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| thesis:hrb [2020/05/13 10:41] – mweiler | thesis:hrb [2021/02/08 08:59] – mweiler |
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| ===== Evaluierung neuer Modellansätze zur Modellierung der Abflusskonzentration von Oberflächenabfluss ===== | ===== Modellierung des Wasser- und Stoffhaushalts von Wildblumenmischungen und anderen innovative Pflanzen für eine nachhaltige Biomasseproduktion ===== |
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| == Problemstellung == | == Problemstellung == |
| Die Abflusskonzentration wird in hydrologischen Modellen entweder mit einfachen Speicherkaskadenmodellen oder Einheitsganglinienansätzen beschrieben, oder mit 2D hydraulischen Modellen simuliert. For alle Ansätze gibt es sehr viele Modelle, jedoch werden deren Parameter meist kalibriert oder es stehen nicht die geeigneten Daten zur Verfügung um die Modelle auf der relevanten Skala zu validieren. Durch die bundesweiten Initiativen im Bereich der Starkregenvorhersage werden solche Modelle aber mehr und mehr eingesetzt ohne dass sie hinreichend validiert wurden. | Um eine sich entwickelnde Bioökonomie nachhaltig zu gestalten, spielt die Pflanzenart oder -mischung und die Anbauintensität der eingesetzten Biomasse als Ausgangsrohstoff, eine entscheidende Rolle. Durch die zunehmende Nutzungskonkurrenz und der dadurch induzierten potenziell intensivieren Landnutzung, ist die Bewertung der Nachhaltigkeit beim Anbau von Biomasse von großer Bedeutung. Dabei sind in den letzten Jahren neben den abiotischen Umweltwirkungen der Landwirtschaft, wie z.B. Treibhausgasemissionen oder Nitratauswaschung durch den starken Rückgang der Agrarbiodiversität auch biotische Auswirkungen in den Fokus gerückt. Um die Herausforderung einer große Nachfrage nach landwirtschaftlicher Biomasse, bei gleichzeitiger Einhaltung von ökologischen Umweltzielen realisieren zu können, sind Konzepte einer nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft notwendig. |
| | In Rahmen der Bioökonomie können verschiedene landwirtschaftliche Biomassen erzeugt und in unterschiedlichen Formen genutzt werden. So können traditionelle landwirtschaftliche Nutzpflanzen wie Winterweizen und Körnermais als Rohstoff für die energetische Nutzung genutzt werden indem daraus Bioethanol oder Biogas erzeugt wird. Ebenfalls können Kulturen die in der Vergangenheit bereits stofflich genutzt wurden, wie die Faserpflanzen Nutzhanf (Cannabis sativa) und Gemeiner Lein (Linum usitatissimum). Darüber hinaus können, im Kontext einer möglichst geringen Nutzungskonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion, auch die Nebenprodukte wie Stroh oder Presskuchen von landwirtschaftliche Nutzpflanzen wie den Körnerleguminosen (Ackerbohne und Körnererbsen) eine wichtige Rolle spielen. Neben diesen traditionellen Nutzpflanzen sind auch innovative Pflanzen, wie der Anbau von durchwachsener Silphie (Silphium perfoliatum) als Biogas- substrat zu nennen, die eine hohe Biomasseproduktion mit Erosionsschutz und langer Blühdauer zur Insektennahrung verbindet und so eine attraktive Biomasseressource für die Bioökonomie darstellt. Neben der klassischen Produktion von Biomasse auf der landwirtschaftlichen Ackerfläche kann auch der Anbau von Wildblumenmischungen mit der Hauptproduktion von Ökosystemdienstleistungen und dem Nebenprodukt der Biomasse für die Bioökonomie eine Ergänzung zur bestehenden Biomasseproduktion für die energetische und stoffliche Nutzung darstellen. Dies ist vor allem interessant, weil eine Graslandmischung mit hoher Pflanzendiversität ähnliche Energiewerte erzielt wie Bioenergiepflanzen z.B. Getreide. Die Nutzung von artenreichen Grasland- und Blühmischungen fördert die Biodiversität vieler Organismen und sollte neben der Biomasseproduktion Refugien für naturschutzrelevante Arten der Agrarlandschaft herstellen und die Biotopverbindung verbessern. |
