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140 Liter Wasser werden für die Herstellung einer Tasse Kaffee benötigt, 1.300 Liter Wasser für ein Kilo Gerste und 3.400 Liter Wasser für ein Kilo Reis. Diese Zahlen mögen im ersten Moment unglaubwürdig erscheinen, doch sie entsprechen der Wirklichkeit. Für die Herstellung von nahezu allen Produkten wird Wasser in teils sogar sehr großen Mengen benötigt. In dem Endprodukt jedoch findet sich meist nur ein kleiner Teil des ursprünglich eingesetzten Wassers in seiner physischen Form wieder. Der überwiegende Anteil wurde während des Produktionsprozesses verdunstet oder zur Kühlung eingesetzt und wird daher als „virtuelles Wasser“ bezeichnet. Aufgrund des Exports und Imports von Produkten im Zuge des internationalen Handels kommt es somit auch zu Strömen von virtuellem Wasser zwischen den einzelnen Ländern. In dieser Bachelorarbeit wird der virtuelle Wasserhandel mit 23 verschiedenen Feldfrüchten mit dem Fokus auf Deutschland für den Zeitraum von 1998 bis 2002 untersucht. In die Berechnung dieser virtuellen Wasserströme ist ein neuartiges Modell eingegangen, das Global Crop Water Model (GCWM), welches den virtuellen Wassergehalt für unterschiedliche Feldfruchtgruppen global für jede 5-Minuten-Zelle auf Basis detaillierter Daten berechnet. Dank dieses Modells ist es möglich, eine Trennung zwischen dem virtuellen Wasser, welches aus der Nutzung des Niederschlagswassers und dem virtuellen Wasser, welches aus der Bewässerung von Ackerflächen resultiert, vorzunehmen und diese getrennt von einander zu analysieren. Mittels der Verwendung der Handelsstatistik Comtrade der Vereinten Nationen lässt sich aus den Ergebnissen des GCWM der virtuelle Wasserhandel darstellen. Es zeigt sich, dass Deutschland das meiste Wasser in seiner virtuellen Form nach Algerien, Saudi-Arabien, Belgien und in die Niederlande exportiert, wohingegen aus Brasilien, den USA, Frankreich und der Elfenbeinküste die größten virtuellen Wassermengen importiert werden.
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 Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Vergleich des ASTER GDEM und SRTM, zweier kostenlos verfügbarer, digitaler Geländehöhenmodelle mit nahezu globaler Abdeckung. Die Untersuchungsgebiete befinden sich im Kleinwalsertal (Österreich) und in Südhessen (Deutschland). Der Vergleich der Geländehöhendaten erfolgt durch die Ermittlung der Höhenabweichung zu Referenzhöhen, die aus hochauflösenden amtlichen Geländemodellen ermittelt wurden. Die Höhenabweichung wurde zudem für bestimmte geomorphologische Oberflächenformen und Landbedeckungen ermittelt. Des Weiteren werden die Geländehöhendaten auf ihre Eignung für geomorphometrische und hydrologische Analysen bewertet.
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 design of rainwater harvesting based gardens requires considering current climate but also climate change during the lifespan of the facility. The goal of this study is to present an approach for designing garden variants that can be safely supplied with harvested rainwater, taking into account climate change and adaptation measures. In addition, the study presents a methodology to quantify the effects of climate change on rainwater harvesting based gardening. Results of the study may not be accurate due to the assumptions made for climate projections and may need to be further refined. We used a tank flow model and an irrigation water model. Then we established three simple climate scenarios and analyzed the impact of climate change on harvested rain and horticulture production for a semi-arid region in northern Namibia. In the two climate scenarios with decreased precipitation and medium/high temperature increase; adaptation measures are required to avoid substantial decreases in horticulture production. The study found that the most promising adaptation measures to sustain yields and revenues are a more water efficient garden variant and an enlargement of the roof size. The proposed measures can partly or completely compensate the negative impacts of climate change.
Nach dem Reaktorunfall in Fukushima im März 2011 und dem darauf folgendem Beschluss in Deutschland, den Atomausstieg zu vollziehen, wird dort – sowohl auf nationaler, als auch auf regionaler Ebene – über eine alternative Energieversorgung diskutiert. Für die vorliegende Arbeit stellten sich die Fragen, wie die energiepolitische Ausgangssituation in Hessen aussieht und welche Potenziale erneuerbarer Energien in Hessen vorhanden sind. Mit einer Politikfeldanalyse wurde untersucht, welche Akteure am Ausbau erneuerbarer Energien beteiligt sind, wie diese interagieren, welche Instrumente zur Förderung erneuerbarer Energien in Hessen existieren und welche Erfolgsbedingungen und Restriktionen sich daraus ergeben. Ferner wurde anhand der jeweiligen Energiekonzepte die Frage verfolgt, welche Zukunftspotenziale für erneuerbare Energien die relevanten Akteure sehen und welche energiepolitischen Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Ausbau zu forcieren. Bei einem Vergleich des Bundeslandes Hessen mit den Ländern Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen-Anhalt wurde festgestellt, welche energiepolitischen Maßnahmen in diesen Bundesländern erfolgreich waren und auf Hessen übertragbar sind. Einerseits wurde aufgezeigt, dass Bemühungen den Ausbau erneuerbarer Energien zu forcieren erkennbar sind. Anderseits konnten ebenso die restriktiven Rahmenbedingungen dargestellt werden, die einen durchschlagenden Erfolg des Ausbaus erneuerbarer Energien bisher behindern. Die Untersuchung der Energiekonzepte hat ergeben, dass die Akteure die Zukunftspotenziale erneuerbarer Energien sehr unterschiedlich sehen und gewichten – sowohl was das zeitliche Ausbauziel als auch die Potenziale der jeweiligen erneuerbaren Energieträger betrifft.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.
