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Für die Parametrisierung von Stoff- und Wärmetransportmodellen, welche z. B. im Rahmen der Gefährdungsabschätzung im Altlastenbereich Anwendung finden, werden in der Modellierungspraxis zum gegenwärtigen Zeitpunkt zwei Ansätze verfolgt. Ersterer besteht darin, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen über theoretische Zusammenhänge ermittelbar sind. Der zweite Ansatz besteht darin, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen aus Ergebnissen von objektspezifisch und naturnah durchgeführten Laborversuchen bestimmbar sind. Unter der Annahme, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen über theoretische Zusammenhänge ermittelbar sind (Ansatz 1), besteht ein deutlich geringerer Zeitbedarf, da keine objektspezifischen Untersuchungen erforderlich sind. Nachteilig sind die daraus resultierenden, sehr komplexen Parametermodelle mit einer hohen Anzahl an Kennwerten und Parametern, welche verfügbar sein müssen, jedoch teilweise nicht ermittelbar sind. Erzielte Ergebnisse zeigen teilweise erhebliche Abweichungen von der Realität und sind kaum bzw. nur schwer verifizierbar. Beispielsweise ergibt die Ermittlung des Kd-Wertes aus Literaturwerten, der für die Quantifizierung der Sorption/Desorption benötigt wird, eine deutliche Überschätzung der Sorption/Desorption im Vergleich zu objektspezifisch ermittelten Werten. Im Gegensatz dazu steht der Ansatz, dass alle Parameter und deren komplexe Wirkungen aus Ergebnissen von objektspezifisch und naturnah durchgeführten Laborversuchen ermittelbar sind (Ansatz 2). Ein Vorteil ist hierbei, dass die objektspezifisch zu beachtenden komplexen Wirkungen in den ermittelten Parametern bereits enthalten sind. Sehr einfache und damit nachvollziehbare Parametermodelle führen zu einer mehrfach nachgewiesenen, sehr guten Übertragbarkeit in den Feldbereich. Nachteilig ist der teilweise sehr große Zeitbedarf für die Durchführung laborativer Untersuchungen (bis zu 6 Monate für die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten). Daraus resultiert der Anspruch, dass jeder Laborversuch vollständig auswertbar ist und keine Wiederholungen durchgeführt werden müssen. Durch das im Jahr 2018 fertiggestellte AiF-Projekt „Entwicklung eines verfahrenstechnischen Laborsystems für die automatisierte Ermittlung von Migrationsparametern für den Boden- und Grundwasserbereich“ (Projektleitung Dost, P.) können Kennwerte (für die quantitative Charakterisierung von Bodeneigenschaften und damit für die Vergleichbarkeit von Böden) und Parameter (für die Quantifizierung von Prozessen) im Bereich Quell- und Transportterm¬ erstmals automatisiert und unter Berücksichtigung einer definierten Versuchsplanung, einer Versuchsdurchführung bzw. -steuerung sowie einer Versuchsauswertung einschließlich Plausibilitätsprüfung ermittelt werden. Dadurch wurde das Problem der aus der teilweise langen Versuchszeit resultierenden Notwendigkeit der Vermeidung einer Wiederholung von Laborversuchen gelöst. Die Versuchsplanung von Laborversuchen nimmt dabei eine übergeordnete Rolle ein, um die Anzahl sowie die zeitliche Verteilung der Stützstellen (Probennahmezeitpunkte) festlegen zu können. Dies erfordert jedoch die Bereitstellung und Visualisierung der entsprechenden boden- und stoffspezifischen Funktionsverläufe auf der Grundlage bereits ermittelter Quell- und Transporttermparameter. Gleiches gilt für die Kennwerte, welche als Erwartungswerte für die Versuchsplanung herangezogen werden müssen und später im Sinne einer Plausibilitätsprüfung der im Laborversuch ermittelten Kennwerte und Parameter dienen. Um dieses Problem lösen zu können, erfolgte im Rahmen der Dissertation, jedoch außerhalb des AiF-Projektes, die Entwicklung einer Datenbank (LabD), welche alle bisher von der BGD ECOSAX GmbH ermittelten Quell- und Transporttermparameter einschließlich Kennwerte enthält. Dadurch konnte gleichzeitig die Grundlage für die im Rahmen der Versuchsplanung erforderliche Auswahl des Laborversuchsverfahrens gelöst werden. Die in der Datenbank enthaltenen Quell- und Transporttermparameter sowie bodentypischen Kennwerte können für eine erste objektspezifische Gefährdungsabschätzung direkt verwendet werden. Der Objektbezug wird dabei durch die nachgewiesenen Korrelationsbeziehungen zwischen standortspezifischen Kennwerten und den in der Datenbank in Abhängigkeit der Kennwerte enthaltenen Parametern hergestellt. Mithilfe der Kenntnis existierender Korrelationsbeziehungen und Abhängigkeiten bodenphysikalischer sowie stoffabhängiger Kennwerte und Parameter ist es gelungen, die beschriebene Bereitstellung und Visualisierung zu realisieren. Durch die Ermittlung von Korrelationskoeffizienten einschließlich ihrer Signifikanz wird verdeutlicht, wie intensiv einzelne Parameter und Kennwerte zusammenhängen und diese sich auf durchzuführende Laborversuche auswirken können. Die existierende Heterogenität der Boden- und Grundwasserzone stellt weiterhin einen hohen Anspruch an die Durchführung von Laborversuchen und ihrer Interpretation dar. Der Ungleichförmigkeitsgrad resultiert stets aus einer integralen Mischprobe und kann die Heterogenität nur unzureichend abbilden. Er liefert lediglich einen Hinweis auf heterogene Verhältnisse der jeweiligen Bodenprobe. Das Verhalten zwischen effektiver und hydraulisch gering wirksamer Porosität kann genau wie die Größe der Abweichung zwischen dem richtungsabhängigen kf-Wert nach DARCY und dem strömungsunabhängigen kf-Wert nach BEYER ein Maß für die Beschreibung der Heterogenität des Bodens darstellen. Die alleinige Verwendung von Literaturwerten im Rahmen einer Gefährdungsabschätzung, einer Sickerwasserprognose oder einer Modellierung kann zu signifikanten Abweichungen im Vergleich zur Realität führen, gerade aufgrund der großen Varianz existierender Literaturwerte und teilweise nicht bekannter Randbedingungen. Für Sanierungsmaßnahmen und den damit verbundenen Kosten ist eine Überschätzung