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Vertiefte Sicherheitsüberprüfung von Stauanlagen - Hydrologische Grundlagen

Nach Einführung der heute aktuellen DIN 19700 im Jahre 2004 sind für Stauanlagen wie beispielsweise Talsperren oder Hochwasserrückhaltebecken in regelmäßigen zeitlichen Abständen vertiefte Sicherheitsüberprüfungen durchzuführen. Eine wesentliche Grundlage hierfür ist die Bereitstellung der hydrologischen Grundlagen auf dem aktuellen Stand bzgl. der meteorologischen und hydrologischen Daten und auch der abflussspezifischen Eigenschaften der betroffenen Einzugsgebiete. Nach den Vorgaben der DIN 19700 sind hydrologische Sicherheitsnachweise zu führen mit sehr extremen Hochwasserereignissen, deren Jährlichkeiten T bis zu T = 10 000 a reichen. Da so extreme Ereignisse nicht direkt anhand von Abflussbeobachtungen abgeleitet werden können, sind für jede Stauanlage gesonderte gebietsspezifische Betrachtung und Bewertung von Extremsituationen erforderlich. Das IWG Hydrologie wird aufgrund seiner langjährigen Erfahrung seit Jahren angefragt, für zahlreiche Stauanlagen die erforderlichen hydrologischen Grund entweder durch Anwendung geeigneter Niederschlag-Abfluss-Modelle zu ermitteln oder die Studien Dritter zu beurteilen. Eigene Modellierungen wurden beispielsweise durchgeführt für die Talsperren des Ruhrverbands Essen External Link, die Talsperre Kleine Kinzig in Baden-Württemberg External Link sowie zahlreiche Hochwasserrückhaltebecken in den Einzugsgebieten von Sulm, Neuenstadter Brettach, Weissach oder Leimbach im Auftrag der jeweiligen Wasserverbände oder Kommunen.

Globale Abschätzung von Wassermangel in Karstregionen in Zeiten des globalen Wandels

Karst entsteht sich durch die Verwitterung von Karbonatgestein und erzeugt starke oberflächliche und unterirdische Heterogenität von hydrologischen Speicher und Fließprozessen. Ungefähr 7% bis 12% der Erdoberfläche besteht aus Karstgebieten und etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Für die nächsten Jahrzehnte, Klimamodelle prognostizieren einen starken Temperaturanstieg und eine Abnahme von Niederschlagsmengen in vielen Karstregionen der Welt. Trotz dieser Vorhersagen gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Karstwasserressourcen abschätzen. Die ist hautsächlich auf das Fehlen von Messdaten und die inadäquate Abbildung von Karstprozessen in derzeit angewandten Ansätzen zur großskaligen Modellierung zurückzuführen. Das Ziel der beantragten Nachwuchsgruppe ist, die notwendigen Daten und Ansätze zur erstmaligen Abschätzung der gegenwärtigen und zukünftigem Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zur Verfügung zu stellen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, sind signifikante Fortschritte (1) zum Verständnis der Heterogenität von Karstregionen und zu deren Einarbeitung in hydrologische Modelle, (2) zum Upscaling von Beobachtungen auf der Einzugsgebietsskale für Anwendungen von Simulationsmodellen im globalen Maßstab, und (3) zum Vergleich der gegenwärtigen und zukünftigen Verfügbarkeit von Wasserressourcen mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf von Nöten. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige Ansätze zur Messung und Analyse hydrologischer Daten an fünf experimentellen Messgebieten, die in 5 verschiedenen Klimaregionen über den Globus verteilt sind (AU, D, ES, MX, UK), eingesetzt werden, um die Einflüsse der Heterogenität von Karstgebieten auf oberflächennahe Fließprozesse zu erkunden. Mittels einer neu entwickelten Karstdatenbank, welche beobachtete Zeitreihen von Karstquellenabflüssen enthält, und Rezessionsanalyse sollen die Heterogenität von Grundwasser und Abflussprozesse in verschiedenen Regionen der Welt charakterisiert werden. Dieselbe Datenbank, erweitert durch zusätzlich Abflussdaten auf Flussgebietsskale des Global Runoff Data Center (GRDC), soll zur Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbindung der neu gewonnenen Erkenntnisse in ein großskaliges Simulationsmodell speziell für Karstregionen angewandt werden. Dieses Modell soll letztendlich dazu benutzt werden, um (1) gegenwärtige und, gekoppelt mit Klimaszenarien, zukünftige Verfügbarkeit von Wasserressourcen in Karstgebieten zu erkunden, um diese (2) mit gegenwärtigen und zukünftigen Wasserbedarf zu vergleichen und von Wassermangel bedrohte Regionen zu identifizieren.

