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Die letzten Zeugen: Als das alte Chemnitz im Bombenhagel starb
No full textDer Schrecken des Zweiten Weltkrieges, die Bombardierung der Stadt Chemnitz am 5. März 1945, der Anblick einer ausgebombten Stadt, Flüchtlingsströme in umliegende Städte und Gemeinden, Armut und Hunger sind Bilder, an die sich immer weniger Chemnitzerinnen und Chemnitzer bewusst erinnern können. Es sind Schicksale Chemnitzer Kriegskinder, die sprachlos machen und uns vor Augen führen, was vor über 75 Jahren in unserer Stadt passiert ist. Ich bin dankbar für jeden Bericht, den uns die Zeitzeugen über verschiedene Wege zugesandt haben. Es sind ganz persönliche Geschichten, die die Kriegskinder im Alter von 4 bis 16 Jahren durchlebt haben. Geprägt von Todesangst und
Verzweiflung. Diese ganz persönlichen Erinnerungen verdeutlichen uns umso mehr, wie furchtbar Krieg ist. Die Botschaft der Zeitzeugen ist deutlich erkennbar: Wir brauchen den Frieden. Frieden, der heute nach langer Zeit nicht mehr
so selbstverständlich ist!
Viele Kriegskinder sprechen von ihrer Erleichterung, die sie nach der bedingungslosen Kapitulation der deutschen Wehrmacht Anfang Mai 1945 empfanden. Sie sagen, dass Hunger, Armut und kein Dach über dem Kopf zwar
schlimm seien, aber die Gewissheit, endlich wieder Frieden zu haben, stärker wog. Neben den schriftlichen Zeitzeugenberichten haben wir uns mit acht Zeitzeugen persönlich unterhalten. Sie haben uns einen tiefen Einblick in ihre
schrecklichsten Kindheitserfahrungen gegeben. Mit ihren Kinderaugen haben sie Dinge gesehen, die viele von uns glücklicherweise niemals zu Gesicht bekommen: leblose, zerfetzte Menschenkörper in Kellern und Straßen. Es sind
Bilder, die sich einbrennen, die nie wieder weggehen
Chemiedidaktische Lehrkräftebildung und ihr Beitrag zu BNE
No full textDie chemiedidaktische Ausbildung an der TU Dresden verfolgt das übergeordnete Ziel, Lehrkräfte zur Planung, Gestaltung und Durchführung eines kompetenz- und zukunftsorientierten Chemieunterrichts zu befähigen. Dies erfordert, die Auseinandersetzung mit Bildungsinhalten nicht nur auf die Basiskonzepte für den Chemieunterricht
(KMK, 2020) zu beschränken, sondern Studierende auch für überfachliche Inhalte und für deren Integration in den Fachunterricht zu sensibilisieren. Hierzu zählen neben der Studien- und Berufsorientierung insbesondere die Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) und die damit verbundene Befähigung Lernender zu einer kritischen und zukunftsorientierten gesellschaftlichen Teilhabe. Mit Letzterem geht einher, Lernende zu ermutigen, begründete Entscheidungen zu treffen, wie beispielsweise ein möglichst nachhaltiges Kraftfahrzeug auszuwählen (Verbrenner-, Elektro- oder Wasserstoffantrieb). Dies schließt das Abwägen und Gewichten von Argumenten und die damit verbundene Auseinandersetzung und Reflexion von individuellen und gesellschaftlich geprägten Einstellungen und Haltungen sowie von evidenzbasierten Fakten und Erkenntnissen zu den verschiedenen Möglichkeiten ein
Die Bewegung der Anderen: Prekäre Mobilität im 19. und 20. Jahrhundert in Sachsen und Leipzig
