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Fischwanderung ohne Grenzen Zur Durchgängigkeit an Wasserstraßen: Fischen die Reise erleichtern - Fische auf Wanderschaft: Wasserstraßen verbinden

Die frei fließenden und staugeregelten Flüsse unter den Bundeswasserstraßen sind für die Fische wichtige Verbindungsgewässer zwischen den Habitaten im Meer und an den Flussoberläufen. Fische, die große Distanzen zurücklegen, orientieren sich an der Hauptströmung und werden deshalb an Staustufen entweder zum Kraftwerk oder zum Wehr geleitet. Dort gibt es keine Möglichkeit mehr, aufwärts zu wandern, wenn nicht in der Nähe der Wehr- oder Kraftwerksabströmung eine funktionierende Fischaufstiegsanlage vorhanden ist. Da Schiffsschleusen keine kontinuierliche Leitströmung erzeugen, werden sie von den Fischarten, die der Hauptströmung folgend lange Distanzen zurücklegen, nicht gefunden. Arten, die auf ihrer Wanderung nicht der Hauptströmung folgen, können auf- oder abwandern, wenn sie eine offene Schleusenkammer vorfinden. Flussabwärts: Fische vor Kraftwerken schützen und vorbeileiten: An Staustufen ohne Wasserkraftanlagen ist die abwärts gerichtete Wanderung über ein Wehr hinweg in der Regel unproblematisch. Voraussetzung: Das Wehr ist in Betrieb, die Fallhöhe beträgt nicht mehr als 13 Meter und im Tosbecken ist eine Wassertiefe von mindestens 0,90 Metern vorhanden. Dagegen können bei Abwanderung durch eine Kraftwerksturbine leichte bis tödliche Verletzungen auftreten. Diese turbinenbedingte Mortalität ist von der Fischart und der Körperlänge der Tiere sowie von Turbinentyp und -größe, der Fallhöhe und den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig. Um hier einen gefahrlosen Fischabstieg zu gewährleisten, sind die Betreiber von Wasserkraftanlagen nach Wasserhaushaltsgesetz verpflichtet, die Wasserkraftanlagen mit geeigneten Maßnahmen zum Schutz der Fischpopulation (z. B. mit Feinrechen und einem Bypass am Kraftwerk vorbei ins Unterwasser) aus- bzw. nachzurüsten. Flussaufwärts: Hier helfen nur Fischaufstiege: Verschiedene Untersuchungen der Durchgängigkeit an Rhein, Mosel, Main, Neckar, Weser, Elbe und Donau haben gezeigt, dass zwar ein großer Teil der Staustufen mit Fischaufstiegsanlagen ausgestattet ist, diese für die aufstiegswilligen Fische jedoch schwer zu finden oder zu passieren sind. Im Mai 2009 stimmten die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) und die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS heute: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, BMVI) folgendes Rahmenkonzept für die erforderlichen Arbeiten ab: - Aufstellung fachlicher Grundlagen, insbesondere zu fischökologischen Dringlichkeiten - Fachliche Beratung der WSV sowie Schulungen - Forschungs- und Entwicklungsprojekte für die Erstellung eines technischen Regelwerks, und - Standardisierung der Anforderungen und Ausführung von Fischaufstiegs-, Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen. (Text gekürzt)

Vorhersage von Schüttungen alpiner Karstquellen im Hinblick auf den Klimawandel unter Verwendung neuer Deep Learning-Methoden