der Gefährdung genauso problematisch wie deren Unterschätzung. Aus einer Unterschätzung der Gefährdung könnte die Entscheidung folgen, dass eine Grundwassersanierung nicht erforderlich ist. Später würden jedoch Kontaminationskonzentrationen festgestellt werden, die Sanierungsmaßnahmen erfordern. Ein weiteres, wesentliches Ergebnis der Dissertation ist der Nachweis der direkten Übertragbarkeit der mittels des entwickelten Labormanagementsystems (LMS) bestimmten Migrationsparameter in den Feldbereich. Damit wurde ein grundsätzlicher Beitrag für eine fachliche und wirtschaftliche Begründung der Durchführung objektspezifischer Laborversuche zur Quell- und Transporttermparameterermittlung geleistet. Da die Probleme der Unter- wie der Überschätzung der Grundwassergefährdung bei der Genehmigung von Sanierungsmaßnahmen zunehmend von den genehmigenden Behörden und Auftraggebern festgestellt werden, wird auch zukünftig der Bedarf an Laborversuchen zur repräsentativen Ermittlung von Migrationsparametern steigen.:THESEN 1. EINLEITUNG 2. KENNTNISSTANDSANALYSE 2.1. VERGLEICH ZWISCHEN LITERATUR- UND LABORERGEBNISSEN 2.1.1. Zielstellung der Beispiele 2.1.2. Beispiel 1: Sickerwasserprognose 2.1.3. Beispiel 2: Fahnenprognose 2.2. KENNWERTE UND PARAMETER 2.2.1. Begriffsverwendung 2.2.2. Definition von Kennwerten und Parametern 2.2.3. Einteilung von Kennwerten und Parametern 2.3. DEFINITION QUELL- UND TRANSPORTTERM 2.4. HETEROGENITÄT IM BODEN- UND GRUNDWASSERBEREICH 2.5. PROZESSANALYSE UND MODELLVORSTELLUNG 2.5.1. Prozessvorstellung 2.5.2. Einporensystem 2.5.3. Doppelporensystem 2.5.4. Stofftransport im Doppelporensystem 2.6. KORRELATIONSBEZIEHUNGEN UND ABHÄNGIGKEITEN 2.6.1. Definition und Abgrenzung des Begriffs der Korrelation 2.6.2. Korrelationsbeziehungen zwischen Kennwerten 2.6.3. Korrelationsbeziehungen zwischen Kennwerten und Parametern 2.6.4. Weitere Korrelationsbeziehungen und Abhängigkeiten zwischen Kennwerten und Parametern 2.7. ERMITTLUNG VON MIGRATIONSPARAMETERN 2.7.1. Forderung an die Parameterermittlung 2.7.2. Parameterermittlung im Feldbereich 2.7.3. Parameterermittlung im Laborbereich 2.8. ÜBERBLICK EXISTIERENDER LABORVERSUCHSVERFAHREN 2.8.1. Zielstellung Auswahl Laborversuchsverfahren 2.8.2. Batch- und Säulenversuche 2.8.3. Vor- und Hauptversuche 2.9. MAßSTABSFAKTOREN UND ÜBERTRAGBARKEIT 2.10. VERSUCHSPLANUNG LABORATIVER UNTERSUCHUNGEN 2.10.1. Anwendungsbereich existierender Datenbanken 2.10.2. Anwendungsbereich existierender Normen 2.10.3. Stützstellenplanung laborativer Untersuchungen 2.11. AUTOMATISIERTE ERMITTLUNG VON MIGRATIONSPARAMETERN IM LABOR 3. DEFIZITANALYSE 4. ZIELSTELLUNG 5. ENTWICKLUNG DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS) 5.1. AUFBAU DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS) 5.2. START DES LABORMANAGEMENTSYSTEMS (LMS) 5.3. ENTWICKLUNG DER SYSTEMKOMPONENTEN 5.3.1. Versuchsplanung 5.3.2. Versuchsdurchführung (Versuchssteuerung) 5.3.3. Versuchsauswertung 5.4. VEREINFACHTE GEFÄHRDUNGSABSCHÄTZUNG (GFA) 5.5. VISUALISIERUNG VON FUNKTIONEN 5.5.1. Visualisierungskonzept in Planung, Durchführung und Auswertung 5.5.2. Optimierung von Funktionen – Methode der kleinsten Quadrate 6. AUFBAU DATENBANK MIGRATIONSPARAMETER (LABD) 6.1. DATENAUSWAHL 6.1.1. Bearbeitungsgrundlagen 6.1.2. Datenzusammenstellung 6.2. TEST AUF NORMALVERTEILUNG 6.2.1. Anderson-Darling-Test 6.2.2. Ergebnisse Test auf Normalverteilung 6.3. TEST AUF AUSREIßER 6.3.1. Dean-Dixon-Test 6.3.2. Ergebnisse Test auf Ausreißer 6.4. HYDRAULISCH WIRKSAME POROSITÄT IN LITERATUR UND PRAXIS 7. KORRELATIONSBEZIEHUNGEN 7.1. TEST AUF KORRELATION 7.1.1. Rangkorrelationskoeffizient 7.1.2. Signifikanztest der Korrelationsbeziehung 7.2. ERGEBNISSE DER KORRELATIONS- UND SIGNIFIKANZANALYSE 7.2.1. Zusammenstellung der Korrelationskoeffizienten 7.2.2. kf-Wert nach BEYER und DARCY 7.2.3. Porositätsanteile, longitudinale Dispersivität und Massentransfer 7.2.4. Ungleichförmigkeitsgrad 7.2.5. Feldkapazitäten und van GENUCHTEN-Parameter 7.2.6. Bedeutung der Korrelationsbeziehungen in Theorie und Praxis 8. QUELL- UND TRANSPORTTERMBESTIMMUNG UNTER VERWENDUNG VON LABORMANAGEMENTSYSTEM (LMS) UND DATENBANK (LABD) 8.1. VERWENDETE GRUNDLAGEN 8.2. LCKW-SCHADENSFALL 8.3. PSM-SCHADENSFALL 8.4. PROJEKTEINGABE UND MANAGEMENT IM LMS 8.5. LABORVERSUCHE QUELLTERMBESTIMMUNG – ELUTION 8.5.1. IBSV zur Ermittlung der Elutionsraten 8.5.2. Versuchsplanung Elution 8.5.3. Versuchsdurchführung Elution 8.5.4. Versuchsauswertung Elution 8.6. LABORVERSUCHE QUELLTERMBESTIMMUNG – DIFFUSION 8.6.1. IBSV zur Ermittlung diffusionslimitierter Stoffaustragsraten 8.6.2. Versuchsplanung, -durchführung und -auswertung Diffusion 8.7. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – MIKROBIELLER ABBAU 8.7.1. IBSV zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 8.7.2. Versuchsplanung mikrobieller Abbau 8.7.3. Versuchsdurchführung mikrobieller Abbau 8.7.4. Versuchsauswertung mikrobieller Abbau 8.7.5. Einsatz des LMS für die Ermittlung mikrobieller Abbauraten ohne Erwartungswerte der LabD 8.8. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – SORPTION 8.8.1. Versuchskonzeption ohne Erwartungswerte 8.8.2. Batchversuche zur Ermittlung der Sorptionskoeffizienten 8.8.3. Versuchsplanung Sorption (Vorversuche) 8.8.4. Versuchsdurchführung Sorption 8.8.5. Versuchsauswertung Sorption 8.9. LABORVERSUCHE TRANSPORTTERMBESTIMMUNG – RETARDATION 8.9.1. Klassischer SV zur Ermittlung der Retardationskoeffizienten 8.9.2. Versuchsplanung Retardation 8.9.3. Versuchsdurchführung Retardation 8.9.4. Versuchsauswertung Retardation 9. VEREINFACHTE GEFÄHRDUNGSABSCHÄTZUNG (GFA) 9.1. DURCHFÜHRUNG SICKERWASSERPROGNOSE 9.1.1. Anwendung von ALTEX-1D 9.1.2. Monitoring Quellterm 9.1.3. Prognose einer vollständigen Flächenversiegelung 9.2. DURCHFÜHRUNG FAHNENPROGNOSE 9.2.1. Voraussetzungen 9.2.2. Fahnenprognose LCKW-Schadensfall 9.2.3. Fahnenprognose PSM-Schadensfall 9.2.4. Qualitätssicherung und Übertragbarkeit der Ergebnisse 10. VERHÄLTNIS ZWISCHEN EFFEKTIVER UND HYDRAULISCH GERING WIRKSAMER POROSITÄT – EINE KENNGRÖßE DER HETEROGENITÄT? 