No full textDie Dissertation thematisiert die Mobilität von prekären Gruppen wie Vagabund:innen, Landstreicher:innen, Sinti und Roma. Sie geht dabei davon aus, dass die als Abweichung von der Norm wahrgenommene Mobilität - oft als Wandertrieb stigmatisiert - nicht aus eigenem Antrieb der Betroffenen erfolgte, sondern durch behördliche Repression erzeugt wurde. Polizeiliche Repression, Stadtverweise, Bettelverbote oder behördliche Willkür erzeugten Bewegungen, die anschließend im Diskurs gegen die betroffenen Menschen gewendet wurde. Die Mobilität dieser Gruppen war keine Eigenschaft, selbstbestimmte Lebensweise oder kulturelle Eigenart, sondern das Ergebnis struktureller Ungleichheit und Ungleichbehandlung. Die Untersuchung bedient sich dabei einer raumtheoretischen Vorgehensweise und Analytik
Prognose des Behandlungserfolgs von Plattenepithelkarzinomen der Kopf-Hals-Region unter anti-PD-1-Checkpoint-Inhibitor-Therapie durch Bestimmung von Zytokin-Expressionsmustern im Plasma und Serum
No full textGaia-X: Digitale Wertschöpfung aus Sachsen, Datensouveränität für den Mittelstand
No full textGaia-X ist eine europäische Initiative, die Unternehmen und Institutionen ermöglicht, ihre Daten sicher und eigenständig zu verwalten. Im Zentrum steht das Prinzip der Datensouveränität. Gaia-X sorgt dafür, dass
verschiedene digitale Dienste und Plattformen leicht miteinander arbeiten können. Im Gegensatz zu zentralisierten Cloud-Angeboten setzt Gaia-X auf eine dezentrale Struktur und basiert vollständig auf Open-Source-Technologien, die Offenheit und Transparenz gewährleisten. Die Broschüre stellt neben allgemeinen Informationen zu Gaia-X einige Projektvorhaben mit sächsischer Beteiligung vor.
Redaktionsschluss: 04.04.202
Morphology and Surface Structure of Semicrystalline Semiconducting Polymers
No full textZiel dieser Arbeit war die Oberflächenabbildung von halbleitenden teilkristallinen Polymeren mittels Rasterkraftmikroskopie. Dabei wurde der standardmäßige intermittierende Kontaktmodus zur Oberflächencharakterisierung durch die Rasterkraftspektroskopie der Amplituden-Phasen-Abstand-Kurven und den daraus rekonstruierten MUSIC-Modus sowie die tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie ergänzt. Durch diese Kombination konnte ein umfassenderes Bild der Oberfläche bis in eine Tiefe von wenigen Nanometern gewonnen werden. Auf dem konjugierten Polymer P3HT konnte eine amorphe Deckschicht nachgewiesen werden. Weiterhin konnten durch Unterschiede in den nanomechanischen Eigenschaften der Oberfläche von (P(NDI2OD-T2) die beiden Kristallformen identifiziert werden. Durch die Untersuchung von nur wenige Nanometer dicken Polymerfilmen aus (P(NDI2OD-T2) bzw. PTzDPPTzF4 und deren Ausbildung von nur wenige Nanometer hohen Terrassen konnten monomolekulare Schichten nachgewiesen werden. Dies ermöglichte auch die Bestimmung der Orientierung des Polymerrückgrats und der Orientierung der Seitenketten
Lernen im Flow – Voraussetzungen für ein erfolgreiches Lernen in digitalen Lernsettings: Empirische Untersuchung zur Wirkung von Flow-Erleben auf das Lernen von Mathematikgrundlagen im Kontext des akademischen Selbstkonzepts und motivationaler Voraussetzungen
No full textIn dieser Arbeit wurde theoriegeleitet ein Wirkmodell zu den Voraussetzungen eines erfolgreichen, selbstgesteuerten, digitalen Lernens entwickelt. Ziel war es, Hypothesen abzuleiten, die am Beispiel des an der Hochschule Heilbronn angebotenen Mathematikgrundlagentests empirisch überprüft wurden. Dabei interessierte vor allem das bereits 1974 von Csikszentmihalyi identifizierte Konstrukt des Flow-Erlebens und seine in zahlreichen Studien (Calvin, 2022; dos Santos et al., 2018; Ho & Kuo, 2010; Tang et al., 2023) festgestellte positive