Karstgrundwasserleiter spielen im Alpenraum eine wichtige Rolle. Sie bedecken etwa 56% der Fläche, und ein erheblicher Teil der Bevölkerung ist ganz oder teilweise von Trinkwasser aus Karstquellen abhängig, die oft mit wertvollen Ökosystemen verbunden sind und zur Wasserkrafterzeugung beitragen. Die Alpen zählen nach Studien zu den am stärksten vom Klimawandel betroffenen Gebieten in Europa. Als Folge der steigenden Temperaturen werden sich die gespeicherten Mengen an Schnee und Eis stark verringern, was zu einer Verschiebung zwischen Wasserhaushaltskomponenten in Verbindung mit einer saisonalen Umverteilung der Niederschläge führt. Außerdem wird erwartet, dass Hoch- und Niedrigwasserereignisse häufiger auftreten werden. Der Stand der Technik bei der Modellierung der Schüttung von Karstquellen, meist mittels konventioneller numerischer Modelle, ist auf standortspezifische, oft aufwändige und nicht übertragbare wissenschaftliche Studien beschränkt, die manuelle Modellabstimmung und Kalibrierung erfordern. Bis heute gibt es keinen leicht übertragbaren Ansatz, der gleichzeitig auf viele Karstquelleinzugsgebiete anwendbar ist. In diesem Projekt werden wir einen modernen, Deep-Learning basierten Ansatz zur Modellierung der Schüttung von Karstquellen entwickeln, der sich besonders gut eignet, übertragbare Modelle, die Informationen von verschiedenen Standorten nutzen können, aufzubauen. Deep Learning ist ein Teilgebiet des maschinellen Lernens, basierend auf künstlichen neuronalen Netzen, das sich sowohl bei akademischen als auch bei industriellen Anwendungen als sehr erfolgreich erwiesen hat. Die vorgeschlagene Studienregion sind die Alpen, mit Karstgebieten in Österreich, der Schweiz, Deutschland, Frankreich, Italien und Slowenien, mit einem Schwerpunkt auf dem besonders vom Klimawandel betroffenen von der Alpenkonvention abgegrenzten Gebirgsgebiet. Als Grundlage der Studie dient das World Karst Spring Database (WoKaS). Es wird im Laufe des Projekts mit zusätzlichen Daten von Behörden und Wasserversorgern ergänzt, insbesondere in Regionen mit bislang schlechter Abdeckung. Die Arbeiten beinhalten die Erstellung eines umfassenden Datensatzes mit Einzugsgebietsattributen und meteorologischen Einflussgrößen für etwa 150 Quellen. Klassische Lumped-Parameter-Modelle werden als Benchmarks aufgesetzt und mit den neu entwickelten Deep-Learning basierten Modellergebnissen verglichen. Ziel ist es, die Eignung neuartiger Deep-Learning Modellansätze für die Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels für eine Vielzahl von kurz- und langfristigen Vorhersagen zu untersuchen. Eine vertiefende Fallstudie des Dachsteingebietes, dessen große Karstregion wesentlich zur Wasserversorgung und Wasserkrafterzeugung beiträgt, wird die vergleichende Untersuchung mit einem numerischen 3D-Modell erweitern. Schließlich werden die entwickelten Modelle dazu verwendet, um Auswirkungen des Klimawandels auf die alpinen Karstgrundwasserressourcen vorherzusagen.

cAtchment nitRous oxide Emissions and nitrAte Leaching

The accurate estimation of nitrous oxide (N2O) emissions and monitoring of nitrate (NO3) leaching in agricultural catchments are critical for contemporary environmental science and policymaking. These issues contribute to climate change and groundwater pollution, necessitating a thorough understanding of underlying processes to develop effective mitigation strategies. Our research aims to develop a robust upscaling procedure for N2O emissions and NO3 leaching at the catchment scale, where mitigation actions are finally applied. This involves an integrated approach spanning three scientific disciplines: 1. Field and laboratory measurements: Utilizing local chamber-based and laboratory-based measurements to assess microbial N cycling fluxes and process rates, providing essential data for process understanding. 2. Remote sensing: Leveraging satellite data with unprecedented spatiotemporal resolution to gather catchment-scale information on geomorphology, topography, land use, standing biomass, and soil water status, enhancing our understanding of the catchment environment. 3. Modelling: Employing a fusion of machine learning techniques and mechanistic modeling, we aim to integrate all information from the collected datasets, facilitating the upscaling of N2O emissions and NO3 leaching to the entire catchment scale. Our work program comprises two interrelated work packages focusing on data collection and modeling. WP 1 Data Collection: Creation of a comprehensive dataset, including N2O and NH3 emissions, NO3 leaching, soil d15N isotopic composition, site preference and d15N-N2O, and lab-based measurements of N process rates such as gross nitrification. This dataset will provide a deeper understanding of microbial N-cycling processes such as nitrification and denitrification and their roles in N2O production and NO3 leaching. Hot spot monitoring: Continuous measurements at model-guided identified N2O emission hot spots, covering potential hot moments such as freeze-thaw periods and fertilization events. WP 2 Modeling: Machine Learning: Extracting knowledge from all collected data to create models predicting N2O emissions and NO3 leaching. Mechanistic modelling: Improving a state-of-the-art biogeochemical model that includes a spatially explicit hydrology model for the lateral flow of water and nutrients. Improving will be particularly based on incorporating isotopic data and an isotopic tracing model. Combining machine learning and mechanistic models to benefit from each other, with mechanistic models enhancing machine learning through providing additional data and machine learning to identify and improve structural deficiencies of the mechanistic model. This interdisciplinary proposal seeks to advance our understanding of N2O emissions and NO3 leaching at the catchment scale, ultimately providing valuable insights for environmental assessment and mitigation strategies in agricultural landscapes.