10.1. PROBLEMSTELLUNG 10.2. TRACERVERSUCHE ZUR CHARAKTERISIERUNG DER HETEROGENITÄT 10.2.1. Versuchsdurchführung 10.2.2. Tracerversuche mit heterogener Materialverteilung im Linerkern 10.2.3. Tracerversuche mit homogener Materialverteilung im Linerkern 10.3. QUALITÄTSSICHERUNG – RANDBEDINGUNG SUFFOSION 10.4. VERGLEICH UND INTERPRETATION DER ERGEBNISSE 11. ZUSAMMENFASSUNG 12. AUSBLICK QUELLENVERZEICHNIS ANLAGEN Anlage 01 – Vorteile und Nachteile der Vor- und Hauptversuche Anlage 02 – Verwendete Keywords der durchgeführten Literaturrecherche Anlage 03 – Ergebnisse Test auf Normalverteilung Anlage 04 – Ergebnisse Test auf Ausreißer Anlage 05 – Ergebnisse Rangkorrelationskoeffizienten und Signifikanz Anlage 06 – Aufbau intermittierend betriebener Säulenversuch (IBSV) Anlage 07 – Ermittlung der Wasserdurchlässigkeit (kf-Wert nach DARCY) Anlage 08 – Ermittlung der effektiven Porosität Anlage 09 – Durchführung Elution (IBSV) Anlage 10 – Ermittlung der Elutionsraten 0. und 1. Ordnung Anlage 11 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Elution Anlage 12 – Durchführung Diffusion (IBSV) Anlage 13 – Ermittlung der diffusionslimitierten Stoffaustragsrate Anlage 14 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Diffusion Anlage 15 – Durchführung mikrobieller Abbau (IBSV) Anlage 16 – Ermittlung der mikrobiellen Abbaurate 1. Ordnung Anlage 17 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Abbau Anlage 18 – Ermittlung der Sorptionskoeffizienten Anlage 19 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Sorption Anlage 20 – Steckbrief, Analysen, Bilder und Diagramme Retardation Anlage 21 – Sickerwasserprognose ALTEX-1D Anlage 22 – Fahnenprognose Anlage 23 – Effektive Porosität und Heterogenität Anlage 24 – Geometrische Suffosion Anlage 25 – Hydraulische Suffosion ABKÜRZUNGS- UND SYMBOLVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS

Global change is a major threat to local groundwater resources. Climate change and population growth are factors that directly or indirectly augment the increasing uptake of groundwater resources. To outbalance the pressure on aquifers, managed aquifer recharge (MAR) schemes are increasingly being implemented. They enable the subsurface storage of surplus water for times of high demand. The complexity of MAR schemes makes their planning and implementation multifaceted and requires a comprehensive assessment of the local hydrogeological and hydrogeochemical conditions. Despite the fact that MAR is a widely used technique, its implementation is not well regulated and comprehensive planning and design guidelines are rare. The use of supporting tools, such as numerical and physical models or geographic information systems (GIS), is rising for MAR planning but their scope and requirements for application are rarely reflected in the available MAR guidelines. To depict the application potential and the advantages and disadvantages of the tools for surface infiltration MAR planning, this thesis comprises reviews on the past use of the tools as well as suggestions to improve their applicability for MAR planning. GIS is not mentioned by most MAR guidelines as a planning tool even though it is increasingly being used for MAR mapping. Through a review of GIS-based MAR suitability studies, this thesis shows that the MAR mapping process could be standardized by using the often-applied approach of constraint mapping, suitability mapping by using pairwise comparison for weight assignment and weighted linear combination as a decision rule, and a subsequent sensitivity analysis. Standardizing the methodology would increase the reliability and comparability of MAR maps due to the common methodological approach. Thus, the proposed standard methodology was incorporated into a web GIS that simplifies MAR mapping through a pre-defined workflow. Numerical models are widely used for the assessment of MAR schemes and are included into some MAR planning guidelines. However, only a few studies were found that utilized vadose zone models for the planning and design of MAR schemes. In this thesis, a review and a subsequent case study highlight that numerical modelling has many assets, such as monitoring network design or infiltration scenario planning, that make its utilization during the MAR planning phase worthwhile. Consequently, this study advocates the use of vadose zone models for MAR planning by showing their potential areas of application as well as their uncertainties that need to be regarded carefully during modelling. Physical models used for MAR planning are typically field or pilot sites, as some MAR legislation requests pilot sites as part of the preliminary assessment. Laboratory experiments are used less often and are mostly restricted to the analysis of very specific issues, such as clogging. This thesis takes on the issue of scaling laboratory results to the field scale by comparing results from three physical models of different scales and dimensionality. The results indicate that preferential flow paths, air entrapment and boundary influence limit the quantitative validity of laboratory experiments. The use of 3D tanks instead of 1D soil columns and the application of statistical indicators are means to increase the representativeness of laboratory measurements. Nevertheless, physical models have the potential to improve MAR planning in terms of detailed process assessment, scenario and sensitivity analyses. All tools discussed in this thesis have their merits for MAR scheme planning and should be advocated better in MAR guidelines by depicting their application potential, advantages and disadvantages. The information accumulated in this thesis is a step towards an advanced use of supporting tools for the planning and design of MAR schemes.