Wirkung auf das Übungsverhalten und die Leistung von Studierenden in digitalen Lernsettings. Es zeigte sich, dass die von Nakamura und Csikszentmihalyi (2014, S. 240) aufgestellten Voraussetzungen notwendige aber nicht hinreichende Bedingungen für das Erleben von Flow sind. Für ein erfolgreiches selbstgesteuertes Lernen in digitalen Lernsettings bedarf es neben einer flowförderlichen Gestaltung des Lernangebots weiterer Einflussfaktoren. Als Determinanten für das Flow-Erleben wurden das akademische Fähigkeitsselbstkonzept Mathematik und die Motivation identifiziert, welche sich im Interesse an der Aufgabenstellung, der individuellen Erwartungen hinsichtlich eines Erfolgs oder Misserfolgs sowie dem Grad der empfundenen Herausforderung ausdrücken. Zusammen bilden diese Faktoren wichtige Aspekte des individuellen Lernpotenzials. Die aus der Theorie abgeleiteten Zusammenhänge zwischen Selbstkonzept und Motivation konnten in der Arbeit in weiten Teilen bestätigt werden. Allerdings zeigte sich, dass nur derjenige Teil des Flow-Erlebens, der sich in der Absorbiertheit im Tun ausdrückt, einen positiven Effekt auf das Übungsverhalten und damit auf die Leistung hat. Nur der Faktor Interesse fördert diese Absorbiertheit. Es konnte zudem gezeigt werden, dass das Flow-Erleben im Zeit- und damit Übungsverlauf zunimmt und positiv auf die Leistung im Mathematikgrundlagentest wirkt. Das entwickelte Wirkmodell leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Abhängigkeiten und Potenziale des Flow-Erlebens im wissenschaftlichen Diskurs.:Abstract II
Inhaltsverzeichnis IV
Abbildungsverzeichnis VI
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XI
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Gegenstand der Arbeit 2
1.2 Ziele und Gliederung der Arbeit 3
2 Theoretischer Rahmen 8
2.1 Flow-Theorie nach Csikszentmihalyi 9
2.1.1 Flow-Erleben: Definition 10
2.1.2 Voraussetzungen für das Erleben von Flow 12
2.1.3 Auswirkung von Flow-Erleben auf die Leistung 17
2.2 Determinanten für Flow-Erleben 19
2.2.1 Motivation 20
2.2.2 Selbstwirksamkeit und Selbstkonzept als Determinanten von Flow-Erleben 25
2.2.3 Einbettung des Flow-Erlebens in das motivationale Prozessmodell 32
2.3 Einordnung in den lerntheoretischen Bezugsrahmen 34
2.3.1 Behaviorismus 34
2.3.2 Kognitivismus 35
2.3.3 Konstruktivismus 35
2.4 Folgerungen für die Modellbildung 37
2.4.1 Flow-Theorie im Kontext des lerntheoretischen Bezugsrahmens 37
2.4.2 Flow-Theorie im Kontext von Motivation und Selbstbild 38
3 Gestaltung digitaler Lernangebote 40
3.1 Instruktionsdesign 41
3.1.1 Analyse des Lernsettings 42
3.1.2 Konzeption der Lernumgebung 43
3.1.3 Entwicklung der Lernobjekte 48
3.1.4 Kriterien für gutes Instruktionsdesign 51
3.2 Intelligente Tutorielle Systeme 54
3.2.1 Adaptivität 55
3.2.2 Scaffolding 59
3.2.3 Gamification 61
3.3 Kriterienkatalog für das Erleben von Flow in digitalen Lernsettings 64
4 Wirkmodell 66
4.1 Modelle des Lehrens und Lernens 66
4.1.1 Modellbildung in der empirischen Bildungsforschung 66
4.1.2 Das Angebots-Nutzungs-Modell 67
4.2 Modellbildung für das digitale Selbststudium 71
4.2.1 Das Angebots-Nutzungs-Modell für die Hochschullehre 71
4.2.2 Ein Wirkmodell für das digitale Selbststudium 74
5 Hypothesenbildung 77
5.1 Konkretisierung der Forschungsfrage 77
5.2 Hypothesenbildung 79
6 Methoden 85
6.1 Stichprobe 85
6.1.1 Stichprobenkonstruktion 85
6.1.2 Stichprobenbeschreibung 86
6.2 Das Lernsystem bettermarks 90
6.2.1 Funktionen 91