Strömungsdynamik über ästuarinen Bodenformen

Ziel dieses Projektes ist die Beschreibung von Strömungsmustern über ästuarinen Bodenformen anhand von Rinnenexperimenten und numerischen Simulationen. Bodenformen (Riffel und Dünen) sind weitverbreitete Bestandteile von Flüssen, Ästuaren, Küstengewässern- und Tiefseegebieten. Bodenformen liefern Hinweise auf Richtung und Stärke von Sedimenttransportprozessen, haben einen starken Einfluss auf die über ihnen liegende Strömung und sind zudem von großer sozioökonomischer Bedeutung, z. B. hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Schiffbarkeit der Gewässer. In vielen Ästuaren bilden sich aufgrund der starken Hydrodynamik und der hohen Verfügbarkeit von sandigen Sedimenten große Bodenformfelder. Die Strömung über diesen Bodenformfeldern unterscheidet sich grundlegend von der Strömung über den bekannten, dreieckigen Bodenformen mit einem Neigungswinkel von 30°, die bisher im Fokus von Labor- und numerischen Modellierungsstudien standen. Ästuarine Bodenformen sind hauptsächlich flachgeböschte Dünen mit mittleren Luvwinkeln von 5 bis 20°. Die Strömungseigenschaften über derartigen, flachen Winkeln sind derzeit nicht genau bekannt. So ist zum Beispiel der Zusammenhang zwischen der Neigung der Leeböschung und dem Vorhandensein oder Fehlen einer intermittierenden oder permanenten Strömungsablösung noch nicht ausreichend verstanden. Außerdem haben ästuarine Dünen ein relativ flaches Tal und steile Böschungen in der Nähe des Kammes, während Flussdünen einen flachen Kamm und in der Nähe des Tals steile Böschungen haben. Die Auswirkungen dieses Unterschieds in der Dünenmorphologie auf die Strömung sind derzeit noch unbekannt. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen einer sich in der Richtung ändernden Gezeitenströmung und der natürlichen Morphologie von Dünen, einschließlich der dreidimensionalen Variationen, noch nicht im Detail untersucht.Im Rahmen der vorgeschlagenen Studie werden mehrere Versuchsreihen in einer großen Laborrinne durchgeführt, um die Strömungseigenschaften (Geschwindigkeit und Turbulenz) über an Ästuardünen angelehnten Modelldünen aus Beton zu charakterisieren. Basierend auf Feldmessungen von Bodenformen in der Weser werden drei Dünenformvarianten untersucht: Steilgeböschte asymmetrische Dünen, flachgeböschte asymmetrische Dünen und flachgeböschte symmetrische Dünen. Darüber hinaus werden hochauflösende numerische Simulationen der Strömung über dreidimensionalen Bodenformfeldern die Rinnenexperimente ergänzen. Mithilfe der Modellsimulationen ist es möglich, die Geschwindigkeitsstrukturen der Gezeitenströmung und die Turbulenzstrukturen über natürlichen, in der Weser vorkommenden Dünenfeldern zu bestimmen. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen ästuarinen Dünen und der Gezeitenströmung bei und erlauben eine bessere Parametrisierung der kleinräumigen Prozesse in großräumigen hydro- und morphodynamischen Modellen.

Time series of environmental parameters of habitats along the Schleswig-Holstein Baltic Sea (2018 et seq)

