitoringuntersuchungen vorstellt, befassen sich die folgenden Bände der Reihe mit den Ergebnissen verschiedener Untersuchungszeiträume. T3 - Ecosystem development - 1 KW - Welzow KW - Braunkohlentagebau KW - Rekultivierung KW - Wassereinzugsgebiet KW - Ökosystem KW - Ökosystem KW - Künstliches Wassereinzugsgebiet KW - Hühnerwasser KW - Ecosystem KW - Artificial catchment KW - Chicken Creek Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-20725 SN - 1867-7800 ER - TY - RPRT A1 - Elmer, Michael A1 - Schaaf, Wolfgang A1 - Biemelt, Detlef A1 - Gerwin, Werner A1 - Hüttl, Reinhard F. T1 - The artificial catchment 'Chicken Creek' - initial ecosystem development 2005-2010 N2 - This volume summarizes the monitoring activities and results at the ‘Chicken Creek’ catchment for the period 2005 to 2010. The development in all ecosystem compartments is assessed, classified, and compared to more mature systems with regard to functional relevance and succession stage. In a final synopsis, the whole catchment is evaluated with regard to ecosystem development and an outlook is given on the expected trends both in the short and the medium term. N2 - In diesem Band werden die Dauerbeobachtungen und ihre Ergebnisse im Einzugsgebiet "Hühnerwasser" im Zeitraum 2005 bis 2010 zusammengefasst. Die Entwicklung aller Ökosystemkompartimente wird abgeschätzt, eingeordnet und mit weiter entwickelten Systemen hinsichtlich funktioneller Relevanz und Sukzessionszustand verglichen. In einer abschließenden Zusammenfassung wird die ökosystemare Entwicklung des Gesamteinzugsgebietes bewertet und ein Ausblick auf die erwarteten kurz- und mittelfristigen Trends gegeben. T3 - Ecosystem development - 3 KW - Welzow KW - Braunkohlentagebau KW - Rekultivierung KW - Wassereinzugsgebiet KW - Ökosystem KW - Ökosystem KW - Künstliches Wassereinzugsgebiet KW - Hühnerwasser KW - Monitoring KW - Ecosystem KW - Artificial catchment KW - Chicken Creek KW - Monitoring Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23730 SN - 1867-7800 ER - TY - THES A1 - Niebisch, Michael T1 - Generierung von Niederschlagszeitreihen für Niederschlagsstationen in der Niederlausitz N2 - Die zeitliche Variabilität des Niederschlages auf Skalen von Jahren bis hin zu Ereignissen ist von wesentlicher Bedeutung für die Untersuchung hydrologischer Prozesse. Langjährige Reihen von Niederschlagsdaten mit einer hohen zeitlichen Auflösung stehen nur selten zur Verfügung. Eine Möglichkeit, die Einflüsse der Variabilität von Niederschlägen auf die hydrologischen Prozesse dennoch zu quantifizieren, ist es, stochastisch generierte Reihen als Eingangsdaten für hydrologische Modelle zu nutzen. In dieser Arbeit wurde ein stochastischer Niederschlagsgenerator der aus zwei Stufen besteht, entwickelt. Zunächst erfolgt die Generierung von Niederschlagsereignissen durch ein Poisson-Rectangular-Pulse (PRP) Modell, anschließend werden diese Ereignisse durch eine mikrokanonische multiplikative Zufallskaskade disaggregiert. Die Methodik wurde in die frei zugängliche Software R implementiert. KW - Niederschlagsgenerator KW - Niederschlag KW - Disaggregierung KW - Niederlausitz KW - Disaggregation KW - Precipitation generator KW - Niederlausitz Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41565 ER - TY - THES A1 - He, Qianwen T1 - Evaluating the effect of multi-objective calibration on the modeling of catchment-scale hydrology and nitrogen load T1 - Einfluss der multikriteriellen Kalibrierung bei der Modellierung der hydrologischen Prozesse und der Stickstoffbelastung in Wassereinzugsgebieten N2 - Process-based hydrological models, which simulate nitrogen load from its sources to the receiving waterbody, play an important role in supporting catchment management. The reliability of those models, such as the representative model SWAT used in this study, is determined by a sound calibration and the analysis of the prediction uncertainty. The multi-objective calibration approach prevails the classic single-objective calibration on the spatial parameterization of specific processes. However, the requirement of additional observations and practical procedures limits its application. Moreover, the prediction uncertainty of nitrogen load is inevitable and should also be quantified. This study is a scientific contribution to catchment management by overcoming the challenge with a systematic, well-founded concept of multi-objective calibration and uncertainty analysis for nitrogen load simulation in data-scarce catchments. The concept is tested and proofed by its practical applicability on the Yuan River Catchment (YRC) in China and leads to a generalized, recommended procedure for catchment management application as valuable progress in this field. The study proposed to apply three groups of objectives, multi-site, multi-objective-function, and multi-metric. The applicability and the advantages of two multi-objective calibration approaches, Euclidean Distance and Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm-II were analyzed. To quantify the prediction uncertainty, the study proposed to use the simulations with the highest or the lowest percent bias to represent the uncertainty band of the nitrogen load from the critical source areas (CSAs) and to the stream. The data-scarcity of the YRC was overcome by metrics obtained from open-access satellite-based datasets and metrics extracted from the existing discharge observations. Results show that multi-objective calibration has ensured the model’s better performance in terms of the spatial parameterization, the magnitude of the output time-series and the water balance components, in comparison to single-objective calibration. The predicted CSAs showed that 50% of the total nitrogen (TN) loading to the stream was from 26.3% to 37.1% of the area in the YRC. Meanwhile, over 50% of those TN were from the paddy field. Recommendations for application go to the multi-objective calibration considering all three groups of objectives. Approaches to obtain multi-metric objectives in the YRC are also applicable for catchments with data-scarcity. Recommendations for nitrogen management in the YRC is to emphasize the CSAs identified, especially the paddy field. N2 - Prozessbasierte hydrologische Modelle zur Simulation des Stickstofftransports und der resultierenden Belastung in Gewässern sind der Unterstützung des Managements von Wassereinzugsgebieten wichtig. Die Zuverlässigkeit dieser Modelle, wie das repräsentative Modell SWAT, wird durch eine sorgfältige Kalibrierung und die Analyse der Vorhersageunsicherheit bestimmt. Eine Kalibrierung auf der Basis von mehrkriteriellen Optimierung hat sich gegenüber der Kalibrierung mit einer Zielfunktion insbesondere zur räumlichen Parametrisierung relevanter Prozesse bewährt. Sie erfordert jedoch umfangreiche zusätzliche Beobachtungs- und Messwerte sowie zielführende Vorgehensweisen/Verfahren. Die Schwierigkeit der Quantifizierung der zugehörigen Vorhersageunsicherheit der Stickstoffbelastung erhöht sich ebenfalls deutlich. Diese Dissertation ist ein wissenschaftlicher Beitrag zum Management von datenarmen Wassereinzugsgebieten, indem sie die gegebene Herausforderung mit einem systematischen, fundierten Konzept der mehrkriteriellen Kalibrierung und zugehörige Unsicherheitsanalyse für die Simulation der Stickstoffbelastung angeht. Das Konzept wird hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit am Beispiel des Yuan River Catchment (YRC) in China entwickelt und getestet. Daraus wird eine allgemeine Vorgehensweise in datenarmen Wassereinzugsgebieten als wissenschaftlicher Beitrag in diesem Bereich abgeleitet. In der Dissertation werden die verschiedenen Zielkriterien bei der Modellkalibrierung in drei Gruppen klassifiziert: multi-site, multi-objective-function und multi-metric. Die Anwendbarkeit und die Vor- und Nachteile von zwei mehrkriteriellen Kalibrierungsverfahren, Euclidean Distance und Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II werden eingesetzt. Um die Vorhersageunsicherheit zu quantifizieren, werden die Simulationen mit der höchsten oder niedrigsten prozentualen Abweichung für die Spezifikation der Unsicherheitsbandbreite verwendet. Die