6.2.2 Einsatz in der Hochschule 97
6.2.3 Überprüfung der Flow-Voraussetzungen des Angebots und seiner Kontextfaktoren 98
6.3 Verwendete Inventare und Messmethoden 102
6.3.1 Akademisches Fähigkeitsselbstkonzept Mathematik 102
6.3.2 Fragebogen zur aktuellen Motivation (FAM) 104
6.3.3 Flow-Kurzskala (FKS) 107
6.3.4 Leistungsmessung im Lernsystem 109
6.4 Untersuchungsdesign 110
6.4.1 Klassifikation des Untersuchungsdesigns 110
6.4.2 Untersuchungsdurchführung 112
6.4.3 Datenauswertung 113
7 Ergebnisse 116
7.1 Datenbereinigung und Vorbereitung 116
7.2 Skalengüte und Messmodelle 120
7.2.1 Akademisches Fähigkeitsselbstkonzept der Mathematik 120
7.2.2 Fragebogen zur aktuellen Motivation 121
7.2.3 Flow-Kurzskala 123
7.2.4 Üben im Lernsystem 125
7.2.5 Leistung im MGT 126
7.3 Deskriptive Befunde zu den Determinanten 127
7.3.1 Verteilung der Übungs- und Leistungsvariablen 127
7.3.2 Verteilung innerhalb der Skalen 131
7.3.3 Korrelationsanalysen der Konstrukte 150
7.4 Effekte auf das Flow-Erleben und die Leistung 153
7.4.1 Hypothesentest 155
7.4.2 Modellbewertung und Fit 162
7.4.3 Vergleich im Zeitverlauf 165
8 Diskussion der Ergebnisse 173
9 Kritische Würdigung und weiterer Forschungsbedarf 179
10 Literatur 183
Anhang XIIIIn this study, a theory-driven model of the prerequisites for successful, self-directed, digital learning was developed. The aim was to derive hypotheses that were empirically tested using the example of the mathematics fundamentals test offered at Heilbronn University. Of particular interest was the construct of flow experience, which was identified by Csikszentmihalyi as early as 1974, and its positive effect on students' learning and performance in digital learning settings, as observed in numerous studies (Calvin, 2022; dos Santos et al., 2018; Ho & Kuo, 2010; Tang et al., 2023). The findings indicated that the prerequisites established by Nakamura and Csikszentmihalyi (2014, p. 240) are necessary but not sufficient preconditions for experiencing flow. To ensure successful self-regulated learning in digital learning settings, it is imperative to consider additional factors beyond a learning environment that fosters flow. The academic self-concept in mathematics and motivation were identified as determinants for experiencing flow, which is expressed in the interest in the task, individual expectations regarding success or failure, and the perceived level of challenge. The interplay of these factors constitutes a significant aspect of individual learning potential, with the relationships between self-concept and motivation, as derived from the theory, largely confirmed in the study. However, it was demonstrated that only the component of the flow experience that manifests as absorption in the learning activity exerts a positive influence on practicing behavior and, consequently, on performance. Interest is the sole factor that fosters this absorption. Furthermore, it was shown that the flow experience increases over time and with learning, and has a favorable effect on performance in the mathematics fundamentals test. Consequently, the developed model makes a substantial contribution to better understand the dependencies and potentials of the flow experience in the scientific discourse.:Abstract II
Inhaltsverzeichnis IV
Abbildungsverzeichnis VI
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XI
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Gegenstand der Arbeit 2