The here presented data time-series are connected to the publication "Environmental parameters of shallow water habitats in the SW Baltic Sea" (Franz, M. et al. 2019b). Since 2019 a number of stations were added, and, hence, new time-series started. Every year a new dataset will be published including both, old and new stations. The following abstract is revised from Franz, M. et al. (2019b): The coastal areas of the Baltic Sea represent highly variable environments. In order to record the environmental conditions in shallow water habitats of the SW Baltic Sea, a monitoring program was established. The monitoring sites are located along the Baltic Sea coast of Schleswig-Holstein, Germany. Along the coast, 23 stations were established, where samplings for dissolved inorganic nutrient concentrations are conducted. Here, twice per month, water samples are collected in a water depth of 0.5 m. The samples are analysed for the concentration of dissolved inorganic nutrients (total oxidized nitrogen, nitrite, ammonia, phosphate and silicate) by UV/VIS spectroscopy using a continuous flow analyser (type QuAAtro 30; comp. SEAL Analytical, Hamburg, Germany. The system is equipped with a SEAL XY-2 autosampler). Quality control for nutrient measurements is ensured by certified reference material (CRM) by KANSO TECHNOS CO, LTD, Osaka, Japan. Additionally, at four shallow water stations (Booknis Eck, Bülk, Behrensdorf and Katharinenhof) temperature, salinity and dissolved oxygen are continuously logged at 2-3 m depth by self-contained data loggers. These are: (I) MiniDOT loggers (Precision Measurement Engineering; http://pme.com; ±10 µmol L-1 or ±5 % saturation) including antifouling copper option (copper plate and mesh) to measure dissolved oxygen concentration and (II) DST CT salinity & temperature loggers (Star-Oddi; http://star-oddi.com; ±1.5 mS cm-1) to record the conductivity. Both sensor types additionally record water temperature with an accuracy of ± 0.1 °C. The sampling interval was set to 30 minutes for all parameters. Another seven stations for continuous recordings of environmental parameters (again: temperature, salinity, dissolved oxygen) with the same two types of sensors were installed at 4-6 m depth in the context to the long-term monitoring project RegLocDiv (Regional-Local-Diversity) by M. Wahl (Franz, M. et al. 2019a) and included into this data set. These stations are at: Falshoeft, Booknis Eck, Schoenberg, Westermakesdorf, Staberhuk, Kellenhusen and Salzhaff (abandoned in 2023). Since 2021, in the context of implementing a reef monitoring to fulfil obligations by the EU Habitats Directive, step-by-step, eleven further stations were installed at reefs in the Schleswig-Holstein Baltic Sea. These are at: Platengrund (14 m depth) and Mittelgrund (8 m) (both since 2021), at Walkyriengrund (9 m), Brodtener Ufer (8 m), Außenschlei (11 m), Kalkgrund (8 m), Stollergrund (7.5 m) and Flueggesand (10 m) (all since 2022), as well as at Gabelsflach (10 m), Sagasbank (8.5 m) and Stabehuk (11.5 m) (all since 2023). Again, at all of these 11 stations, temperature, salinity and dissolved oxygen are continuously logged by self-contained data loggers: Conductivity (and temperature) is logged by HOBO® Salt Water Conductivity/Salinity Data Logger (Onset Computer Corporation, Bourne, MA, USA; https://www.onsetcomp.com) using the U2X protective housing to prevent fouling on the sensors. The same MiniDOT loggers (Precision Measurement Engineering) as at the above mentioned more shallow stations (including antifouling copper plate and mesh) are used to measure dissolved oxygen concentration. Dissolved oxygen concentration data measured by the MiniDOT loggers are corrected for a depth of 5 m (or 2,5 m on the shallow stations) using the software provided by the manufacturer. Additionally, a manual compensation for salinity was calculated (see details in Franz, M. et al. 2019b). Quality control was carried out by spike and gradient tests, following recommendations of SeaDataNet quality control procedures (see https://seadatanet.org/Standards/Data-Quality-Control). All data values were flagged according to applied quality checks using the following flags: 1 = Pass, 2 = Suspect, 3 = Fail, 4 = Visually suspect, 5 = Salinity compensation fail (further explanations can be found in Franz, M. et al. 2019b). The project is funded by the LfU (Landesamt für Umwelt, Schleswig-Holstein, Germany). Main responsible persons are C. Hiebenthal, C. Lieberum, F. Weinberger and R. Karez. Responsible for the nutrient analysis: N. Stärck; Responsible for taking the water samples: C. Lieberum and D. Bürger.

Etude des processus physico-chimiques lies a l'eutrophisation des lacs; cycle du phosphore dans les lacs (FRA)

Etude des phenomenes, au niveau physique et moleculaire, qui influencent le cycle du phosphore dans l'hypolimnion des lacs eutrophes et a l'interface sediment-eau. Etude des colloides et particules resultant de ces reactions et qui influencent l'ensemble de la circulation des composes chimiques dans le lac. (FRA)

Hydrological and hydrochemical field parameters from the White Main headwater stream, Germany, 2023–2024

This dataset contains field parameters measured along the first 1.3 km downstream of the White Main spring in northern Bavaria, Germany, from March 2023 to April 2024. It includes sampling location and site information, stream geometry, discharge, and in-situ physicochemical parameters such as water temperature, pH, electrical conductivity, and redox potential.