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 Appendix Der globale Wandel stellt eine große Bedrohung für die lokalen Grundwasserressourcen dar. Klimawandel und Bevölkerungswachstum sind Faktoren, die, direkt oder indirekt, die zunehmende Nutzung von Grundwasserressourcen verstärken. Um diesen Druck auf die Grundwasserleiter auszugleichen, werden verstärkt Maßnahmen zur gezielten Grundwasserneubildung (managed aquifer recharge = MAR) durchgeführt. Dies ermöglicht die unterirdische Speicherung von überschüssigem Wasser für Zeiten hohen Bedarfs. Die Komplexität von MAR-Anlagen macht ihre Planung und Umsetzung kompliziert und erfordert eine umfassende Bewertung der lokalen hydrogeologischen und hydrogeochemischen Bedingungen. Trotz der weltweiten Implementierung von MAR ist dessen Planung wenig reguliert. Umfassende Planungs- und Gestaltungsrichtlinien sind rar. Der Einsatz unterstützender Werkzeuge, wie numerischer und physikalischer Modelle oder Geoinformationssysteme (GIS), nimmt bei der MAR-Planung zu, aber ihre Einsatzmöglichkeiten und ihre Anforderungen an die Anwendung spiegeln sich selten in den verfügbaren MAR-Richtlinien wider. Um das Anwendungspotential und die Vor- und Nachteile der Werkzeuge für die MAR-Planung darzustellen, wurden für diese Arbeit Recherchen über den bisherigen Einsatz der Werkzeuge durchgeführt. Zusätzlich wurden Vorschläge zur Erhöhung ihrer Anwendbarkeit für die MAR Planung gemacht. Der Schwerpunkt lag dabei auf Oberflächeninfiltrationsverfahren. GIS wird in keiner MAR-Richtlinie als Planungsinstrument erwähnt, obwohl es zunehmend für die MAR-Kartierung eingesetzt wird. Eine Recherche über GIS-basierte MAR-Eignungsstudien zeigte, dass der MAR-Kartierungsprozess standardisiert werden kann mittels des oft genutzten Ansatzes: initiales Ausschneiden von Gebieten, welche Restriktionen unterliegen, dem folgend die Eignungskartierung mittels Paarvergleich für die Wichtung der GIS-Karten und der gewichteten Linearkombination als Entscheidungsregel, sowie eine abschließende Sensitivitätsanalyse. Die Standardisierung der Methodik könnte die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit von MAR-Karten aufgrund des gemeinsamen methodischen Ansatzes erhöhen. Daher wurde die standardisierte Methodik in ein Web-GIS integriert, das über einen definierten Workflow die MAR-Kartierung vereinfacht. Numerische Modelle werden häufig für die Beurteilung von MAR-Systemen verwendet und sind in einigen MAR-Planungsrichtlinien ausgewiesen. Es wurden jedoch nur wenige Studien gefunden, die die Modelle der ungesättigten Zone für die Planung und Gestaltung von MAR Standorten verwendeten. Die in dieser Arbeit durchgeführte Literaturrecherche und eine darauf aufbauende Fallstudie zeigen, dass die numerische Modellierung viele Vorteile bietet, wie z. B. beim Design eines Monitoring-Netzwerkes oder bei der Planung von Infiltrationsszenarien. Physikalische Modelle, die für die MAR-Planung verwendet werden, sind meist Feld- oder Pilotversuche, da einige MAR-Gesetzgebungen Pilotstandorte im Rahmen der Vorabbewertung verlangen. Laborexperimente werden seltener eingesetzt und beschränken sich meist auf die Analyse sehr spezifischer Fragestellungen, wie z.B. der Kolmatierung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Skalierbarkeit von Laborergebnissen auf die Feldskale, indem sie Ergebnisse aus drei physikalischen Modellen verschiedener Maßstäbe und Dimensionen vergleicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Makroporen, Lufteinschlüsse und der Einfluss der Randbedingungen die quantitative Aussagekraft von Laborversuchen einschränken. Der Einsatz von 3D-Tanks anstelle von 1D-Bodensäulen oder von statistischen Indikatoren ist ein Mittel zur Erhöhung der Repräsentativität von Labormessungen. Nichtsdestotrotz hat die Anwendung physikalischerModelle das Potenzial, die MAR-Planung in Bezug auf detaillierte Prozessbewertung, Szenarien und Sensitivitätsanalysen zu unterstützen. Alle beschriebenen Instrumente haben ihre Vorzüge bei der Bewertung von MAR-Anlagen und sollten in MAR-Richtlinien detaillierter berücksichtigt werden, indem ihr Anwendungspotenzial, ihre Vor- und ihre Nachteile dargestellt werden. Die für diese Arbeit zusammengestellten Informationen sind ein Schritt zur Förderung der beschriebenen Planungsinstrumente für die Planung und Gestaltung von MAR-Anlagen.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 Appendix

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss klimarelevanter Parameter (Temperatur und Sonneneinstrahlung) auf die Reduzierung der Infiltrationskapazität untersucht. Des Weiteren wurde getestet, inwieweit sich die Infiltrationskapazität nach Entfernen der oberen, kolmatierten Bodenschicht im Infiltrationsbecken wiederherstellen lässt. Darüber hinaus wurden Methoden auf Grundlage des Bodenwassergehaltes entwickelt, mit denen eine Abschätzung des fortschreitenden Kolmatierungszustandes möglich ist. Um diese Ziele zu erreichen, wurden drei Versuchseinheiten im Feld und Labor aufgebaut.:Abstract Zusammmenfassung Resumen Acknowledgments List of Contents List of Figures List of Tables Acronyms 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Thesis structure 2 Theoretical background 2.1 Managed aquifer recharge 2.2 Clogging in MAR 2.3 Management of clogging 2.4 MAR-relevant soil parameters 2.4.1 Hydraulic conductivity 2.4.2 Soil water content 2.4.3 Electrical conductivity 2.5 MAR-relevant climate properties 2.5.1 Solar irradiance 2.5.2 Temperature 3 Site description 3.1 Study area 3.2 Climate 3.3 Elbe River 3.4 Hydrogeology 4 Methodology 4.1 Influence of climate on infiltration basin recharge 4.1.1 Temperature 4.1.2 Solar irradiance 4.2 Management of clogging in spreading basins 4.3 Determination of infiltration capacity using water content 4.3.1 Tracer method 4.3.2 Libardi method 4.3.3 Root mean square method 4.3.4 Water content method 4.3.5 Trigger time method 5 Results and discussion 5.1 Influence of climate on infiltration basins 5.1.1 Temperature 5.1.2 Solar irradiance 5.2 Management of clogging in spreading basins 5.2.1 