Datenknappheit des Wassereinzugsgebietes YRC wurde durch die Verwendung von Messungen aus mehrerer, verschiedenen Quellen (multi-metric) überwunden: satellitenbasierte Open-Access-Datensätzen und die vorhandenen Abflussmessungen im Gewässer. Die Ergebnisse zeigen, dass die mehrkriteriellen Kalibrierung die Qualität des Simulationsmodells im Vergleich zur Kalibrierung mit einer Zielfunktion signifikant erhöht hat. Die vorhergesagten kritischen Stickstoffeintragsbereiche (critical source areas, CSAs) zeigen, dass 50% der gesamten Stickstoffbelastung des Yuan River 26,3% bis 37,1% der Fläche im YRC ausmachen. Für die praktische Umsetzung beim Management von Wassereinzugsgebieten wird empfohlen, für die mehrkriteriellen Kalibrierung in datenarmen Einzugsgebieten wie dem YRC alle drei Gruppen von Zielkriterien zu verwenden. Spezifisch für das YRC wird empfohlen, bzgl. der Stickstoffbelastung ein besonderes Augenmerk auf die Reisfelder im Bereich der CSAs und deren Bewirtschaftung zu legen. KW - Multi-objective calibration KW - Prediction uncertainty KW - Hydrological modeling KW - Catchment with data-scarcity KW - Nitrogen load simulation KW - Multikriterielle Kalibrierung KW - Vorhersageunsicherheit KW - Hydrologische Modellierung KW - Datenarme Einzugsgebiete KW - Simulation der Stickstoffbelastung KW - Roter Fluss KW - Mathematische Modellierung KW - SWAT< Software> KW - Wasserherkunftsgebiet KW - Stickstoffbelastung KW - Mehrkriterielle Optimierung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52330 ER - TY - RPRT A1 - Schaaf, Wolfgang A1 - Biemelt, Detlef A1 - Hüttl, Reinhard, F. T1 - Initial development of the artificial catchment 'Chicken Creek' - monitoring program and survey 2005-2008 N2 - This report introduces the monitoring installations of the artificial catchment 'Chicken Creek' and summarizes results of the measurement in the period 2005-2008, covering various aspects and compartments from meteorology and hydrology, soil and soil solution chemistry, vegetation and soil fauna to limnology and surface patternsfor the period 2005 to 2008. This volume is the beginning of a series with results of the ongoing Chicken Creek monitoring program. N2 - Dieser Bericht beschreibt die Monitoringeinrichtungen des künstlichen Wassereinzugsgebietes "Hühnerwasser" und fasst die Ergebnisse der Untersuchungen in den Jahren 2005 bis 2008 für die Meteorologie und Hydrologie, den Boden, die Bodenlösungschemie, die Vegetation und Bodenfauna, bis hin zur Limnologie und zu Oberflächenformen zusammen. Dieser Band ist der Beginn einer Reihe mit Ergebnissen des laufenden Monitoringprogramms im Einzugsgebiet Hühnerwasser. T3 - Ecosystem development - 2 KW - Welzow KW - Braunkohlentagebau KW - Rekultivierung KW - Wassereinzugsgebiet KW - Ökosystem KW - Ökosystem KW - Künstliches Wassereinzugsgebiet KW - Hühnerwasser KW - Monitoring KW - Ecosystem KW - Artificial catchment KW - Chicken Creek KW - Monitoring Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-20732 SN - 1867-7800 ER - TY - THES A1 - Notay, Kunwar Vikramjeet Singh T1 - Model coupling in hydroinformatics systems through the use of autonomous tensor objects T1 - Modellkopplung in Hydroinformatiksystemen durch Einsatz autonomer Tensorobjekte N2 - There is an increased focus on interdisciplinary research in hydroinformatic related projects for applications such as integrated water resources management, climate change modelling, etc. The solution of common problems in interdisciplinary projects requires the integration of hydroinformatic models into hydroinformatic systems by coupling of models, enabling them to efficiently share and exchange information amongst themselves. Coupling of models is a complex task and involves various challenges. Such challenges arise due to factors such as models required to be coupled together lacking coupling capabilities, different models having different internal data formats, lack of a coupling mechanism, etc. From the perspective of physics, different models may use different discretisations in space and time, operate on different scales in space and time, etc. A model coupling concept using a coupling broker, that is independent from the coupled models, has been developed in this work and been implemented as a prototype for a software framework for coupling hydroinformatic models. It is based on the approach of tensor objects and the ideas of the OpenMI standard for model coupling. Tensor objects are a complete representation of physical state variables including dimensions, units, values, coordinate systems, geometry, topology and metadata. They are autonomous entities that can adapt themselves to the requirements of coupled models through operations such as scaling, mapping, interpolation in space and time, etc. The central entity in coupling is the Tensor Exchange Server, which acts as the coupling broker. It is responsible for defining the coupling mechanism, brokering the communication between the models and adapting the information to the requirements of the coupled models by taking advantage of the functionality provided by tensor objects. By fulfilling these roles in coupling, the coupling broker concept goes one step further than tools such as the OpenMI standard and facilitates the task of coupling models since each coupled model doesn't individually need to be adapted to be able to perform these tasks on its own. The usefulness of the coupling broker concept for coupling models is demonstrated with the help of three application examples: firstly, a subsurface-flow model coupled with a model simulating metabolism in the hyporheic zone, secondly, a subsurface-flow model coupled with a surface-flow model and finally, an information management system presenting the results of a hydrodynamic simulation of a section of the river Rhine. These examples demonstrate the extensibility and flexibility of the presented coupling concept, which can be used to couple multiple hydroinformatic models in hydroinformatic systems. N2 - In Projekten der Hydroinformatik gewinnt der interdisziplinäre Aspekt zunehmend an Bedeutung wie z.B. bei Projekten zum IWRM (Integrated Water Resources Management) oder Modellierungen zum Einfluss des Klimawandels auf dem Wasserhaushalt. Zur Bearbeitung derartiger interdisziplinäre Problemstellungen ist eine Kopplung verschiedener Modelle der Hydroinformatik erforderlich, die u.a. eine gemeinsame Informationsverwaltung und einen gegenseitigen Informationsaustausch der Modelle realisiert. Die Kopplung von Modellen ist eine komplexe Aufgabe, welche durch verschiedene Faktoren noch erschwert wird. Eine der größten Herausforderungen ist die oft mangelnden Kopplungsschnittstellen und Kopplungsfähigkeit von Modellen, welche sich anhand fehlender Kopplungsmechanismen und Unterschieden im internen Datenformat, in den verwendeten Raum- und Zeitskalen sowie der Diskretisierung von Raum und Zeit bemerkbar machen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Modellkopplungskonzept, das sich auf ein modellunabhängiges Brokerkonzept basiert, für Modelle der Hydroinformatik entwickelt und mit einem Prototyp für ein Software-Framework umgesetzt. Dieser basiert auf einem objektorientierten Ansatz zur Modellierung physikalischer Zustandsvariablen und deren Beziehungen durch Tensorobjekte und den Modellkopplungsideen von OpenMI. Tensorobjekte sind eine vollständige Repräsentation physikalischer Zustandsgrößen, einschließlich Dimensionen, Einheiten, Größen, Koordinatensysteme, Geometrie, Topologie und Metadaten. Tensorobjekte sind autonome Entitäten, die sich an die Anforderungen der gekoppelten Modelle flexibel anpassen können. Ein Tensor Exchange Server übernimmt die zentrale Aufgabe der Kopplung der verschiedene Modelle als eine Art Kopplungsbroker. Zu seinen Funktionen zählen die Definition des Kopplungsmechanismus, die Kommunikation zwischen gekoppelten Modellen und die Anpassung dieser Informationen an die Anforderungen der Modelle (z.B. Zeit- und Ortsdiskretisierung) durch Ausnutzung der internen Anpassungsfähigkeit von Tensorobjekten. Diese Funktionsweise des Kopplungsbroker erübrigt eine individuelle interne Anpassung der einzelnen gekoppelten Modellen und