1.2 Ziele und Gliederung der Arbeit 3
2 Theoretischer Rahmen 8
2.1 Flow-Theorie nach Csikszentmihalyi 9
2.1.1 Flow-Erleben: Definition 10
2.1.2 Voraussetzungen für das Erleben von Flow 12
2.1.3 Auswirkung von Flow-Erleben auf die Leistung 17
2.2 Determinanten für Flow-Erleben 19
2.2.1 Motivation 20
2.2.2 Selbstwirksamkeit und Selbstkonzept als Determinanten von Flow-Erleben 25
2.2.3 Einbettung des Flow-Erlebens in das motivationale Prozessmodell 32
2.3 Einordnung in den lerntheoretischen Bezugsrahmen 34
2.3.1 Behaviorismus 34
2.3.2 Kognitivismus 35
2.3.3 Konstruktivismus 35
2.4 Folgerungen für die Modellbildung 37
2.4.1 Flow-Theorie im Kontext des lerntheoretischen Bezugsrahmens 37
2.4.2 Flow-Theorie im Kontext von Motivation und Selbstbild 38
3 Gestaltung digitaler Lernangebote 40
3.1 Instruktionsdesign 41
3.1.1 Analyse des Lernsettings 42
3.1.2 Konzeption der Lernumgebung 43
3.1.3 Entwicklung der Lernobjekte 48
3.1.4 Kriterien für gutes Instruktionsdesign 51
3.2 Intelligente Tutorielle Systeme 54
3.2.1 Adaptivität 55
3.2.2 Scaffolding 59
3.2.3 Gamification 61
3.3 Kriterienkatalog für das Erleben von Flow in digitalen Lernsettings 64
4 Wirkmodell 66
4.1 Modelle des Lehrens und Lernens 66
4.1.1 Modellbildung in der empirischen Bildungsforschung 66
4.1.2 Das Angebots-Nutzungs-Modell 67
4.2 Modellbildung für das digitale Selbststudium 71
4.2.1 Das Angebots-Nutzungs-Modell für die Hochschullehre 71
4.2.2 Ein Wirkmodell für das digitale Selbststudium 74
5 Hypothesenbildung 77
5.1 Konkretisierung der Forschungsfrage 77
5.2 Hypothesenbildung 79
6 Methoden 85
6.1 Stichprobe 85
6.1.1 Stichprobenkonstruktion 85
6.1.2 Stichprobenbeschreibung 86
6.2 Das Lernsystem bettermarks 90
6.2.1 Funktionen 91
6.2.2 Einsatz in der Hochschule 97
6.2.3 Überprüfung der Flow-Voraussetzungen des Angebots und seiner Kontextfaktoren 98
6.3 Verwendete Inventare und Messmethoden 102
6.3.1 Akademisches Fähigkeitsselbstkonzept Mathematik 102
6.3.2 Fragebogen zur aktuellen Motivation (FAM) 104
6.3.3 Flow-Kurzskala (FKS) 107
6.3.4 Leistungsmessung im Lernsystem 109
6.4 Untersuchungsdesign 110
6.4.1 Klassifikation des Untersuchungsdesigns 110
6.4.2 Untersuchungsdurchführung 112
6.4.3 Datenauswertung 113
7 Ergebnisse 116
7.1 Datenbereinigung und Vorbereitung 116
7.2 Skalengüte und Messmodelle 120
7.2.1 Akademisches Fähigkeitsselbstkonzept der Mathematik 120
7.2.2 Fragebogen zur aktuellen Motivation 121
7.2.3 Flow-Kurzskala 123
7.2.4 Üben im Lernsystem 125
7.2.5 Leistung im MGT 126
7.3 Deskriptive Befunde zu den Determinanten 127
7.3.1 Verteilung der Übungs- und Leistungsvariablen 127
7.3.2 Verteilung innerhalb der Skalen 131
7.3.3 Korrelationsanalysen der Konstrukte 150
7.4 Effekte auf das Flow-Erleben und die Leistung 153
7.4.1 Hypothesentest 155
7.4.2 Modellbewertung und Fit 162
7.4.3 Vergleich im Zeitverlauf 165
8 Diskussion der Ergebnisse 173
9 Kritische Würdigung und weiterer Forschungsbedarf 179
10 Literatur 183
Anhang XII
Systematic effects of streambed sediment properties on hyporheic exchange rates and residence times as drivers for nitrate removal