Recovery of infiltration capacity by scraping in field unit 5.2.2 Recovery of infiltration capacity by scraping in lab units 5.3 Determination of infiltration capacity using water content 5.3.1 Tracer method 5.3.2 Libardi method 5.3.3 Root mean square method 5.3.4 Water content method 5.3.5 Trigger time method 5.3.6 Validation process 6 Conclusions 7 Limitations and outlook 8 Bibliography A.1. List of publications A.1.1 List of peer reviewed journal articles A.1.2 List of conference proceedings (only first author) A.2 Geology of the Elbtal Group A.3 Supplementary material This thesis determines the influence of climate related parameters (temperature and solar irradiance) in the reduction of infiltration capacity in different hydraulic scenarios. It also investigated the efficiency of a recovery method of already clogged infiltration ponds, and finally it developed methods based on soil water content to anticipate severe clogging states. For these objectives, three physical experimental models were constructed in the field and laboratory of the INOWAS research group, located in the city of Pirna, Germany.:Abstract Zusammmenfassung Resumen Acknowledgments List of Contents List of Figures List of Tables Acronyms 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Thesis structure 2 Theoretical background 2.1 Managed aquifer recharge 2.2 Clogging in MAR 2.3 Management of clogging 2.4 MAR-relevant soil parameters 2.4.1 Hydraulic conductivity 2.4.2 Soil water content 2.4.3 Electrical conductivity 2.5 MAR-relevant climate properties 2.5.1 Solar irradiance 2.5.2 Temperature 3 Site description 3.1 Study area 3.2 Climate 3.3 Elbe River 3.4 Hydrogeology 4 Methodology 4.1 Influence of climate on infiltration basin recharge 4.1.1 Temperature 4.1.2 Solar irradiance 4.2 Management of clogging in spreading basins 4.3 Determination of infiltration capacity using water content 4.3.1 Tracer method 4.3.2 Libardi method 4.3.3 Root mean square method 4.3.4 Water content method 4.3.5 Trigger time method 5 Results and discussion 5.1 Influence of climate on infiltration basins 5.1.1 Temperature 5.1.2 Solar irradiance 5.2 Management of clogging in spreading basins 5.2.1 Recovery of infiltration capacity by scraping in field unit 5.2.2 Recovery of infiltration capacity by scraping in lab units 5.3 Determination of infiltration capacity using water content 5.3.1 Tracer method 5.3.2 Libardi method 5.3.3 Root mean square method 5.3.4 Water content method 5.3.5 Trigger time method 5.3.6 Validation process 6 Conclusions 7 Limitations and outlook 8 Bibliography A.1. List of publications A.1.1 List of peer reviewed journal articles A.1.2 List of conference proceedings (only first author) A.2 Geology of the Elbtal Group A.3 Supplementary material Esta tesis investigó la influencia de los parámetros relacionados con el clima (temperatura e irradiancia solar) en la reducción de la capacidad de infiltración. También determinó la eficiencia de recuperación de piscinas de infiltración obstruidas después del raspado de la capa superior y finalmente desarrolló métodos basados en el contenido de agua en el suelo para anticipar estados de obstrucción severos. Para estos objetivos se construyeron tres modelos experimentales físicos en el campo y laboratorio del grupo de investigación INOWAS, ubicado en la ciudad de Pirna, Alemania.:Abstract Zusammmenfassung Resumen Acknowledgments List of Contents List of Figures List of Tables Acronyms 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Thesis structure 2 Theoretical background 2.1 Managed aquifer recharge 2.2 Clogging in MAR 2.3 Management of clogging 2.4 MAR-relevant soil parameters 2.4.1 Hydraulic conductivity 2.4.2 Soil water content 2.4.3 Electrical conductivity 2.5 MAR-relevant climate properties 2.5.1 Solar irradiance 2.5.2 Temperature 3 Site description 3.1 Study area 3.2 Climate 3.3 Elbe River 3.4 Hydrogeology 4 Methodology 4.1 Influence of climate on infiltration basin recharge 4.1.1 Temperature 4.1.2 Solar irradiance 4.2 Management of clogging in spreading basins 4.3 Determination of infiltration capacity using water content 4.3.1 Tracer method 4.3.2 Libardi method 4.3.3 Root mean square method 4.3.4 Water content method 4.3.5 Trigger time method 5 Results and discussion 5.1 Influence of climate on infiltration basins 5.1.1 Temperature 5.1.2 Solar irradiance 5.2 Management of clogging in spreading basins 5.2.1 Recovery of infiltration capacity by scraping in field unit 5.2.2 Recovery of infiltration capacity by scraping in lab units 5.3 Determination of infiltration capacity using water content 5.3.1 Tracer method 5.3.2 Libardi method 5.3.3 Root mean square method 5.3.4 Water content method 5.3.5 Trigger time method 5.3.6 Validation process 6 Conclusions 7 Limitations and outlook 8 Bibliography A.1. List of publications A.1.1 List of peer reviewed journal articles A.1.2 List of conference proceedings (only first author) A.2 Geology of the Elbtal Group A.3 Supplementary material

Die öffentliche Trinkwasserversorgung in Deutschland verbraucht jährlich ca. 2,4 TWh elektrische Energie, ca. 0,5% des Bundesverbrauchs. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) gehören jedoch zu den größten Energienutzern in vielen Gemeinden. Dabei ist von einer möglichen, dauerhaften Energieeffizienzsteigerung um 10 bis 20% auszugehen. Für den Erfolg der Energiewende soll dieses Potential ausgeschöpft werden, auch bei kleinen und mittleren WVU. Dazu sind bewährte sowie neu entwickelte Ansätze gefragt, wovon eine Auswahl im Rahmen der vorliegenden Dissertation erprobt und dargestellt wird. Die Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 beim WVU ZWA Hainichen wurde wissenschaftlich begleitet. Gegenstand war die Optimierung der Daten-gewinnung und -dokumentation und deren Nutzung in Fallbeispielen (z. B. Verringerung von Strombezugsspitzen, Steigerung der Energieeffizienz von Druckerhöhungsanlagen, Einspa-rung von Heizenergie), ergänzt durch Sonderuntersuchungen ausgewählter Anlagen. Durch diese und eigene Maßnahmen des WVU wurde eine langfristige Steigerung der Energie-effizienz um 13,8% im Trinkwasserbereich erreicht. Im indischen Bundesstaat Uttarakhand wurde die Energieeffizienz von 43 Hochleistungs-pumpen untersucht. Diese lag zwischen 27 und 57%, mit einem Mittelwert von 50%. Die Pumpstation Jinsi II wurde auf der Grundlage einer Datenanalyse und betriebstechnischer Aspekte als Demonstrationsstandort zur Energieeffizienzsteigerung durch den Austausch von 2 Pumpen gewählt. Die komplexe Auswertung der aufgenommenen Kennlinien, der Ursachen des Verschleißes und betriebstechnischen Randbedingungen führte zur Auswahl eines robusten, hocheffizienten Pumpenmodells der Firma Kirloskar mit erosionsbeständigen Laufrädern. Die Einsparung betrug 195.000 kWh/a (7,8%) bzw. 14,7 T€/a mit einer Amortisa-tionszeit von ca. 5,2 a. Es wurden 4 grundsätzliche Maßnahmen zur langfristigen Verbesserung erkannt und priorisiert. Für den energieeffizienteren Betrieb von Brunnengalerien mit Überkapazitäten wurde eine innovative Methodik entwickelt und als Software-Baustein implementiert. Diese basiert auf einer historisch-statistischen Auswertung von verfügbaren Prozessleitdaten. Die Energie-einsparung beruht auf der Nutzung energetischer Vorteile ausgewählter Brunnenkombi-nationen. Die beispielhafte Validierung erfolgte an Standorten der Fernwasserversorgung Sdier und des TAZV Eisenhüttenstadt. Das ermittelte Einsparpotential liegt bei 7,8% bzw. 10,5% (8 T€/a bzw. 12 T€/a). Die Analyse des DVGW-Leitfadens W 613 zur Energie(rück)gewinnung durch Trinkwasser-kraft ergab offene Fragen zur Ermittlung der optimalen Turbinenparameter für Standorte mit Fallleitungen und stromab angeordneten Behältern. Deshalb wurde eine Methodik zur Optimierung der Mikroturbinenparameter Durchfluss und Fallhöhe entwickelt und mit einer Wirtschaftlichkeits¬betrachtung gekoppelt. Der entwickelte Software-Baustein wurde an 9 Standorten bei 3 sächsischen WVU mit Überkapazitäten in den Zulauffallleitungen zu Trinkwasserbehältern getestet und verifiziert. Die prognostizierte Energieerzeugung reichte von 9.000 bis 180.000 kWh/a mit einem arithmetischen Mittelwert von 48.500 kWh/a. Gleichzeitig wurde diese Methode mit 3 alternativen Methoden aus den Regelwerken verglichen. Diese anderen Methoden ergaben im Durchschnitt zwischen 70% und 91% der Ergebnisse durch die neu entwickelte Methode. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der potentiellen 9 Standorte ergab, dass an 4 Standorten eine Nachrüstung mit einer Mikroturbine zu empfehlen ist, bei geschätzten Amortisationzeiten zwischen 1,7 a und 6,9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165 The public water supply in Germany annually uses about 2.4 TWh of electrical energy, approximately 0.5% of the total national energy use. Water supply utilities are nevertheless often among the largest energy users within municipalities. The possible long-term improvement in energy efficiency is estimated to be 10 to 20%. To aid the successful navigation of the transition to sustainable energy use, this potential should be fully exploited, including at small and medium-sized water utilites. This requires both proven and newly developed approaches, a selection of which are tested and presented in this dissertation. The implementation of an energy management system according to ISO 50001 was scientifically supported at the water utility ZWA Hainichen. The primary activity was the optimization of data acquisition and documentation and its use in case studies (e.g. reduction of electricity demand spikes, improving the efficiency of booster stations, reducing energy use for space heating), complemented by targeted investigations of selected facilities. Through these and other measures, ZWA Hainichen was able to achieve a 13.8% long-term increase in the energy efficiency of their drinking water division. In the Indian state of Uttarakhand, the energy efficiency of 43 high-head pumps was investigated. The results ranged from 27 to 57% with a mean value of 50%. The pump station Jinsi II was chosen as a demonstration site for energy efficiency improvement based on the analysis of field data and operational aspects. The complex evaluation of the measured characteristic curves, the causes of mechanical wear and operational factors led to the selection of a robust, high-efficiency pump model from the company Kirloskar with abrasion-resistant impellers. The savings achieved was 195,000 kWh/a (7.8%) or 14,700 €/a with a payback period of 5.2 a. Four fundamental measures were recognized and prioritized for achieving long-term improvement. For the energy-efficient operation of well galeries with surplus capacity, an innovative method was developed and implemented as a software module. This method is based on a historical and statistical evaluation of readily available process control data. The energy savings is achieved through the preferential operation of more energy-efficient well combinations. Validation was performed for sites of the long-range water supplier FW Sdier and the regional water utility TAZV Eisenhüttenstadt. The estimated energy savings is 7.8% and 10.5% (8 and 12 T€/a). Analysis of the DVGW technical guidelines W 613 on energy recovery through drinking water hydropower revealed open questions regarding the determination of the optimal turbine parameters for sites with gravity pipelines and downstream storage tanks. In response, a method was developed for the optimization of the microturbine parameters flow rate and pressure drop, coupled with an economic assessment. The software module developed was tested and verified using 9 sites at 3 water utilities in the state of Saxony with surplus capacity in their inflow gravity pipelines. The projected energy generation ranged from 9,000 to 180,000 kWh/a, with an arithmetic mean of 48,500 kWh/a. This method was also compared to 3 alternative methods from technical