Portal KuWiK: Küste und Wasserstraßen im Klimawandel

Die BAW liefert als Teil des DAS-Basisdienstes Informationen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die als Wasserstraßen genutzten Flüsse, Ästuare und das Küstenvorfeld der Deutschen Bucht. Es können unter anderem Daten und Änderungssignale zu mittlerer Wassertiefe, Strömungs- und Fließgeschwindigkeiten, Gütertransportmengen sowie Tidekennwerten visualisiert und abgerufen werden. Die modellgestützten Daten stellen im Rahmen der Klimawandelfolgenforschung die letzte Stufe der „Übersetzung“ projizierter klimatischer Änderungen auf das konkrete Objekt, beispielsweise einen Abschnitt einer Bundeswasserstraße, dar. Innerhalb des interaktiven Portals „KuWiK“ (Küste und Wasserstraße im Klimawandel) sind die Informationen in den Themenblöcken „Schifffahrt“, „Fluss“ und „Küste“ in drei Dashboards strukturiert und laden zum Erkunden ein. Im Bereich „Küste” sind Daten zu möglichen, durch den Klimawandel bedingten hydrodynamischen Beeinträchtigungen der Seeschifffahrtsstraßen dargestellt. Dafür wurden die Änderungen der Tidehydrodynamik für die gesamte Deutsche Bucht und insbesondere die Ästuare der Elbe, Weser und Ems in verschiedenen Abstraktionsstufen aufbereitet. Im Abschnitt „Fluss” sind hydrodynamische Informationen auf Streckenebene sowohl flächig als auch aggregiert in Längsschnitten dargestellt. Die Daten verdichten gewissermaßen die im vorangegangenen Schritt der Modellkette von der BfG berechneten hydrologischen Entwicklungen an den Bezugspegeln. Unter dem Reiter „Schifffahrt“ werden die hydrologischen Daten der BfG und die hydrodynamischen Daten der BAW in Transportmengenänderungen der Binnenschifffahrt übersetzt. Es finden sich Informationen zur prozentualen Änderung der Transportmenge, die in Zukunft bei einer projizierten mittleren Änderung der Abfluss- und damit Tiefenverhältnisse in der Binnenschifffahrtsstraße unter Annahme bestimmter Szenarien zu erwarten ist. Zielgruppe Zielgruppe ist die interessierte Fachöffentlichkeit. Dazu zählen Verbände, Behörden auf Bundes-, Landes- und Kommunalebene, wie die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung, Forschungseinrichtungen sowie die Privatwirtschaft. Im Binnenbereich ist der Dienst insbesondere für Personen von Interesse, deren Wirkungsbereich von Niedrigwasser  betroffen ist. Für den Küstenbereich bilden unterschiedliche Szenarien (u. A. Meeresspiegelanstieg) eine Basis für ein breit gefächertes Anwendungsspektrum. Wissenschaftlicher Hintergrund Die abrufbaren Informationen basieren auf Modellen, die an der Bundesanstalt für Wasserbau Anwendung finden. Die angewandten Methoden entsprechen dem Stand der Wissenschaft. Ihre Anwendung im Kontext der Anpassung an die Folgen des Klimawandels wird im Rahmen des BMV-Forschungsnetzwerks stets weiterentwickelt. Die im Portal KuWiK für die einzelnen Themenbereich „Küste“, „Fluss“ und „Schifffahrt“ verwendeten Methoden sind den entsprechenden Erläuterungstexten auf der Website des Dienstes zu entnehmen.