No full textThe natural nitrogen cycle has undergone far-reaching changes since the industrial revolution. The nitrogen loads introduced by fertilization of farmlands cause eutrophication in the receiving freshwater and marine ecosystems. This is accompanied by increased greenhouse gas emissions (in case of incomplete denitrification and the resulting formation of nitrous oxide), loss of biodiversity and artificial evolutionary pressure through the formation of toxic cyanobacteria and oxygen depletion in algae-rich waters. In addition, nitrate pollution of groundwater aquifers causes high costs in drinking water purification. The most significant part of the degradation of biologically available nitrogen into atmospheric molecular nitrogen is carried out by anaerobic bacteria, which use nitrate as an oxidizing agent for organic carbon under anoxic conditions. Some of this denitrification takes place in open water but more so in adjacent sediments, where long flow paths along microbial habitats can create the required anaerobic conditions and high nitrate concentrations through aerobic respiration and nitrification.
The hyporheic zone, the area in which stream water interacts with adjacent sediments, forms these anaerobic conditions necessary for denitrification and is therefore of outstanding importance for the nitrogen cycle in riverine ecosystems and the connected lakes and oceans. Turbulent flow caused by streambed ripples and dunes, meanders or debris deposits, leads to head fluctuations at the interface between stream water and sediment. These variable head distributions cause infiltration of stream water into the sediment and exfiltration back to the stream at locations of lower head. Depending on the filtration speed and flow path length, the necessary anaerobic conditions for denitrification can arise.
The exact conditions that influence hyporheic nutrient turnover are complex and, in certain areas, insufficiently researched. Previous research has lacked a systematic consideration of the influencing hydraulic parameters such as hydraulic conductivity, its heterogeneity and anisotropy, connection to groundwater bodies and depth restrictions. In this thesis, these parameters are isolated and systematically examined with the aim of unraveling systematic relationships and formulating simple rules for taking these influences into account. Since the investigation of heterogeneity was expected to lead to highly scattered results, statistical analysis of a large number of randomized heterogeneity scenarios was necessary to investigate these influencing parameters. This was realized by means of numerical simulations of the flow through a 2 m long sediment section with changing conductivity distribution. The other, less random influencing parameters were investigated partly experimentally, partly by numerical simulations and partly by analytical solution of the flow field under idealized boundary conditions. The laboratory experiments were used to validate the theoretical work, while the analytical solutions significantly contributed to the understanding of the experimental and numerical results. The work was divided into three studies, each of which looked at different dependent and independent variables. Since the hyporheic nutrient turnover significantly depends on the hyporheic flux and the residence time distribution in the hyporheic zone, the focus of the first two studies was on the systematic investigation of these parameters and their dependence on heterogeneity, anisotropy and groundwater connectivity. The third study focused on the effects of heterogeneity, anisotropy and depth restrictions on hyporheic nutrient turnover itself. The theoretical foundations gained in the first two studies were used to interpret the results in the third study.