guidelines. These other methods yielded on average 70 to 91% of the energy generation estimated using the newly developed method. Economic assessment of the potential 9 sites showed that 4 sites are suitable for retrofitting with a microturbine, with estimated payback periods between 1.7 and 6.9 a.:Kurzfassung i Abstract ii Danksagung & Acknowledgements iii Inhaltsverzeichnis vi Abkürzungsverzeichnis viii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Zielstellung 2 1.3 Gliederung der Arbeit 6 2 Energiemanagement in der Wasserversorgung 8 2.1 Vergleich zwischen Deutschland und den USA hinsichtlich Effizienz bei der Nutzung von Wasser und Energie 8 2.2 Die ISO 50001 als Leitfaden und Maßstab für Energieeffizienzmaßnahmen 9 2.3 Die Rolle von politischen Randbedingungen 10 3 Energiemanagement in der Praxis 13 3.1 Einführung eines Energiemanagementsystems gemäß ISO 50001 für einen sächsischen Zweckverband 13 3.2 Fünf Fallbeispiele aus dem Betrieb eines EnMS von deutschen Wasserversorgern – Inspiration für WVU in den USA 15 Fallbeispiel 1: Bestehende Daten ausnutzen, dann neue Daten erfassen 15 Fallbeispiel 2: Kosteneinsparung durch Verringerung von Leistungsspitzen und verbesserte Vertragsgestaltung 15 Fallbeispiel 3: Druckerhöhungsanlagen (DEA) – Einsparung von Pumpenergie 16 Fallbeispiel 4: Einsparung von Heizenergie in einem Wasserwerk 17 Fallbeispiel 5: Energiegewinnung durch Mikroturbinen 17 4 Energieeffizienzsteigerung von Pumpen in Uttarakhand 19 4.1 Untersuchung der Energieeffizienz von 43 Pumpanlagen im Bundesstaat Uttarakhand, Indien 19 4.2 Umsetzung einer Ersatzmaßnahme für 2 Pumpen der Pumpstation Jinsi II 19 4.3 Bewertung der Maßnahme und Wege zur weiteren Einsparung 21 5 Energieeffizienzsteigerung beim Betrieb von Brunnengalerien 24 5.1 Beschreibung der Methodik und Voraussetzungen zur Nutzung 24 5.2 Anwendung an 2 Standorten in Mitteldeutschland mit Auswertung 27 6 Energiegewinnung durch Mikroturbinen in Deutschland & Indien 30 6.1 Voraussetzungen zur Energiegewinnung & 2 Typen Turbinenstandorten 30 6.2 Methodik zur Optimierung der Energieerzeugung an Standorten mit durch Fallleitungen gespeisten Speicherbehältern (Typ 1, „gepuffert“) 31 6.3 Anwendung an 9 Standorten in Sachsen mit Auswertung 34 6.4 Machbarkeitsstudie zum Einsatz von Mikroturbinen in Uttarakhand, Indien 35 7 Zusammenfassung und Ausblick 37 Literaturverzeichnis 42 Beiliegende Publikationen 46 Beiliegende Publikation 1 47 Beiliegende Publikation 2 65 Beiliegende Publikation 3 77 Beiliegende Publikation 4 95 Beiliegende Publikation 5 111 Beiliegende Publikation 6 125 Beiliegende Publikation 7 165

Die deterministische Modellierung des Niederschlags-Abfluss(N-A)-Prozesses mit flächendifferenzierten, prozessbasierten Modellen ist von zahlreichen Unsicherheiten beeinflusst. Diese Unsicherheiten resultieren hauptsächlich aus den genutzten Daten, die Messfehlern unterliegen sowie für eine flächendifferenzierte Modellierung entsprechend aufbereitet werden müssen, und der Abstraktion der natürlichen Prozesse im Modell selbst. Da N-A-Modelle in der hydrologischen Praxis vielfältig eingesetzt werden, sind Zuverlässigkeitsaussagen im Hinblick auf eine spezielle Anwendung nötig, um das Vertrauen in die Modellergebnisse zu festigen. Die neu entwickelte Strategie zur Analyse und Simulation der Unsicherheiten eines flächendifferenzierten, prozessbasierten N-A-Modells ermöglicht eine umfassende, globale und komponentenbasierte Unsicherheitsbestimmung. Am Beispiel des mesoskaligen Einzugsgebiets der Schwarzen Pockau/Pegel Zöblitz im mittleren Erzgebirge wird der Einfluss maßgebender Unsicherheiten im N-A-Prozess sowie deren Kombination zu einer Gesamt-Unsicherheit auf den Gebietsabfluss aufgezeigt. Zunächst werden die maßgebenden Unsicherheiten separat quantifiziert, wobei die folgenden Methoden eingesetzt werden: (i) Monte-Carlo Simulationen mit flächendifferenzierten stochastischen Bodenparametern zur Analyse des Einflusses unsicherer Bodeninformationen, (ii) Bayes’sche Inferenz und Markov-Ketten-Monte-Carlo Simulationen, die eine Unsicherheitsbestimmung der konzeptionellen Modellparameter der Abflussbildung und -konzentration ermöglichen und (iii) Monte-Carlo Simulationen mit stochastisch generierten Niederschlagsfeldern, die die raum-zeitliche Variabilität interpolierter Niederschlagsdaten beschreiben. Die Kombination der Unsicherheiten zu einer hydrologischen Unsicherheit und einer Gesamt-Unsicherheit erfolgt ebenfalls mit Monte-Carlo Methoden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Korrelationen der Zufallsvariablen zu erfassen und die mehrdimensionale Abhängigkeitsstruktur innerhalb der Zufallsvariablen empirisch zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen für das Untersuchungsgebiet eine Dominanz der Unsicherheit aus der raum-zeitlichen Niederschlagsverteilung im Gebietsabfluss gefolgt von den Unsicherheiten aus den Bodeninformationen und den konzeptionellen Modellparametern. Diese Dominanz schlägt sich auch in der Gesamt-Unsicherheit nieder. Die aus Messdaten abgeleiteten Unsicherheiten weisen eine Heteroskedastizität auf, die durch den Prozessablauf geprägt ist. Weiterhin sind Indizien für eine Abhängigkeit der Unsicherheit von der Niederschlagsintensität sowie strukturelle Defizite des N-A-Modells sichtbar. Die neu entwickelte Strategie ist prinzipiell auf andere Gebiete und Modelle übertragbar. Modelling rainfall-runoff (R-R) processes using deterministic, spatial distributed, process-based models is affected by numerous uncertainties. One major source of these uncertainties origins from measurement errors together with the errors occurring in the process of data processing. Inadequate representation of the governing processes in the model with respect to a given application is another source of uncertainty. Considering that R-R models are commonly used in the hydrologic practise a quantification of the uncertainties is essential for a realistic interpretation of the model