Der Einfluss von Schneeschmelze auf die Flüsse im Hochgebirge Asiens

Das Projekt "Quantifying the Influence of SnowmelT on RIVEr Hydrology in High Mountain Asia (STRIVE)" fokussiert sich auf alpine Flüsse und dem Zeitpunkt und Menge der Schneeschmelze im Himalaya . In vielen alpinen Einzugsgebieten stammt ein signifikanter Teil des jährlichen Wasserhaushalts aus der Schneeschmelze, insbesondere während der Monate vor dem Beginn des Monsuns. Da die Gletscher in vielen hochgelegenen Bergregionen weiter schmelzen werden, wird der saisonale Wasserpuffer durch die Schneeschmelze in Zukunft noch wichtiger werden. Auch die Gefahr von Überschwemmungen wird zunehmen, da die steigenden Temperaturen die Schneeschmelze im Frühjahr beschleunigen. Trotz der Bedeutung des Schneewasserhaushalts für viele besiedelte Gebiete sind Zeitpunkt und Volumen der Schneeschmelze nach wie vor nur unzureichend bekannt - insbesondere in Einzugsgebieten in großer Höhe. Um besser quantifizieren zu können, wann und wo das Wasser der Schneeschmelze die alpinen Flüsse erreicht, wird das STRIVE-Projekt einen kombinierten in-situ- und satellitenbasierten Ansatz verwenden, um (1) den Zeitpunkt und die räumliche Verteilung der Schneeschmelze zu überwachen, (2) den Einfluss der Schneeschmelze auf die Flusshöhen und (3) Flusstemperaturen zu bewerten. Die im Rahmen des STRIVE-Projekts gesammelten neuen Daten mit hoher zeitlicher Auflösung werden mit lokalen und regionalen hydrologischen Daten kombiniert, um (4) ein umfassenderes Verständnis der aktuellen Schneeschmelze und deren Wassermenge für alpine Flüsse zu entwickeln. Hier spielen insbesondere die sich verändernden Klimabedingungen eine große Rolle. Die Ergebnisse des STRIVE-Projekts werden für Forscher verschiedener Fachbereiche in der physischen Geographie, Hydrologie und Geomorphologie, zum Einschätzen von Naturgefahren und für Manager sowie Entwickler von Wasserkraftwerken im gesamten Himalaya und in ähnlichen, von der Schneeschmelze angetriebenen alpinen Ökosystemen, von großem Nutzen sein. Um die Forschungszusammenarbeit und den Austausch mit den nepalesischen Partnern zu erleichtern und nachhaltiger zu machen, wird das STRIVE-Projekt zwei Workshops für Nachwuchswissenschaftlerinnen durchführen, die sich mit der Sammlung und Verarbeitung von in-situ- und Fernerkundungsdaten beschäftigen. Diese Workshops werden dazu beitragen, die Ergebnisse und Erkenntnisse des STRIVE-Projekts zu verbreiten und sicherzustellen, dass die entwickelten Methoden und Daten auch nach dem Ende des Projekts in die Forschung und in wasserpolitische Entscheidungen im Himalaya einfließen.