geht somit einen Schritt weiter als konventionelle Kopplungsstandards wie OpenMI. Die Vorzüge der Kopplung von Modellen durch das Kopplungsbrokerkonzept wird anhand drei Anwendungsbeispielen aufgezeigt: ein Untergrundströmungsmodell gekoppelt mit einem Modell für Metabolismus in der hyporheischen Zone, ein Untergrundströmungsmodell gekoppelt mit einem Fließgewässerströmungsmodell und ein Informationsmanagementsystem mit 2D-Modellierungsergebnissen, GIS Modellen, Datenbankmodellen, etc. für einen Abschnitt des Flusses Rhein. Diese Beispiele zeigen die Flexibilität und Erweiterungsmöglichkeiten des hier vorgestellten Kopplungskonzepts, welches in der Kopplung verschiedenster Modelle in Hydroinformatiksystemen angewendet werden kann. KW - Model coupling KW - Tensor objects KW - Hydroinformatics KW - Software framework KW - Modellkopplung KW - Hydroinformatik KW - Tensorobjekte KW - Hydrologie KW - Informatik KW - Tensor KW - Modellverbindung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36182 ER - TY - THES A1 - Pohle, Ina T1 - Analyse der potenziellen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den natürlichen Wasserhaushalt und die Wassermengenbewirtschaftung der Lausitz T1 - Analysis of potential impacts of climate and land use changes on the natural water balance and on the water resources management of Lusatia N2 - In den Lausitzer Flusseinzugsgebieten bestehen aufgrund eines verhältnismäßig geringen natürlichen Wasserdargebots und durch die Auswirkungen des Braunkohlebergbaus bzw. dessen abrupten Rückgangs in den 1990er Jahren Probleme hinsichtlich der Bereitstellung von Wasser in ausreichenden Menge und Qualität für die vielfältigen Nutzungen. Vor diesem Hintergrund sind die Auswirkungen potenzieller Klima- (ansteigende Temperaturen und sinkende Niederschläge) und Landnutzungsänderungen (weiterer Rückgang des Braunkohlebergbaus sowie verstärkter Anbau agrarischer Energiepflanzen) auf die regionalen Wasserressourcen von besonderem Interesse. Es stellt sich die Frage, in welchem Ausmaß wasserwirtschaftliche Engpässe möglicherweise verschärft werden bzw. durch gezielte Anpassungsmaßnahmen ausgeglichen werden können. Voraussetzung zur Ableitung von Anpassungsmaßnahmen sind ortsspezifische Antworten hinsichtlich der möglichen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den natürlichen Wasserhaushalt und die Wassermengenbewirtschaftung. Diese wurden mit einem Ensemble aus den regionalen Klimamodellen STAR und WettReg, Landnutzungsszenarien in Bezug auf Braunkohlebergbau und Energiepflanzenanbau, den hydrologischen Modellen SWIM und EGMO sowie dem Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo untersucht. Als Grundlage für die Analyse wurden mit dem ökohydrologischen Modellsystem SWIM für die Einzugsgebiete von Schwarzer Elster, Dahme, Spree (bis Pegel Große Tränke) und Lausitzer Neiße (bis Pegel Steinbach) je ein Modell zur Simulation des natürlichen Wasserhaushalts aufgebaut. Der klassische Ansatz zur Modellparametrisierung durch Kalibrierung anhand beobachteter Abflüsse ist aufgrund der starken anthropogenen Überprägung des Abflussgeschehens durch Braunkohlebergbau und Wasserwirtschaft erschwert. Daher erfolgte zunächst eine Kalibrierung für weniger überprägte Teileinzugsgebiete, anschließend wurden die Modellparameter durch Regionalisierung auf die Gesamtgebiete übertragen. Bei Simulationen mit SWIM für Klimaszenarien mit ansteigender Jahresmitteltemperatur zeigen sich Zunahmen der potenziellen Verdunstung um bis zu 30 % im langjährigen Mittel. Aufgrund der in diesen Szenarien projizierten Abnahme der Niederschlagsjahressummen steigt die mittlere reale Verdunstung nur um bis zu 10 %, weiterhin ergibt sich ein Rückgang der Jahresmittel von Abfluss und Grundwasserneubildung um bis zu 60 %. Ein Rückgang des Grundwasserabsenkungstrichters und damit die Vergrößerung der abflusswirksamen Einzugsgebietsfläche mindert die Auswirkungen der klimatischen Änderungen geringfügig. Bei einem verstärkten Anbau von Winterraps ergeben sich bei gleichem Klimaszenario aufgrund verringerter realer Verdunstung höhere Abflüsse und Grundwasserneubildungsraten im Vergleich zu Winterweizen als Referenzvariante. Die Ergebnisse der natürlichen Wasserhaushaltskomponenten spiegeln hohe Bandbreiten der Klimaprojektionen wider. Unsicherheiten bestehen weiterhin in der hydrologischen Reaktion auf geänderte klimatische Bedingungen, wie Vergleiche der Ergebnisse von SWIM mit denen des hydrologischen Modells EGMO aufzeigen. Im Vergleich dazu sind die mit den Landnutzungsänderungen verbundenen Unsicherheiten eher von untergeordneter Bedeutung. Durch den Rückgang der natürlichen Abflüsse und von Sümpfungswassereinleitungen ergeben sich in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung mit WBalMo Abnahmen der bewirtschafteten Abflüsse um bis zu 50 %. Das hätte zur Folge, dass die Nutzeransprüche nicht mehr ausreichend erfüllt werden können. Es zeigte sich, dass die negativen Auswirkungen der Klima- und Landnutzungsänderungen durch wasserwirtschaftliche Maßnahmen innerhalb des Untersuchungsgebiets, wie zum Beispiel eine geänderte Speicherbewirtschaftung, nicht ausreichend gemindert werden, die Überleitung von Wasser aus der Elbe jedoch eine geeignete Anpassungsoption darstellt. Die Unsicherheiten bezüglich der natürlichen Wasserhaushaltskomponenten ziehen in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung hohe Bandbreiten der Ergebnisse nach sich. Der Ansatz der ensemblegestützten Analyse erlaubt es, Auswirkungen potenzieller Klima- und Landnutzungsänderungen auf die natürlichen Wasserhaushaltskomponenten und die Wassermengenbewirtschaftung abzuschätzen und damit verbundene Unsicherheiten zu berücksichtigen sowie mögliche Anpassungsoptionen zu identifizieren. N2 - In the Lusatian river catchments, the allocation of water in sufficient quantity and of adequate quality for various purposes is constrained by relatively low natural water availability as well as by the consequences of lignite mining and its rapid decrease in the 1990s. Thus, the impacts of potential climate (increasing temperature and decreasing precipitation) and land use changes (further decrease of the mining activities and an increasing cultivation of arable energy crops) on water resources are of major interest. The fundamental question is to what extent the already existing deficits in water management are exacerbated and whether they can be mitigated by adaptation measures. In order to derive adaptation measures, site-specific results regarding the possible impacts of climate and land use changes on the natural water balance as well as on water resources management are necessary. Therefore, an ensemble consisting of the regional climate models STAR and WettReg, land use scenarios in terms of lignite mining and energy crop production, the hydrological models SWIM and EGMO, as well as the long term water management model WBalMo is used. As a prerequisite for the analysis, the ecohydrological model SWIM was set up for the catchments of the Schwarze Elster River, the Dahme River, the Spree River (up to Große Tränke gauge) and the Lusatian Neisse River (up to Steinbach gauge) each in order to simulate natural water balance components. The traditional approach of calibrating hydrological models based on time series of observed discharges is aggravated due to the strong impacts of mining and water management on discharge. Therefore, in a first step the models were calibrated for subcatchments with only minor anthropogenic influence on discharge. In a second step, the model parameters were transferred to the entire catchments via regionalization. In climate scenarios with increasing temperature, SWIM simulates increases in the potential evapotranspiration of up to 30 % on the long term average. As declining precipitation is projected in these scenarios, the actual evapotranspiration increases by 10 % on average only, whereas discharge and groundwater recharge decline by up to 60 %. The declining ground water depression cone and thus the increase of the catchment area contributing to runoff only slightly alleviates the effects of climate change. An increasing cultivation of winter oil