A key finding of the statistical analysis of heterogeneous sediments is that the median residence time decreases exponentially with the variance of the logarithmic hydraulic conductivity (as a measure of the degree of heterogeneity). The hyporheic flux, on the other hand, is positively exponentially correlated with this variance. Different to homogeneous sediments of varying conductivity, the product of median residence time and hyporheic flux is not constant over the variance of conductivity but decreases with increasing heterogeneity. This is due to the fact that the sediment volume that is effectively involved in hyporheic exchange decreases with increasing heterogeneity. Zones of low conductivity in heterogeneous sediment hardly contribute to hyporheic exchange. This fundamental difference between homogeneous and heterogeneous domains leads to the conclusion that there is no isotropic homogeneous conductivity value that can be used as an equivalent model for a heterogeneous sediment. However, it is demonstrated how this decrease in volume can be emulated by choosing a certain anisotropic homogeneous conductivity. This provides a simplified method of considering the effects of heterogeneity on hyporheic exchange in future numerical models. Furthermore, it could be shown that, in addition to heterogeneity, anisotropy with higher horizontal conductivity, groundwater connectivity and depth constraints have a negative influence on the sediment volume involved in hyporheic exchange compared to deep isotropic homogeneous sediments.
The reductions in effective hyporheic zone volume in turn cause a reduction in nutrient turnover. Both nitrification and aerobic respiration as well as denitrification are reduced by the above-mentioned influences. The aforementioned model of an equivalent anisotropic homogeneous conductivity as a representation for heterogeneous sediment could improve the prediction of nutrient turnover in heterogeneous sediments. However, at particularly high conductivities, nutrient turnover hardly differs between homogeneous and heterogeneous sediments, as the zones of comparatively low conductivity in the heterogeneous sediment increasingly contribute to hyporheic nutrient turnover under these conditions. In these cases, simplification by equivalent anisotropic conductivities is less suitable.
Depth limitations also show no consistent decrease in hyporheic nutrient turnover across all conductivities. While denitrification in deep sediments generally benefits from higher conductivity, there is an optimal conductivity in depth-restricted sediments. This optimal conductivity creates hyporheic flow paths with an average residence time that creates anoxic conditions just shortly before exfiltration from the sediment. At this conductivity, there is an optimum between sufficient reaction time and nutrient supply. In deep sediments, on the other hand, denitrification is always supply limited and therefore benefits from increased hydraulic conductivity.
The results of this work can help to simplify the modeling of hyporheic nutrient turnover. Instead of investigating detailed heterogeneous or volume-limited models, simple homogeneous domains can be investigated and the results subsequently corrected for heterogeneity effects. For example, it can be assumed that models with deep, homogeneous domains commonly overestimate hyporheic nutrient turnover if it cannot be calibrated in any other way. As an alternative to subsequentially correcting the results, the effect of heterogeneity can already be taken into account in the model by using an anisotropic conductivity as shown here.:ERKLÄRUNGEN
ACKNOWLEDGEMENT
LIST OF FIGURES
ABSTRACT
ZUSAMMENFASSUNG
1 INTRODUCTION
1.1 Nitrogen cycle
1.2 Hyporheic nutrient cycling
2 THESIS STRUCTURE AND OBJECTIVES
2.1 Thesis structure
2.2 Research objectives
2.3 Workflow
2.4 Study designs
3 KEY FINDINGS AND CONCLUSIONS
3.1 Study 1: The effect of losing and gaining flow conditions on hyporheic exchange in heterogeneous streambeds
3.2 Study 2: The systematic effect of streambed conductivity heterogeneity on hyporheic flux and residence time