hydrodownloadR: transparent and reproducible access to hydrological time series

Hydrological science depends on reliable observations. At the same time, many hydrological datasets are distributed across numerous national and regional services, each with its own access routes, documentation, and terms of use. This fragmentation can make it difficult to clearly document where data come from and to reproduce data retrieval in a consistent way. To provide more transparent and reproducible access to hydrological observations, GRDC has developed hydrodownloadR . The R package offers a standardized way to discover hydrological stations and download daily time series such as discharge, water level, water temperature and selected water-quality parameters directly from public national and regional APIs. Transparency in data retrieval is crucial because hydrological assessments and scientific results must be explainable and verifiable across institutions. This is particularly relevant for the annually released WMO State of the Global Water Resources Report , for which GRDC provides data. The hydrodownloadR package supports data retrieval workflows for both routine GRDC data updates and the WMO report. However, the package can also benefit users who require stations that are not yet included in the GRDC database. In such cases, the package provides a straightforward way to access time series directly from the original provider while keeping the data source explicit. It is important that hydrodownloadR , where available, highlights licensing and terms of use information for each API. Furthermore it is designed to access services responsibly by avoiding excessive requests. Nevertheless, users remain responsible for complying with the providers’ terms of use and citation requirements. Coverage and available parameters depend on the underlying public APIs and their data policies. Call to action: If you know a public hydrology API or you operate one, please share with us the documentation link, licensing information, terms of use and, if possible, stable endpoints. Also, if you encounter errors or unexpected behavior, please report them via the project’s GitHub issue tracker so we can address them efficiently. This will help to further improve the package and optimize the discoverability and accessibility of hydrological data. Links: Documentation Source code and issue tracker

Pegel

Für die Ermittlung quantitativer hydrologischer Daten an Fließgewässern wird im Sachsen ein in Teilnetze untergliedertes Pegelnetz betrieben. Die Pegel im Basisnetz dienen der kontinuierlichen Erfassung des Durchflusses an wasserwirtschaftlich bedeutsamen Fließgewässern und üben teilweise Hochwassermeldefunktionen aus. Zur Verdichtung dieser Aussagen werden Beobachtungen aus dem Kontroll- und Steuerpegelnetz einbezogen. Pegel in diesem Netz werden hauptsächlich zur Überwachung von Talsperren, Speichern und Hochwasserrückhaltebecken genutzt.

Verbesserte Grundwasserneubildung und Wasserqualität durch Solarparks (AQUASOL)

Zielsetzung und Anlass: Der Bau von Projekten für erneuerbare Energien nimmt als Reaktion auf die Nachfrage nach erneuerbarem Strom zu (IEA, 2020). Häufig wird dadurch auch die Landschaft deutlich verändert (Pasqualetti & Stremke, 2018). Insbesondere der Bau von Solarparks, die durch die Anordnung von Photovoltaikmodulen entstehen (Armstrong et al., 2016), erfordert angesichts ihrer geringen Energiedichte pro Flächeneinheit große Flächenausdehnungen (Smil, 2016). In Deutschland erzeugten Photovoltaikanlagen 50 TWh und deckten 9,3% des Bruttostromverbrauchs und 10,5% der Nettostromerzeugung im Jahr 2020 ab (Burger, 2021; Wirth, 2021). Obwohl der große Flächenbedarf von Solarparks eine Herausforderung darstellt, gibt es auch positive Synergieeffekte. Durch das Vorhandensein und die Verteilung von Photovoltaik-Modulen und die damit verbundene geänderte Bodenbedeckung ändert sich die Verteilung von Niederschlag, Verdunstung, Temperatur und Strahlung an der Bodenoberfläche (Armstrong et al., 2014). Auch das Abflussvolumen und der Spitzenabfluss können sich je nach Bodenbeschaffenheit und -eigenschaften erheblich verändern (Cook & McCuen, 2013). Einige Studien haben gezeigt, dass zu den hydrologischen Auswirkungen von Solarparks auch die Veränderung des Oberflächenabflusses und der Bodenerosion gehört (Lambert et al., 2021). Die Installation von Solarparks erzeugt daher nicht nur Energie, sondern kann auch bei günstiger Anordnung der Module die Grundwasserneubildung erhöhen, die Grundwasserqualität und weitere Ökosystemleistungen verbessern (z. B. die Bodenerosion verringern, einen geschützten Lebensraum für Tiere und Pflanzen bieten und den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden verhindern). Mikroklimamessungen haben gezeigt, dass Solarenergiesysteme dazu beitragen, die tatsächliche Evapotranspiration durch ihren Schattenwurf zu verringern (Marrou et al., 2013) und durch ihre extensive Bewirtschaftung die Pflanzenvielfalt erhöhen und dadurch einen höheren Kohlenstoffeintrag in den Boden ermöglichen (Armstrong et al., 2016). Aktuelle Studien haben auch einige wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung mehrerer Ökosystemleistungen (z. B. Nahrungsmittel- und Energieversorgung, Bestäubung, Kohlenstoffspeicherung sowie Bildungs- und Erholungsnutzen) durch nachhaltige Solarenergiesysteme aufgrund von Landaktivitäten und Biomasseumwandlungsprozessen hervorgebracht (Hanes et al., 2018; Randle-Boggis et al., 2020; Semeraro et al., 2018). In diesem Projekt entwickeln wir einen konzeptionellen Rahmen und eine Software, um die hydrologischen Auswirkungen und die wasserbezogenen Ökosystemleistungen im Zusammenhang mit dem Bau von Solarparks zu ermitteln und zu quantifizieren. Das Hauptziel des Projekts ist die Programmierung einer Software zur Unterstützung der Planung und Verwaltung von Solarparks, um die Grundwasserneubildung, die Wasserqualität und andere ökohydrologische Bedingungen (z. B. Bereitstellung von Nahrung und Wasser, Reduktion von Oberflächenwasserabfluss, Lebensraum für Tiere und Pflanzen verbessern, Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden verhindern) zu optimieren. Das Projekt umfasst den Aufbau eines konzeptionellen Rahmens zur Bewertung und Quantifizierung spezifischer Ökosystemleistungen von Solarparkprojekten durch die Verknüpfung der Auswirkungen der Infrastruktur mit ökologischen und hydrologischen Daten. Die Ziele dieses Projekts werden durch die Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Hydrologie und Flussgebietsmanagement der TU München mit der Firma MaxSolar GmbH während der Planung und des Baus eines ihrer Solarparkprojekte in Darstadt (Bayern) erreicht. Der Solarpark in Darstadt wird als Pilotstudie dienen, um die Software zu entwickeln, zu testen und einzusetzen. Dieses Projekt bringt den Stand der Technik voran, indem es eine neuartige Software entwickelt, mit der die Auswirkungen der Infrastruktur von Solarparks quantitativ und in einem räumlichen Kontext analysiert werden können. (Text gekürzt)