seed rape results in slightly reduced actual evapotranspiration and therefore in increased discharge and ground water recharge compared to simulations with the same climate scenario and winter wheat as reference crop. Overall, the simulation results of the natural water balance components reflect high bandwidths of the climate projections. Further uncertainties are added by the hydrological reaction to changing climate conditions, as shown by comparing the results of SWIM with those of the hydrological model EGMO. In comparison, the uncertainties related to land use changes are minor. Due to decreasing natural discharges as well as decreasing mining discharges, which are released into the rivers, simulations with WBalMo show declining managed discharges by 50 % on the long term average. As a consequence, the demands of the water users cannot be satisfied sufficiently. The impacts of climate and land use changes cannot be adequately mitigated by adaptation measures in terms of an altered management within the study region, e.g. reservoir management. A transfer of water from the Elbe River to the study region, however, might be a feasible option to alleviate negative climate and land use change impacts. The uncertainties associated with the simulation of natural discharges also cause high bandwidths in the simulation of water management regarding climate and land use scenarios as well as hydrological models. The ensemble-based analysis allows the assessment of (1) potential climate and land use change impacts on the natural water balance components as well as on the water resources management in the Lusatian river catchments, (2) uncertainties in these impacts and (3) feasible adaptation options. KW - Hydrologie KW - Wasserbewirtschaftung KW - Klimaänderungen KW - Landnutzungsänderungen KW - Anpassungsoptionen KW - Adaptation strategies KW - Hydrology KW - Climate change KW - Land use change KW - Water management KW - Lausitz KW - Hydrologie KW - Klimaänderung KW - Wasserwirtschaft KW - Landnutzung KW - Anpassung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32262 ER - TY - JOUR A1 - Frimpong, Bernard Fosu A1 - Molkenthin, Frank A1 - Koranteng, Addo T1 - Analysis of temperature variability utilising Mann–Kendall and Sen’s slope estimator tests in the Accra and Kumasi metropolises in Ghana T1 - Untersuchung der Temperaturvarabilität mit Mann–Kendall-Trendtest und Sen-Slope Schätzer in den Städten Accra und Kumasi in Ghana N2 - Temperature variability may have direct and indirect impacts on the environments of the Accra and Kumasi Metropolises in Ghana. This study analysed temperature and trends in temperature in both cities using in-situ measurements from one meteorological station in both cities from 1986 to 2015. The temperature indices were computed using the RClimdex package from the Expert Team on Climate Change Detection Monitoring Indices (ETCCDMI). The temperature time series was pre-whitened before the Mann–Kendall trend and Sen’s slope estimator analysis were applied. Initial analysis revealed minimal variation in temperature in both cities. The results from the analysed temperature indices revealed an increase in warm days and a general rise in the minimum temperature compared to maximum temperatures. Mann Kendall and Sen’s slope revealed significant trends in the annual and seasonal (dry and wet seasons) in minimum temperature in both cities. These might lead to an increased rate of heat-stressed diseases and an overall rise in urban warming in both cities. The analysis of temperature, indices and trends provided comprehensive insights into the temperature of Accra and Kumasi. The results highlight the essence of evaluating temperature indices and trends in light of Climate Change concerns. It is recommended that urban green and blue spaces should be incorporated into land use plans as these policy directions can aid regulate the temperature in both cities. N2 - Temperaturschwankungen können direkte und indirekte Auswirkungen auf die Umwelt in den Metropolen Accra und Kumasi in Ghana haben. In dieser Studie wurden die Temperatur und die Temperaturtrends in beiden Städten anhand von Messungen jeweils einer meteorologischen Station in beiden Städten von 1986 bis 2015 analysiert. Die Temperaturindizes wurden mit dem RClimdex-Paket des Expert Team on Climate Change Detection Monitoring Indices (ETCCDMI) berechnet. Die gemessenen Temperaturzeitreihen wurde für die Analyse mit Mann-Kendall-Trend und Sen-Slope Schätzer auf- und vorbereitet. Eine erste Analyse ergab minimale Temperaturschwankungen in beiden Städten. Die Ergebnisse der analysierten Temperaturindizes zeigten eine Zunahme der warmen Tage und einen allgemeinen Anstieg der Minimaltemperatur im Vergleich zu den Maximaltemperaturen. Beide Methoden zeigten signifikante Trends im jährlichen und saisonalen (Trocken- und Regenzeit) Verlauf der Mindesttemperatur in beiden Städten. Diese Trends könnten zu einer Erhöhung von hitzebedingten gesundheitlichen Problemen und einer allgemeinen Erwärmung in beiden Städten führen. Die Analyse von Temperaturen, Indizes und Trends führte zu einem erweiterten Verständnis der Temperaturverläufe in Accra und Kumasi. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Bewertung von Temperaturindizes und -trends im Hinblick auf den Klimawandel. Es wird empfohlen, städtische Grün- und Wasserflächen in die Flächennutzungspläne mit aufzunehmen, damit diese strategischen Planungs- und Regelwerke genutzt werden können, die die Temperatur in beiden Städten positiv beeinflussen zu können. KW - Temperature variability KW - Mann-Kendall test KW - Sen's slope estimator KW - Accra KW - Kumasi KW - Temperaturvarabilität KW - Sen-Slope Schätzer KW - Accra KW - Kumasi KW - Temperatur KW - Schwankung Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1186/s40068-022-00269-1 ER - TY - THES A1 - Gröschke, Andreas T1 - Eisenhaltige Schlämme aus Grubenwasserreinigungsanlagen des Lausitzer Braunkohlereviers T1 - Iron-containing sludges from mine water treatment plants in the Lusatian lignite mining district N2 - Bei der Behandlung saurer Grubenwässer fallen in den Grubenwasserreinigungsanlagen des Lausitzer Braunkohlereviers jährlich rund 13 Mio. m³ Schlamm an. Dabei handelt es sich überwiegend um carbonathaltige Eisenhydroxidschlämme. Die Schlämme werden in Tagebauseen, spezielle Absetzbecken oder in ausgekohlte Tagebaubereiche eingeleitet. Der Umgang mit diesen Dünnschlämmen setzt Kenntnisse ihres Umweltverhaltens voraus. Zur Charakterisierung ihrer Eigenschaften wurde mit dem Schlamm-Modell ein komplexes Instrumentarium entwickelt. Das physikalische, das mineralogische und das chemische Teilmodell beinhalten jeweils allgemeine Modellvorstellungen, Aussagen zur Untersuchungsmethodik sowie eine entsprechende Charakterisierung der Schlämme aus dem Lausitzer Braunkohlerevier. Im Rahmen der Arbeit wurden Frisch- und Altschlämme aus 6 Grubenwasserreinigungsanlagen, ein synthetisch erzeugter Schlamm, ein Schwertmannitschlamm sowie die Flockungsmittel Weißfeinkalk und Weißkalkhydrat untersucht. Neben physikalischen und chemischen Analysen sowie Säuretitrationen und pH-stat-Versuchen wurden phasenanalytische Untersuchungen (Röntgendiffraktometrie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenmikroanalyse, Thermogravimetrie) durchgeführt. Auf Grundlage der Untersuchunsgergebnisse wurden ein Klassifizierungs- und ein Untersuchungsschema für die Schlämme aus den Lausitzer Grubenwasserreinigungsanlagen abgeleitet. N2 - The treatment of acid mine drainage leads to the formation of about 13 million cubic meters of sludge per year in mine water treatment plants in the Lusatian lignite mining district. These are predominantly carbonate containing ferric hydroxide sludges. The sludges are discharged into mining lakes, special settling ponds or areas of abandoned open cuts. The disposal and use of low-density sludge requires the knowledge of their environmental behavior. Therefore, the so-called sludge model was developed, a complex set of generic tools characterising sludge properties. The physical, mineralogical and chemical sub-models include general model conceptions, the description