Monitoring und Modellierung der Wasserdynamik auf der Hangskala unter Berücksichtigung von hydraulischem Ungleichgewicht und lateralen Flüssen

Die Wasserströmung in ungesättigten Böden erfolgt hauptsächlich vertikal entlang der abwärts oder aufwärts gerichteten Gradienten im Wasserpotenzial. Laterale Flüsse treten nur nahe Wassersättigung auf, wo die Kapillarkräfte an Bedeutung verlieren. Laterale Flüsse entlang stauender Bodenhorizonte und anderer Strukturen auf der Hangskala können auch mit hochaufgelösten, dreidimensionalen numerischen Modellen nicht realistisch beschrieben werden, da geeignete Modellkonzepte für eine prozessbasierte Beschreibung fehlen. Wesentliche Schwierigkeiten bereiten Phänomene wie das hydraulische Ungleichgewicht und die Hysterese der hydraulischen Bodeneigenschaften. Ursache für beides sind strukturelle Heterogenitäten des Bodens, die dazu führen, dass das Wasserpotenzial gegen Null geht, bevor eine vollständige Wassersättigung des Porenraums erreicht wird. Eine weitere Schwierigkeit ist der hohe Daten- und Rechenaufwand für eine 2- oder 3-dimensionale Parametrisierung zur Darstellung der hydraulisch relevanten Heterogenitäten von Bodentextur und -struktur. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen konzeptionellen Rahmen, um hydraulisches Ungleichgewicht einschließlich der Hysterese für die 1D vertikale Wasserdynamik physikalisch konsistent zu beschreiben. Dabei stützen wir uns auf die einzigartigen Datensätze aus dem Monitoring-System VAMOS und dem TERENO Lysimeternetzwerk SoilCan. Mit VAMOS werden seit 2013 die Wassergehalte und -potenziale in verschiedenen Böden kontinuierlich gemessen, und zwar sowohl in Lysimetern (1D) als auch im Feld (3D). Das Upscaling auf die Hangskala soll durch eine dynamische Kopplung von parallelen 1D Säulen realisiert werden, wobei die Kopplung durch die lokale Wassersättigung (Wasserpotenzial =0) gesteuert wird. Damit können Lateralflüsse auf größerer Skala mit erheblich reduzierter Modellkomplexität und geringerem Rechenaufwand beschrieben werden. Das Projekt ist in drei gekoppelte Pakete gegliedert: (1) die Entwicklung eines vereinheitlichten Konzepts zur Beschreibung von hydraulischem Ungleichgewicht und Hysterese (H.-J. Vogel), (2) die Analyse der Dynamik von Lateralflüssen (H.H. Gerke) und (3) die Implementierung und Bewertung eines dynamischen 1D-3D Modells für die Hangskala (T. Wöhling). Zur Validierung der Modellkonzepte werden Experimente im Feld und im Labor gemeinsam konzipiert und durchgeführt. Wir erwarten, dass mit den vorgeschlagenen Modellkonzepten die Lateralflüsse in überwiegend wasser-ungesättigten Böden realistisch beschrieben werden können. Damit wird eine Grundlage geschaffen, um die zeitlich variierenden Fließpfade und Transportzeiten auch auf größeren Skalen zu erfassen, was ein ungelöstes Problem für das Verständnis und die Vorhersage von Transportprozessen im Boden darstellt.

Kolkprozesse an Brückenpfeilern

Mittels hydraulisch-sedimentologischer Modellversuche werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Erosionstiefen an in Strömungen stehenden Brückenpfeilern untersucht, insbesondere der Einfluss hoher Fließgeschwindigkeit.

Seawater carbonate chemistry and physiological performance parameters of Carcinus maenas under respective incubation conditions

Ocean acidification causes an accumulation of CO2 in marine organisms and leads to shifts in acid-base parameters. Acid-base regulation in gill breathers involves a net increase of internal bicarbonate levels through transmembrane ion exchange with the surrounding water. Successful maintenance of body fluid pH depends on the functional capacity of ion-exchange mechanisms and associated energy budget. For a detailed understanding of the dependence of acid-base regulation on water parameters, we investigated the physiological responses of the shore crab Carcinus maenas to 4 weeks of ocean acidification [OA, P(CO2)w = 1800 µatm], at variable water bicarbonate levels, paralleled by changes in water pH. Cardiovascular performance was determined together with extra-(pHe) and intracellular pH (pHi), oxygen consumption, haemolymph CO2 parameters, and ion composition. High water P(CO2) caused haemolymph P(CO2) to rise, but pHe and pHi remained constant due to increased haemolymph and cellular [HCO3-]. This process was effective even under reduced seawater pH and bicarbonate concentrations. While extracellular cation concentrations increased throughout, anion levels remained constant or decreased. Despite similar levels of haemolymph pH and ion concentrations under OA, metabolic rates, and haemolymph flow were significantly depressed by 40 and 30%, respectively, when OA was combined with reduced seawater [HCO3-] and pH. Our findings suggest an influence of water bicarbonate levels on metabolic rates as well as on correlations between blood flow and pHe. This previously unknown phenomenon should direct attention to pathways of acid-base regulation and their potential feedback on whole-animal energy demand, in relation with changing seawater carbonate parameters.

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