Irrigation intensifies land use by increasing crop yield but also impacts water resources. It affects water and energy balances and consequently the microclimate in irrigated regions. Therefore, knowledge of the extent of irrigated land is important for hydrological and crop modelling, global change research, and assessments of resource use and management. Information on the historical evolution of irrigated lands is limited. The new global Historical Irrigation Dataset (HID) provides estimates of the temporal development of the area equipped for irrigation (AEI) between 1900 and 2005 at 5 arc-minute resolution. We collected subnational irrigation statistics from various sources and found that the global extent of AEI increased from 63 million ha (Mha) in 1900 to 112 Mha in 1950 and 306 Mha in 2005. We developed eight gridded versions of time series of AEI by combining subnational irrigation statistics with different data sets on the historical extent of cropland and pasture. Different rules were applied to maximize consistency of the gridded products to subnational irrigation statistics or to historical cropland and pasture data sets. The HID reflects very well the spatial patterns of irrigated land in the western United States as shown on historical maps. Mean aridity on irrigated land increased and river discharge decreased from 1900–1950 whereas aridity decreased from 1950–2005. The dataset and its documentation are made available in an open data repository at https://mygeohub.org/publications/8 (doi:10.13019/M2MW2G).
The three-dimensional quantification of small-scale processes in the upper troposphere and lower stratosphere is one of the challenges of current atmospheric research and requires the development of new measurement strategies. This work presents the first results from the newly developed Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere (GLORIA) obtained during the ESSenCe (ESa Sounder Campaign) and TACTS/ESMVal (TACTS: Transport and composition in the upper troposphere/lowermost stratosphere, ESMVal: Earth System Model Validation) aircraft campaigns. The focus of this work is on the so-called dynamics-mode data characterized by a medium-spectral and a very-high-spatial resolution. The retrieval strategy for the derivation of two- and three-dimensional constituent fields in the upper troposphere and lower stratosphere is presented. Uncertainties of the main retrieval targets (temperature, O3, HNO3, and CFC-12) and their spatial resolution are discussed. During ESSenCe, high-resolution two-dimensional cross-sections have been obtained. Comparisons to collocated remote-sensing and in situ data indicate a good agreement between the data sets. During TACTS/ESMVal, a tomographic flight pattern to sense an intrusion of stratospheric air deep into the troposphere was performed. It was possible to reconstruct this filament at an unprecedented spatial resolution of better than 500 m vertically and 20 × 20 km horizontally.
Ternary aerosol nucleation experiments were conducted in the CLOUD chamber at CERN in order to investigate the influence of ions on new particle formation. Neutral and ion-induced nucleation experiments, i.e., with and without the presence of ions, were carried out under precisely controlled conditions. The sulphuric acid concentration was measured with a Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS) during the new particle formation experiments. The added ternary trace gases were ammonia (NH3), dimethylamine (DMA, C2H7N) or oxidised products of pinanediol (PD, C10H18O2). When pinanediol was introduced into the chamber, an increase in the mass spectrometric signal used to determine the sulphuric acid concentration (m/z 97, i.e., HSO4−) was observed due to ions from the CLOUD chamber. The enhancement was only observed during ion-induced nucleation measurements by using either galactic cosmic rays (GCR) or the proton synchrotron (PS) pion beam for the ion generation, respectively. The ion effect typically involved an increase in the apparent sulphuric acid concentration by a factor of ~2 to 3 and was qualitatively verified by the ion measurements by an Atmospheric Pressure interface-Time Of Flight (APi-TOF) mass spectrometer. By applying a high voltage (HV) clearing field inside the CLOUD chamber the ion effect on the CIMS measurement was completely eliminated since, under these conditions, small ions are swept from the chamber in about one second. In order to exclude the ion effect and to provide corrected sulphuric acid concentrations during the GCR and PS beam nucleation experiments, a parameterisation was derived that utilizes the trace gas concentrations and the UV light intensity as input parameters. Atmospheric sulphuric acid measurements with a CIMS showed an insignificant ion effect.