of methods of the investigation and the according characterization of sludges specific for the Lusatian lignite mining district. Fresh and aged sludges from six treatment plants were investigated as well as one sample of synthesized sludge, a schwertmannite sludge and the treatment chemicals quicklime and hydrated lime. In addition to physical and chemical analyses, acid titrations and pH-Stat experiments as well as phase analyses (X-ray diffraction, transmission and scanning electron mikroscopy, energy dispersive X-ray analysis, thermogravimetric analysis) were performed. Based on the results a classification and investigation scheme for sludges from treatment plants in the Lusatian lignite mining district was developed. KW - Lausitz KW - Braunkohlenrevier KW - Grubenwasser KW - Schlamm KW - Eisen KW - Wasserwirtschaft KW - Braunkohlebergbau KW - PHREEQC Modellierung KW - Oberflächenkomplexierung KW - Eisenhydroxidschlamm KW - Behandlung saurer Grubenwässer KW - Lignite mining KW - PHREEQC modelling KW - Surface complexation KW - Ferric hydroxide sludge KW - Acid mine drainage treatment Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-1647 ER - TY - THES A1 - Filetti, Mirko T1 - Open Source basierte Virtuelle Forschungsumgebungen für Projekte in der ökologischen Langzeitforschung : das „Rapid L-TER VRE“ Baukastenkonzept zur schnellen und nachhaltigen Realisierung T1 - Open Source based virtual research environments for projects in long-term ecological research : the „Rapid L-TER VRE“ kit concept for rapid and sustainable development N2 - Virtuelle Forschungsumgebungen (VRE), sind Plattformen auf Basis von Informations- und Kommunikationstechnologien (engl. ICT) mit ganzheitlichem Ansatz, die das wissenschaftliche Arbeiten im Team und insbesondere dessen Kommunikation und Organisation unterstützen sollen. Sie haben zum Ziel, schneller und besser zu nachvollziehbaren Ergebnissen zu gelangen, als bisher. Projekte in der ökologischen Langzeitforschung (engl. long-term ecological research, im Folgenden als L-TER bezeichnet) sind durch den Langzeitaspekt und Raumbezug in der Regel umfangreiche Projekte mit mittleren und großen Datenmengen (Medium Data und Big Data) sowie interdisziplinären, örtlich verteilten Forschungsgruppen. Sie sind daher prädestiniert für den Einsatz von VREs. Die vorliegende Arbeit untersucht die spezifischen Aspekte und Anforderungen an virtuelle Forschungsumgebungen von L-TER Projekten im Kontext der Umweltinformatik. Dazu wird der Begriff „L-TER VRE“ eingeführt. Grundlage hierfür ist der Stand des Wissens zu allgemeinen VREs, Datenmanagement und ICT, die interdisziplinär in Verbindung gebracht werden mit den Zielen, Methoden und Daten der L-TER (z.B. Analyse von Zeitreihen). Es zeigt sich, dass sich die Anforderungen an L-TER VREs – aufgrund ihres Einsatzbereiches für langfristige L-TER Projekte – in der Nachhaltigkeit durch ihre Persistenz (Daten, Infrastruktur), Flexibilität (projektspezifische Rahmenbedingungen), der eingesetzten ICT und vom Faktor „Mensch“ mit seinem gesellschaftlichen Umfeld von VREs für andere Aufgaben unterscheiden. Aus den Erkenntnissen wird ein innovatives Baukastenkonzept mit dem Namen „Rapid L-TER VRE“ zur Planung, dem Aufbau und Betrieb von L-TER VREs vorgestellt. Es basiert auf Open-Source-Software und kann durch die gemeinsame Basis der Bausteine auch für allgemeine VREs Verwendung finden. Da VREs oder ähnliche ICT-Infrastrukturen im Rahmen von „e-Science“ als Rückgrat für die Organisation der Projekte prädestiniert sind, ist der Aufbau solcher Infrastrukturen oft schon zur Voraussetzung bei der Antragstellung von Projekten geworden. Ein Prototyp sollte daher bereits vor oder bei der Antragstellung existieren. Spätestens zum Projektbeginn muss eine Produktivumgebung zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund ist das Konzept „Rapid L-TER VRE“ speziell für eine schnelle (engl. rapid) Entwicklung von VRE Prototypen mit einer kurzen Übergangsphase in den Produktivbetrieb ausgelegt. Das Baukastenkonzept wird auf verschiedene existierende Projekte im Umfeld des Fachgebietes „Environmental Informatics“ und der Fakultät „Umwelt und Naturwissenschaften“ der BTU Cottbus-Senftenberg konzeptionell, sowie in der Form von Prototypen angewendet und dessen Anwendbarkeit allgemein bewertet. Aus den Erkenntnissen werden allgemeine Schlussfolgerungen in Bezug auf den Einsatz von Technologien und die Nachhaltigkeit für den erfolgreichen Betrieb von L-TER VREs gezogen – dabei steht der Mensch als „maßgeblicher“ Faktor im Mittelpunkt. N2 - Virtual research environments (VREs) are information and communication technology (ICT) platforms that apply a holistic approach in supporting scientific communities. In particular communication and organization among members of a research group is necessary. With VREs scientific results can be obtained faster, more efficiently and shared with the community on the platform in an immediate, comprehensible and easily accessible form. At the moment, there is no VRE software framework existing, that would be immediately applicable - "out-of-the-box" and suitable for any field of research - "one size fit them all". Large scale and long-term research projects are often interdisciplinary, generate large data sets and may involve the collaboration of spatial distributed research groups. In this thesis project specific aspects and their associated requirements for VREs are examined on the basis of exemplary long-term ecological research (L-TER) projects. The premise for this objective is a profound comprehension of the general functioning of VREs, data management and ICT, which are merged from an interdisciplinary point of view with the objectives, methods and data management of long-term ecological research (e.g. time series analysis). It could be shown that in the field of sustainability the requirements of L-TER VREs differ from general VREs in terms of persistence (data, infrastructure), flexibility (project specific), ICT, and "humans" with their social interaction. Based on these findings, an innovative model kit called "Rapid L-TER VRE" was developed, which is comprised of several compatible modules. By combining them, an efficient framework for planning, setup and operation of L-TER VREs can be presented. "Rapid L-TER VRE" utilizes open-source software and can be applied in any VREs, thanks to the shared conceptual basis of the modules. In the context of “e-science” VREs or similar ICT-platforms are predestined to become the backbone of complex research projects and as a result of this, are often viewed as a prerequisite for novel research proposals. A prototype should therefore be available before or during an application process, but latest at the beginning of a research project. "Rapid L-TER VRE" was specifically designed for the rapid development of VRE prototypes having a short transition phase to an efficient infrastructural research tool in a productive environment. The model kit was applied conceptually, as well as in the form of a prototype to various existing projects from the chair of environmental informatics and the faculty of environment and natural science of the BTU Cottbus-Senftenberg.By assessing the VRE’s practicality, general conclusions on the successful operations of VREs relating to applied technologies and susatainability could be drawn. Humans with their communities must are the „evaluating“ and leading factor in the centre. KW - Virtuelle Forschungsumgebung KW - Ökologische Langzeitforschung KW - Umweltinformatik KW - E-Science KW - Open-Source KW - Virtual research environment KW - Long-term ecological research KW - Environmental informatics KW - E-Science KW - Open-Source KW - Umweltinformatik KW - Virtuelle Forschungsumgebung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48405 ER - TY - THES A1 - Frimpong, Bernard Fosu T1 - Analysis of the relationship between spatial urban expansion and temperature utilising remote sensing and GIS techniques in the Accra and Kumasi Metropolises in Ghana T1 - Analyse des Zusammenhangs zwischen räumlicher, urbaner Ausdehnung und der Temperatur mit Hilfe von Fernerkundungs- und GIS-Techniken in den