results. The presented new framework allows for a comprehensive, total as well as component-based estimation of the uncertainties of model results from spatial distributed, process-based R-R modelling. The capabilities of the new framework to estimate the influence of the main sources of uncertainties as well as their combination to a total uncertainty is shown and analysed at the mesoscale catchment of the Schwarze Pockau of the Ore Mountains. The approach employs the following methods to quantify the uncertainties: (i) Monte Carlo simulations using spatial distributed stochastic soil parameters allow for the analysis of the impact of uncertain soil data (ii) Bayesian inference und Markov Chain Monte Carlo simulations, yield an estimate of the uncertainty of the conceptual model parameters governing the runoff formation and - concentration processes. (iii) Monte Carlo simulations using stochastically generated rainfall patterns describing the spatiotemporal variability of interpolated rainfall data. Monte Carlo methods are also employed to combine the single sources of uncertainties to a hydrologic uncertainty and a total uncertainty. This approach accounts for the correlations between the random variables as well as an empirical description of their multidimensional dependence structure. The example application shows a dominance of the uncertainty resulting from the spatio-temporal rainfall distribution followed by the uncertainties from the soil data and the conceptual model parameters with respect to runoff. This dominance is also reflected in the total uncertainty. The uncertainties derived from the data show a heteroscedasticity which is dominated by the process. Furthermore, the degree of uncertainty seems to depend on the rainfall intensity. The analysis of the uncertainties also indicates structural deficits of the R-R model. The developed framework can principally be transferred to other catchments as well as to other R-R models.

Aus den Mängeln bisher verwendeter Modelle zur Abbildung des Wellenablaufes zu Prognosezwecken im Hochwasserfall wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, die die Schnelligkeit und Robustheit künstlicher neuronaler Netze mit der Zuverlässigkeit hydrodynamisch-numerischer Modellierung verbindet. Ein eindimensionales hydrodynamisches Modell beinhaltet die genaue Kenntnis der Geometrie des Flußlaufes und der Vorländer und berücksichtigt die physikalischen Prozesse des Wellenablaufes. Mit diesem deterministischen Modell ist eine Grundlage für umfangreiche Szenarienrechnungen zur Erstellung einer Datenbasis geschaffen, die die weite Spanne theoretisch möglicher Hochwasserereignisse abdeckt. Mit dieser Datenbasis können dann künstliche neuronale Netze trainiert werden, die auch im Bereich extremer Hochwasserereignisse zuverlässige Prognosen liefern. In dieser Arbeit werden mit Multilayer-Feedforward-Netzen und selbstorganisierenden Merkmalskarten zwei Netztypen als Vertreter überwacht und unüberwacht lernender neuronaler Netze auf ihre diesbezügliche Eignung untersucht und beurteilt. Desweiteren wurde die Methodik auf die Einbeziehung von Merkmalen für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse im unbeobachteten Zwischengebiet zur Berücksichtigung lateraler Zuflüsse entlang der modellierten Fließstrecken erweitert. Die Datenbasis wurde hierfür mit einem Niederschlags-Abfluß-Modell erstellt. Ein Hauptschwerpunkt liegt in der Überführung der Eingangsdaten in charakteristische Merkmale zur Abbildung der Zielgrößen, in diesem Falle des Durchflusses und Wasserstandes am Zielpegel. So dienen die deterministischen Modelle nicht nur zur Erstellung einer verläßlichen Datenbasis für das Training der Netze, sondern ermöglichen – sowohl für die Niederschlags-Abfluß-Prozesse, als auch für die hydrodynamischen Prozesse – Analysen betreffs der Sensitivität der Modellergebnisse infolge von Änderungen der Inputdaten. Mit Hilfe dieser Analysen werden wichtige Informationen zur Findung der relevanten Merkmale erlangt. Ein Schlüssel für die erfolgreiche Eingliederung der Niederschlags-Abfluß-Prozesse in das Prognosenetz ist die Einführung eines einzigen Zustandsmerkmals, welches die gesamte meteorologische Vorgeschichte des Ereignisses zur Charakterisierung des Gebietszustandes vereinigt. Die entwickelte Methodik wurde anhand des Einzugsgebietes der Freiberger Mulde erfolgreich getestet.

Kern der Arbeit bildete die Entwicklung einer Fluxmeter-Passivsammlereinheit für hydrophobe organische Substanzen im Grundwasser kontaminierter Standorte sowie deren Testung im Feld. Ferner kamen Keramik-Dosimeter unter identischen Feldbedingungen zum Einsatz. Die Ergebnisse der beiden passiven Sammelsysteme wurden mit herkömmlicher Grundwasserprobennahmetechnik mithilfe von Unterwassermotorpumpen verglichen und bewertet. Grundlage für den Einsatz der Passivsammlereinheit als „mass flux meter“ bildete die Kenntnis über den Volumenstrom im Bohrloch und den reduzierten Volumenstrom in der Passivsammlereinheit und andererseits über die räumliche Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit und der daraus resul¬tierenden heterogenen Geschwindigkeitsverteilung bzw. der Volumenströme über so genannte Kontroll¬ebenen bzw. Teilbilanzräume. Anhand numerischer Modelluntersuchungen konnten der Filterwiderstand der Passivsammlereinheit und die Strömungsverteilung in Modellkontrollebenen und im Feld näherungsweise bestimmt werden. Die Bestimmung des Volumenstromes des untersuchten Standortes wurde zum einen mithilfe von numerischen Modelluntersuchungen an stochastisch generierten quasi-3-dimensionalen Modellen mit hydro¬dynamischen Randbedingungen und kF-Wertverteilungen aus dem Feld und zum anderen mithilfe von Einbohrlochverfahren durchgeführt. Als Einbohrlochverfahren kamen zum einen ein optisches Kolloid-Logging (Grundwasserfluss-Visualisierungssystem) und zum anderen ein modifiziertes Fluidlogging-Verfahren mit Hilfe eines Salztracers zum Einsatz.