| == Ziel der Arbeit == | == Ziel der Arbeit == |
| Eine Vielzahl von vorhanden Beregnungsversuche auf verschiedenen Oberflächen sollen mit zusätzlichen Oberflächenabflussversuchen auf verschiedenen natürlichen Oberflächen kombiniert und ausgewertet werden, um die notwendigen Parameter für die hydraulische Modellierung des Oberflächenabflusses mit dem Modell RoGeR-2D zu erhalten und in einer Sensitivitätsanalyse zu valideren. Auch der Vergleich mit anderen 2D oder 1D hydraulischen Modellen ist angedacht. | Für eine Vielzahl von traditionellen Nutzpflanzen sind entsprechende Informationen vorhanden um diese in einem physikalischen Wasser- und Stoffhaushaltsmodell des Boden-Pflanzen-Systemen zu parametrisieren. Die für eine nachhaltige Nutzung vorgeschlagenen Mischungen sind jedoch bisher noch wenige Daten vorhanden und die Information dafür müssten zuerst aus der Literatur extrahiert werden und dann mit einem entsprechenden Modell validiert werden. |
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| == Methode == | == Methode == |
| Auswertung der relevanten Daten aus Beregnungsversuchen in D, CH und A. Planung und Durchführung von Oberflächenabflussversuchen auf weiteren, noch kaum untersuchten Oberflächen und Intensitäten. Dabei wird Wasser (Hydrant) über ein definierten Bereich mit verschiedenen Intensitäten aufgebracht und mittels Markierstoffen und Videos die Fliessgeschwindigkeit für verschiedenen Wassertiefen ermittelt. Alle Versuche werden mit RoGeR-2D modelliert um einerseits die Parameter zu bestimmen (inkl. Sensitivitätsanalyse), aber auch wenn notwendig die Methoden zu Beschreibung des Oberflächenabflusses in rauen Oberflächen mit Vegetation zu adaptiere (Verschiedenen Ansätze leiten vor und können getestet werden). | DAISY ist ein eindimensionales, physikalisch basiertes Modell zur Simulation des Wasser- und Stoffhaushalts für landwirtschaftlich geprägte Boden-Pflanzen-Systemen. Das Modell wurde an der Professur für KUP (z.B. Salix) und für Miscanthus weiterentwickelt, parametrisiert und mit kontinuierlich gemessenen Nitratkonzentrationen und Tiefenprofilen validiert. Somit steht ein Modellsystem zur Verfügung, mit dem der Wasser-, Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf für annuelle und perennierende Kulturpflanzen in Baden-Württemberg bestimmt werden kann. Das Modell soll für verschiedenen Pflanzenmischungen erweitert werden (Paramatrisierung und Validierung). Dazu stehen verschieden Datensätze (Lysimeter etc) zur Verfügung und weiter Informationen sollen entsprechend über vorhandene landwirtschaftliche Versuchsflächen gewonnen werden. |
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| == Betreuung == | == Betreuung == |
| Markus Weiler, Hannes Leistert für die Modellierung | Markus Weiler und Stefan Seeger (Zusammenarbeit mit Professur für Landschaftsökologie (FR) und Landwirtschaftliche Betriebslehre (Hohenheim)) |
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| == Kontakt == | == Kontakt == |
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| == Herausforderung == | == Herausforderung == |
| Geländearbeiten (teilweise mit Unterstützung von Techniker), Datenanalyse, Modellierung | Literatur, Datenanalyse, Modellierung |
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| == Sprache == | == Sprache == |
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| == Literatur == | == Literatur == |
| Schuetz, Weiler, Lange, Stoelzle: Two-dimensional assessment of solute transport in shallow waters with thermal imaging and heated water Advances in Water Resources, 2012; 43 (0) : 67-75 | ABRAHAMSEN, P. und S. HANSEN (2000): Daisy: an open soil-crop-atmosphere system model. In: Environmental modelling & software 15 (3): 313–330. |
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