Metropolen Accra und Kumasi in Ghana N2 - Accra and Kumasi are the two major cities in Ghana. Spatial urban expansion has been experienced in transforming different non-urban Land Use Land Cover (LULC) types into urban/built-up areas with a potential direct relationship to temperature rise in the cities. Thus, this dissertation aims to establish the relationship between urban spatial expansion and temperature in Accra and Kumasi metropolis. Multi-source datasets such as remote sensing images, different GIS vector layers, reference maps and historical temperature datasets were used for this retrospective study. This research was grouped under three components: environmental science, environmental technology, as well as environmental management and planning. From the environmental science component, LULC maps were produced for different years to assess the trend of temporal change in the various LULC classes in the two metropolises. Remote sensing indices and land surface temperature were retrieved from the remote sensing images to determine their correlations. Temperature time series was analysed by calculating temperature indices and determining temporal trends to reveal changes in air temperature to detect urban warming and its impacts. From the environmental technology, the novel random forest algorithm was utilised to classify the satellite images of both cities since previous works have utilised other traditional classifiers. The satellite imageries were used for point-based estimation of temperature to determine Urban Heat Islands (UHIs) hotspots. For environmental management and planning, spatial urban expansion techniques were utilised to ascertain trends in urban/built-up areas, especially in both cities' sub-metropolitan zones. For prescient purposes, future LULC modelling was implemented to provide insights into the proportions of the various LULC changes in 2025. The analysis identified two salient findings: increased urban/built-up areas at the expense of agricultural and forestlands throughout the study period and the positive correlation between spatial urban expansion and temperature. This indicated warming up of urban temperature in both cities. The major findings in this dissertation provided evidence of how integrated datasets and research techniques can be utilised for LULC changes to determine the relationship between spatial urban expansion and temperature at local scales. Institutions such as metropolitan assemblies and policymakers may adopt the concepts demonstrated in this work to rapidly assess urban environments and investigate the relationship between spatial urban expansion and temperature. N2 - Accra und Kumasi sind die beiden größten Städte in Ghana. Die räumliche Ausbreitung des urbanen Siedlungsgebiets der Städte durch die Transformation von Flächen mit nicht-urbanen Landnutzungs-/Landbedeckungsarten in urbane, bebaute Flächen hat einen möglichen direkten Zusammenhang zu der Temperaturerhöhung in beiden Städten. Diese Dissertation zielt deshalb auf die Ermittlung dieser Beziehung zwischen der urbanen Expansion und den Temperaturen in den städtischen Großräumen Accra and Kumasi. Für diese retrospektive Studie wurden umfangreiche Datensätze aus verschiedenen Quellen wie Fernerkundungsbilder, GIS-Vektordatensätze, Referenzkarten und historische Temperaturmessungen verwendet. Die Forschungsarbeit berücksichtigt drei Aspekte, die die Arbeit in drei Komponenten strukturiert: umweltrelevante wissenschaftliche, technologische und verwaltungs-/-planerische Komponenten. In der umweltwissenschaftlichen Komponente wurden Landnutzungs-/Landbedeckungs- (land use / land cover LULC) Karten für verschiedene Jahre für beide Städte erstellt, um den zeitlichen Veränderungstrend zu beurteilen. Fernerkundungsindices und Landoberflächentemperaturen wurden aus Satellitenbildern ermittelt, um ihren Zusammenhang zu bestimmen. Aus Temperaturzeitreihen wurden relevante Kennwerte und zeitliche Trends zum Aufzeigen der Temperaturveränderungen und Nachweis der Stadterwärmung ermittelt. Als technologische, neuartige Forschungskomponente wurde das Random-Forest-Verfahren genutzt, um die Satellitenbilder beider Städte zu klassifizieren. Dies erfolgte in bisherigen Arbeiten bisher nur mit traditionellen Klassifizierungsverfahren. Die Satellitenbilder wurden für die punktuellen Abschätzung von Temperaturen zur Bestimmung von städtischen Wärmeinseln (Urban Heat Islands UHI) ausgewertet. Für die Umweltmanagement- / Umweltplanungskomponente wurden Techniken zur Beschreibung der urbanen Expansion genutzt, um Trends in der bebauten Fläche in den verschiedenen Stadtbezirken zu ermitteln und daraus mögliche LULC Veränderungen bis zum Jahr 2025 zu modellieren. Die Auswertung ergab zwei wesentliche Erkenntnisse: die Zunahme der bebautes/urbanes Flächen zu Lasten von landwirtschaftlichen oder mit Wald bedeckten Flächen und eine positive Korrelation zwischen der Ausweitung der urbanen Flächen und der Temperatur. Letzteres indiziert das Ansteigen der Temperaturen in beiden Städten und damit eine weitere Erwärmung der Städte. Eine wesentliche Erkenntnis der Dissertation ist die Eignung der verwendeten Datensätze und eingesetzte Techniken für die Ermittlung der LULC Veränderungen zur Abschätzung des Zusammenhangs zwischen urbaner Expansion und Anstieg von Temperatoren auf lokaler Skala. Institutionen wie Stadtverwaltungen und -vertretungen und politische Entscheidungsträger können die in dieser Arbeit entwickelten Konzepte anpassen und nutzen, um die urbanen Veränderungen und den Zusammenhang zwischen urbaner Expansion und urbaner Erwärmung zu untersuchen. KW - Spatial urban expansion KW - Temperature KW - Land Use Land Cover KW - Remote sensing KW - GIS KW - Urbane Expansion KW - Temperatur KW - Landnutzung KW - Landbedeckung KW - Fernerkundung KW - Ghana KW - Landnutzung KW - Großstadt KW - Temperatur KW - Fernerkundung KW - Geoinformationssystem Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-60730 ER - TY - THES A1 - Lindenschmidt, Karl-Erich T1 - River water quality modelling for river basin and water resources management with a focus on the Saale River, Germany T1 - Modellierung der Fließgewässergüte für das Einzugsgebiets- und Wasserressourcen-Management mit Schwerpunkt Saale N2 - This thesis focuses on computer modelling issues such as i) uncertainty, including uncertainty in parameters, data input and model structure, ii) model complexity and how it affects uncertainty, iii) scale, as it pertains to scaling calibrated and validated models up or down to different spatial and temporal resolutions, and iv) transferability of a model to a site of the same scale. The discussion of these issues is well established in the fields of hydrology and hydrogeology but has found less application in river water quality modelling. This thesis contributes to transferring these ideas to river modelling and to discuss their utilization when simulating river water quality. In order to provide a theoretical framework for the discussion of these topics several hypotheses have been adapted and extended. The basic principle is that model error decreases and sensitivity increases as a model becomes more complex. This behaviour is modified depending if the model is being upscaled or downscaled or is being transferred to a different application site. A modelling exercise of the middle and lower Saale River in Germany provides a case study to test these hypotheses. The Saale is ideal since it has gained much attention as a test case for river basin management. It is heavily modified and regulated, has been overly polluted in the past and contains many contaminated sites. High demands are also placed on its water resources. To provide discussion of some important water management issues pertaining to the Saale River, modelling scenarios using the Saale models have been included to investigate the impact of a reduction in non-point nutrient loading and the removal and implementation of lock-and-weir systems on the river. N2 - Diese Arbeit konzentriert sich auf Themen, die in der Computermodellierung vorkommen, wie z.B. i) Unsicherheiten, einschließlich Unsicherheiten in den Prozesskonstanten, Dateneingaben und Modellstrukturen, ii) Modellkomplexität und ihre Auswirkungen auf die Unsicherheiten, iii) Skalen, bezogen auf das Übertragen von kalibrierten und validierten Modellen auf kleinere oder größere Skalen mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen, und iv) Übertragbarkeit eines Modells auf einem Gebiet der gleichen Skala. Diese Themen, die in der Hydrologie und Hydrogeologie häufig diskutiert werden, haben wenig Anwendung in der Fließgewässergütemodellierung gefunden. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, diese Konzepte in die Flussmodellierung zu übertragen. Um einen theoretischen Rahmen für die Diskussion dieser Themen zu stellen sind einige Hypothesen übernommen, verändert und ergänzt worden. Das Grundprinzip dieser Hypothesen ist dass bei ansteigender Komplexität des Modells, der Fehler zwischen Modellergebnissen und Messdaten verringert und die Gesamtsensitivität des Modells erhöht wird. Dieses Verhalten verändert und verschiebt sich entsprechend, wenn das Modell auf andere Skalen oder auf ein anderes Anwendungsgebiet der gleichen Skala übertragen wird. Diese Hypothesen wurden durch eine Modellierung der mittleren und unteren Verläufe des Saale-Flusses geprüft. Die Saale ist als Fallstudie gut geeignet, da sie als Testfall für Flussgebietsmanagement viel Aufmerksamkeit erregt hat. Der Fluss ist mit vielen technischen Baumaßnahmen stark verändert worden, ist in der jüngeren Vergangenheit übermäßig verschmutzt worden, und enthält viele Altlasten. Von den Wassserressourcen wird ein hoher Nutzungsgrad in Anspruch genommen. Um einige wichtige wasserwirtschaftliche Fragen im Zusammenhang mit der Saale zu diskutieren wurden Simulationsergebnisse von Szenarienberechnungen bereitgestellt, um die Auswirkung einer Verringerung diffuser Nährstoffbelastung und die Demontage und Implementierung von Schleusen- und Wehranlagen am Fluss zu untersuchen. KW - Water resources management KW - Water quality KW - High level architecture (HLA) KW - Saale River KW - Eutrophication KW - Saale KW - Hydrologie KW - Computersimulation KW - Saale KW - Wasserqualität KW - Eutrophierung KW - Wasserressourcen-Management Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45959 ER - TY - THES A1 - Li, Chi-Yu T1 - Time series scenario composition framework in Hydroinformatics Systems T1 - Ein Software-Framework für die Erstellung von Zeitreihenszenarien in Hydroinformatik-Systemen N2 - Since Z3, the first automatic, programmable and operational computer, emerged in 1941, computers have become an unshakable tool in varieties of engineering researches, studies and applications. In the field of hydroinformatics, there exist a number of tools focusing on data collection and management, data analysis, numerical simulations, model coupling, post-processing, etc. in different time and space scales. However, one crucial process is still missing — filling the gap between available mass raw data and simulation tools. In this research work, a general software framework for time series scenario composition is proposed to improve this issue. The design of this framework is aimed at facilitating simulation tasks by providing input data sets, e.g. Boundary Conditions (BCs), generated for user-specified what-if scenarios. These scenarios are based on the available raw data of different sources, such as field and laboratory measurements and simulation results. In addition, the framework also monitors the workflow by keeping track of the related metadata to ensure its traceability. This framework is data-driven and semi-automatic. It contains four basic modules: data pre-processing, event identification, process identification, and scenario composition. These modules mainly involve Time Series Knowledge Mining (TSKM), fuzzy logic and Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS) to extract features from the collected data and interconnect themselves. The extracted features together with other statistical information form the most fundamental elements, MetaEvents, for scenario composition and further time series generation. The MetaEvents are extracted through semi-automatic steps forming Aspects, Primitive Patterns, Successions, and Events from a set of time series raw data. Furthermore, different state variables are interconnected by the physical relationships derived from process identification. These MetaEvents represent the complementary features and consider identified physical relationships among different state variables from the available time series data of different sources rather than the isolated ones. The composed scenarios can be further converted into a set of time series data as, for example, BCs, to facilitate numerical simulations. A software prototype of this framework was designed and implemented on top of the Java and R software technologies. The prototype together with four prototype application examples containing mathematical function-generated data, artificial model-synthetic hydrological data, and measured hydrological and hydrodynamic data, are used to demonstrate the concept. The results from the application examples present the capability of reproducing similar time series patterns from specific scenarios compared to the original ones as well as the capability of generating artificial time series data from composed scenarios based on the interest of users, such as numerical modelers. In this respect, it demonstrates the concept’s capability of answering the impacts from what-if scenarios together with simulation tools. The semi-automatic concept of the prototype also prevents from inappropriate black-box applications and allows the consideration of the knowledge and experiences of domain experts. Overall, the framework is a valuable and progressive step towards holistic hydroinformatics systems in reducing the gap between raw data and simulation tools in an engineering suitable manner. N2 - Seit der erste automatische, programmierbare und betriebsfähige Computer, Z3, im Jahr 1941 entwickelt wurde, sind Computer ein unverzichtbares Werkzeug für die vielfältigen Aufgaben in der ingenieurwissenschaftlichen Forschung und Praxis geworden. Auf dem Gebiet der Hydroinformatik gibt es eine Reihe von Werkzeugen, die den Fokus u. a. auf Datenerfassung und -management, Datenanalyse, numerische Simulationen, Modellkoppelung sowie Ergebnisauswertung in unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen legen. Ein wesentlicher Arbeitsschritt wird jedoch nur unzureichend unterstützt: die Aufbereitung von Rohdaten zur Spezifikation von Szenarien als Eingabegrößen für Simulationswerkzeuge. In dieser Forschungsarbeit wird ein generelles Konzept für die ingenieurgerechte Erstellung von Zeitreihen zur Szenarienspezifikation vorgeschlagen. Das Ziel des Konzepts ist die Bereitstellung von Zeitreihen als Eingangsdatensätze, z. B. Randbedingungen, für Simulationsaufgaben zur Analyse von benutzerspezifizierten Was-Wäre-Wenn-Szenarien. Die Szenarien werden aus verfügbaren Rohdaten unterschiedlicher Quellen, z. B. Feld- und Labormessungen und Simulationsergebnissen, erstellt. Das Konzept protokolliert zudem den Arbeitsablauf durch zugehörige Metadaten, um die Nachvollziehbarkeit der Arbeitsschritte sicherzustellen. Das Konzept ist datengesteuert und halbautomatisch. Es enthält vier wesentliche Module: Datenvorbereitung, Eventidentifizierung, Prozessidentifizierung und Szenariokomposition. Diese Module verwenden als theoretische Grundlagen vor allem Time Series Knowledge Mining (TSKM), Fuzzylogik und Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS), um Merkmale verschiedener Zustandsgrößen aus den gesammelten Daten zu extrahieren und miteinander zu verbinden. Die gesammelten Merkmale samt anderen statistischen Daten gestalten die grundsätzlichsten Komponenten, sog. MetaEvents, für die Szenariokomposition und die weitere Generierung der resultierenden Zeitreihen für die Simulation der Szenarien. Die MetaEvents werden halbautomatisch mit Hilfe von Aspects, Primitive Patterns, Successions und Events gebildet. Zusätzlich werden durch Prozessidentifizierung funktionale Beziehungen zwischen den verschiedenen Zustandsvariablen abgeleitet. Die