Pegelportal Brandenburg - Anwendung

Im Pegelportal Brandenburg werden die durch das LfU erhobenen hydrologischen Daten von Brandenburger Gewässern mit hoher zeitlicher Auflösung und Aktualität präsentiert. Mit dem Softwaresystem WISKI wurde eine zentrale Datenhaltung als Basis für das hydrologische Auskunftssystem eingeführt. Das Pegelportal informiert über die Hochwassersituation in den Flussgebieten. Darüber hinaus werden hydrologische Messwerte (Wasserstand, Durchfluss), Stammdaten und statistische Kennwerte bereitgestellt. In der Karte werden die Flussgebiete einschließlich der Hochwassermeldepegel des Landes Brandenburg dargestellt. Für mehr Informationen können weitere Themen aktiviert oder die interaktiven Möglichkeiten in der Karte genutzt werden. Im Normalfall sind Hochwassermeldepegel Grün sowie Flussabschnitte Blau und zeigen an, dass kein Hochwasser vorliegt. Ist ein Flussabschnitt Gelb markiert, liegt eine Warnung oder Information vor. Die betroffenen Hochwassermeldepegel sind bei Überschreitung von Alarmstufen in Gelb, Orange, Rot oder Violett gefärbt.

Seen, Amtsbereich StALU MM Rostock

Erhebung, Auswertung und Verwaltung chemischer, physikalischer und biologischer Gewässerdaten Klassifizierung der untersuchten Gewässer Vereinzelte Erfassung hydrologischer Daten (Wasserstände)

Seenmeßprogramm (StALU WM Schwerin)

Erhebung, Auswertung und Verwaltung chemischer, physikalischer und biologischer Gewässerdaten Klassifizierung der untersuchten Gewässer vereinzelte Erfassung hydrologischer Daten (Wasserstände)

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