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[Nachruf] Arno Semmel
(2010)
In situ rainwater harvesting has a long history in arid and semi-arid regions of the world buffering water shortages for human consumption and agriculture. In the context of an Integrated Water Resource Management (IWRM) in the Cuvelai Basin in northern Namibia, roof top rainwater harvesting is being introduced to a rural community for the irrigation of household scale gardens for the cultivation of horticulture products. This study elaborates how harvested rainwater can be used for garden irrigation in a sustainable manner evaluating ecologic, economic and social implications. Considering local conditions eight cropping scenarios were designed, including different criteria as well as one and two annual planting seasons. These schemes were tested under present climate conditions and under three future climate change scenarios for 2050 with the help of a tank model designed to model monthly tank inflows and outflows. Special attention was laid on risk and uncertainty aspects of varying inter-annual and interseasonal precipitation and future climate change. A framework for the assessment of sustainability was adapted to the purposes of this study and indicators have been developed in order to assess the cropping and irrigation schemes for sustainability.
The study found that with the given tank size of 30 m³, depending on crop scenario, under optimized conditions a garden area of 60 to 90 m³ can be irrigated. The choice of crops highly impacts water use efficiency and economic profitability, compared to the considerably lower impact of amount of annual planting seasons and future climate change. In the case of worsening future climate conditions, adaptation measures need to be taken as especially the economic as well as the environmental situation are expected to exacerbate due to expected decreases in yields and revenues. Already under present conditions however, the economic dimension represents the most limiting factor to sustainability, particularly due to the excessive investment costs of the rainwater harvesting and gardening facility. Nonetheless, rainwater harvesting in combination with gardening can be regarded as successful in securing household nutrition, providing sufficient horticulture products for household consumption or market sale. At the same time with the optimal choice of crops the investment costs can be recovered within the end of the lifespan of the facility.
Long-term average groundwater recharge representing the sustainable groundwater resources is modeled as a 0.5° by 0.5° grid on global scale by the WaterGAP Global Hydrology Model. Due to uncertainties of estimating groundwater recharge, especially in semiarid and arid regions, independent estimates are used for calibrating the model. This work compiled a new set of independent groundwater recharge estimates based on a work of Scanlon et al. (2006). The 59 independent estimates, together with an already existing independent estimates compilation, are used for the evaluation of two WGHM variants; one variant is modeling with an improved more realistically distributed daily precipitation dataset.
The objective of this thesis is the evaluation of the modeled data of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The analysis of the impact of the new Watch Forcing Data (WFD) precipitation dataset on the modeled groundwater recharge tends to result in lower values in humid and higher values in (semi-)arid regions compared to the WGHM standard variant. Comparing both WGHM variants to the independent estimates compilations, representing (semi-)arid regions, the WGHM variant shows over- and underestimations especially of the low values and the WGHM WFD variant shows a bias toward overestimation especially for values below 4 mm/yr. The analysis of texture, hydrogeology and vegetation/ land cover could not give satisfying explanations for the discrepancies, but derived from the groundwater recharge measurement methods analysis indirect/ localized recharge seems to be a significant factor causing underestimations, as resulted in the comparison of the independent estimates based on Scanlon et al. 2006 with the WGHM variants.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
The current study tested the assumption that floristic and functional diversity patterns are negatively related to soil nitrogen content. We analyzed 20 plots with soil N-contents ranging from 0.63% to 1.06% in a deciduous forest near Munich (Germany). To describe species adaptation strategies to different nitrogen availabilities, we used a plant functional type (PFT) approach. Each identified PFT represents one realized adaptation strategy to the current environment. These were correlated, next to plant species richness and evenness, to soil nitrogen contents. We found that N-efficient species were typical for low soil nitrogen contents, while N-requiring species occur at high N-contents. In contrast to our initial hypotheses, floristic and functional diversity measures (number of PFTs) were positively related to nitrogen content in the soil. Every functional group has its own adaptation to the prevailing environmental conditions; in consequence, these functional groups can co-exist but do not out-compete one another. The increased number of functional groups at high N-contents leads to increased species richness. Hence, for explaining diversity patterns we need to consider species groups representing different adaptations to the current environmental conditions. Such co-existing ecological strategies may even overcome the importance of competition in their effect on biodiversity.
A new, two-channel instrument for simultaneous NO3 and N2O5 monitoring was used to make the first comprehensive set of nocturnal NOx measurements (NO, NO2, NO3 and N2O5) at the Taunus Observatory, a rural mountain site (Kleiner Feldberg) in South-western Germany. In May 2008, NO3 and N2O5 mixing ratios were well above the instrumental detection limit (a few ppt) on all nights of the campaign and were characterised by large variability resulting from inhomogeneously distributed sinks. The concentrations of NO3, N2O5 and NO2 were consistent with the equilibrium constant, K2, defining the rates of formation and thermal dissociation of N2O5. A steady-state lifetime analysis showed that nocturnal NOx losses were generally dominated by reaction of NO3 with volatile organic compounds in this forested region, with N2O5 uptake to aerosols of secondary importance. Analysis of a limited dataset obtained at high relative humidity indicated that the loss of N2O5 by reaction with water vapour is less efficient (> factor 3) than derived using laboratory kinetic data. The fraction of NOx present as NO3 and N2O5 reached ≈20% on some nights, with night-time losses of NOx competing with daytime losses.
A comprehensive evaluation of seasonal backward trajectories initialized in the Northern Hemisphere lowermost stratosphere (LMS) has been performed to investigate the origin of air parcels and the main mechanisms determining characteristic structures in H2O and CO within the LMS. In particular we explain the fundamental role of the transit time since last tropopause crossing (tTST) for the chemical structure of the LMS as well as the feature of the extra-tropical tropopause transition layer (ExTL) as identified from CO profiles. The distribution of H2O in the background LMS above Θ=320 K and 340 K in northern winter and summer, respectively, is found to be governed mainly by the saturation mixing ratio, which in turn is determined by the Lagrangian Cold Point (LCP) encountered by each trajectory. Most of the backward trajectories from this region in the LMS experienced their LCP in the tropics and sub-tropics. The transit time since crossing the tropopause from the troposphere to the stratosphere (tTST) is independent of the H2O value of the air parcel. TST often occurs 20 days after trajectories have encountered their LCP. CO, on the other hand, depends strongly on tTST due to its finite lifetime. The ExTL as identified from CO measurements is then explained as a layer of air just above the tropopause, which on average encountered TST fairly recently.