MetaEvents stellen komplementäre Merkmale dar und berücksichtigen die identifizierten physikalischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Zustandsvariablen aus den verfügbaren Zeitreihendaten anstatt der traditionellen getrennten Verarbeitung. Die mit den MetaEvents zusammengestellten/komponierten Szenarien ermöglichen die Generierung von resultierenden Zeitreihen von Randbedingungen für numerische Simulationen. Ein Software-Prototyp dieses Konzepts wurde auf Basis von Java- und R-Software-Technologien entworfen und implementiert. Der Prototyp zusammen mit vier Prototyp-Anwendungsbeispielen – ein mathematisch-analytischer Datensatz, ein künstlicher hydrologischer Datensatz, ein real gemessener hydrologischer Datensatz und ein hydrodynamischer Datensatz – werden benutzt, um die Funktionsfähigkeit des Prototyps und die Eigenschaften des Konzepts zu demonstrieren und nachzuweisen. Die Anwendungsbeispiele weisen nach, das Zeitreihenmuster aus spezifischen Originalszenarien reproduziert werden können und zeigen die Fähigkeit auf, für den Anwender, z. B. numerische Modellierer, Zeitreihen für relevante, interessante Szenarien zu generieren. In dieser Hinsicht demonstriert es die Fähigkeit, die Auswirkungen von Was-Wäre-Wenn-Szenarien mit Simulationswerkzeugen effizient vorzubereiten. Das halbautomatische Konzept des Prototyps verhindert auch eine Black-Box Anwendung und berücksichtigt Kenntnisse und Erfahrungen der Anwender als Fachexperten. Damit stellt das Konzept einen wertvollen, innovativen Schritt zu ganzheitlichen Hydroinformationssystemen dar, um eine ingenieurgerechte, effiziente Datenaufbereitung von Zeitreihen aus Rohdaten als Eingabedatensätze für Simulationswerkzeuge bereitzustellen. KW - TSKM KW - Event identification KW - Time series analysis KW - Scenario composition KW - Hydroinformatics KW - TSKM KW - Ereigniserkennung KW - Zeitreihenanalyse KW - Szenariokomposition KW - Hydroinformatik KW - Hydrologie KW - Datenbank KW - Zeitreihe KW - Algorithmus Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-33650 ER - TY - THES A1 - Khosh Bin Ghomash, Shahin T1 - Significance of storm spatiotemporal variability and movement in flood hydrodynamic modelling T1 - Bedeutung der räumlich-zeitlichen Variabilität und Bewegung von Gewittern für die hydrodynamische Modellierung von Hochwasser N2 - This dissertation aims to explore the impact of various storm properties on computational flood modelling and to propose a method for integrating them into flood risk assessment. It focuses on three key areas: Firstly, it examines within-storm variability, investigating how variations in storm intensity, duration, and spatial distribution affect runoff dynamics. Through a systematic theoretical approach, the study generates synthetic rainfall signals with different hyetograph variabilities and applies them to a hydrodynamic model. The results highlight the significant influence of storm spatiotemporal variability on runoff response, affecting peak discharge, hydrograph shapes, and flooded areas. Temporal variability emerges as particularly dominant, overshadowing spatial variability and other storm properties such as return period and volume. The study emphasizes the spatial dependency of these effects within the drainage network. Secondly, it investigates the role of storm movement in flood modelling, recognizing its potential to alter runoff dynamics and inundation patterns. By generating synthetic rain hyetographs traversing the catchment area at varying velocities and directions, the study shows that storm movement significantly impacts runoff response and flood extents. Higher storm velocities lead to more pronounced peaks and faster runoff onsets, resulting in larger flooded areas. The direction of storm movement plays a crucial role, with storms aligning with the average stream direction causing the highest peaks and flooded areas. The magnitude of this influence varies depending on the location within the catchment. Finally, the dissertation introduces a dynamic spatiotemporal rainfall model aimed at preserving storm event properties. Using an event-based approach, dynamic precipitation events are identified and regenerated, ensuring the conservation of storm spatiotemporal variability and movement characteristics. This facilitates the generation of more physically plausible and spatiotemporally coherent precipitation time series. The model prioritizes user accessibility, offering a practical tool for integrating storm properties into flood computation modelling and risk analysis frameworks. By addressing these aspects of storm behaviour, the dissertation contributes to enhancing the accuracy and effectiveness of flood modelling, thereby improving flood risk mitigation efforts. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es, die Auswirkungen verschiedener Unwettereigenschaften auf die computergestützte Hochwassermodellierung zu untersuchen und eine Methode vorzuschlagen, mit der diese in die Hochwasserrisikobewertung integriert werden können. Sie konzentriert sich auf drei Schlüsselbereiche: Erstens wird die Variabilität innerhalb eines Gewitters untersucht, um herauszufinden, wie sich Variationen der Gewitterintensität, der Dauer und der räumlichen Verteilung auf die Abflussdynamik auswirken. Mit Hilfe eines systematischen theoretischen Ansatzes werden in der Studie synthetische Niederschlagssignale mit unterschiedlichen hyetographischen Variabilitäten erzeugt und auf ein hydrodynamisches Modell angewendet. Die Ergebnisse verdeutlichen den signifikanten Einfluss der räumlich-zeitlichen Variabilität von Gewittern auf die Abflussreaktion und beeinflussen den Spitzenabfluss, die Form der Ganglinie und die überfluteten Gebiete. Die zeitliche Variabilität erweist sich als besonders dominant und überschattet die räumliche Variabilität und andere Gewittereigenschaften wie die Wiederkehrperiode und das Volumen. Die Studie unterstreicht die räumliche Abhängigkeit dieser Effekte innerhalb des Entwässerungsnetzes. Zweitens wird die Rolle der Gewitterbewegung bei der Hochwassermodellierung untersucht, da sie die Abflussdynamik und Überschwemmungsmuster verändern kann. Durch die Erzeugung synthetischer Regenhyetogramme, die das Einzugsgebiet mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Richtungen durchqueren, zeigt die Studie, dass die Bewegung des Sturms die Abflussreaktion und das Ausmaß der Überschwemmung erheblich beeinflusst. Höhere Sturmgeschwindigkeiten führen zu ausgeprägteren Spitzenwerten und schnelleren Abflüssen, was zu größeren Überschwemmungsgebieten führt. Die Richtung der Sturmbewegung spielt eine entscheidende Rolle, wobei Stürme, die sich an der durchschnittlichen Fließrichtung orientieren, die höchsten Spitzenwerte und überfluteten Gebiete verursachen. Das Ausmaß dieses Einflusses variiert je nach Lage im Einzugsgebiet. Schließlich wird in der Dissertation ein dynamisches raum-zeitliches Niederschlagsmodell vorgestellt, das die Eigenschaften von Sturmereignissen erhalten soll. Mit Hilfe eines ereignisbasierten Ansatzes werden dynamische Niederschlagsereignisse identifiziert und regeneriert, um die Erhaltung der raum-zeitlichen Variabilität und der Bewegungsmerkmale von Gewittern zu gewährleisten. Dies erleichtert die Erstellung physikalisch plausibler und räumlich kohärenter Niederschlagszeitreihen. Das Modell stellt die Zugänglichkeit für den Benutzer in den Vordergrund und bietet ein praktisches Werkzeug für die Integration von Gewittereigenschaften in die Modellierung von Hochwasserberechnungen und Risikoanalysen. Durch die Berücksichtigung dieser Aspekte des Sturmverhaltens trägt die Dissertation dazu bei, die Genauigkeit und Effektivität der Hochwassermodellierung zu erhöhen und damit die Bemühungen zur Minderung des Hochwasserrisikos zu verbessern. KW - Flash floods KW - Hydrodynamic modellin KW - Storm movement KW - Storm spatiotemporal variability KW - Rainfall/runoff KW - Sturzfluten KW - Hydrodynamische Modellierung KW - Sturmvariabilität KW - Sturmbewegung KW - Hochwasservorhersage KW - Mathematische Modellierung KW - Risikoanalyse KW - Gewitter Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67245 ER -