3.3 Study 3: A systematic model-based evaluation of the influence of hydraulic conductivity, heterogeneity and domain depth on hyporheic nutrient transformation
4 SYNTHESIS AND IMPLICATIONS
4.1 The systematic effect of heterogeneity
4.2 Equivalent hyporheic volume Veq as metric for nutrient turnover potential
4.3 Limitations and outlook
5 REFERENCES
6 STUDIES
6.1 Study 1: The effect of losing and gaining flow conditions on hyporheic exchange in heterogeneous streambeds
6.2 Study 2: The systematic effect of streambed conductivity heterogeneity on hyporheic flux and residence time
6.3 Study 3: A systematic model-based evaluation of the influence of hydraulic conductivity, heterogeneity and domain depth on hyporheic nutrient transformationDer natürliche Stickstoffkreislauf hat seit der industriellen Revolution weitreichende Veränderungen erfahren. Die durch Dünger in die Landschaft eingebrachten Stickstoffmengen sorgen für eine Eutrophierung von aquatischen und marinen Ökosystemen. Damit einher gehen verstärkte Treibhausgasemissionen (durch Distickstoffmonoxid bildende Denitrifizierung), Verlust von Biodiversität und künstlicher Evolutionsdruck durch Bildung toxischer Cyanobakterien und Sauerstoffverarmung in algenreichen Gewässern. Darüber hinaus verursacht die Nitratbelastung von Aquiferen hohe Kosten in der Trinkwasseraufbereitung. Der bedeutendste Teil des Abbaus biologisch verfügbaren Stickstoffs geschieht durch anaerobe Bakterien, die unter anoxischen Bedingungen Nitrat als Oxidationsmittel zur Umwandlung organischen Kohlenstoffs nutzen und dieses dabei zu molekularem Stickstoff umwandeln. Dieser Prozess der Denitrifikation kann im offenen Wasser, vor allem aber in angrenzenden Sedimenten stattfinden, in denen lange Fließpfade entlang mikrobieller Habitate durch Zellatmung und Nitrifikation anaerobe Bedingungen und hohe Nitratkonzentrationen bilden können.
In der hyporheischen Zone, dem Bereich, in dem Flusswasser mit angrenzenden Sedimenten wechselwirkt, können sich diese für die Denitrifizierung notwendigen anaeroben Bedingungen bilden. Daher hat sie eine herausragende Bedeutung für den Stickstoffkreislauf in Fließgewässern. Morphologische Strukturen wie Rippel und Dünen im Flussbett, Mäander im Flusslauf oder Treibgutablagerungen führen zu Druckgradienten an der Grenzfläche zwischen Flusswasser und Sediment. Diese Druckschwankungen sorgen dafür, dass Flusswasser durch das Sediment filtriert und an anderer Stelle wieder dem Fließgewässer zugeführt wird. Je nach Filtergeschwindigkeit, Fließpfadlänge und Reaktionsraten können die notwendigen anaeroben Bedingungen für eine beginnende Denitrifizierung entstehen.
Die genauen Bedingungen, die den hyporheischen Stoffumsatz beeinflussen, sind komplex und in gewissen Teilen unzureichend erforscht. In der bisherigen Forschung fehlt eine systematische Betrachtung der hydraulischen Einflussparameter wie der hydraulischen Leitfähigkeit, deren Heterogenität und Anisotropie, Anschluss an Grundwasserkörper und Tiefenbeschränkungen. In dieser Arbeit werden diese Einflussparameter isoliert und systematisch untersucht, mit dem Ziel, möglichst allgemeingültige Systematiken aufzudecken und einfache Regeln zur Berücksichtigung dieser Einflüsse zu formulieren. Da die Untersuchung von Heterogenität erwartbar zu stark gestreuten Ergebnissen führt, sind zur Erforschung dieser Einflussparameter statistische Analysen einer Vielzahl randomisierter Heterogenitätsszenarien notwendig. Diese wurden mittels numerischer Simulation der Durchströmung eines 2 m langen Sedimentabschnitts mit wechselnder Leitfähigkeitsverteilung realisiert. Die weiteren, weniger zufallsbehafteten Einflussparameter wurden teils experimentell, teils durch numerische Simulationen und teils durch analytische Lösung des Druck- und Filtergeschwindigkeitsfelds unter idealisierten Randbedingungen untersucht. Die Laborexperimente wurden zur Validierung der theoretischen Arbeiten verwendet, die analytischen Lösungen haben wesentlich zum Verständnis grundlegender Zusammenhänge beigetragen. Die Arbeit wurde in drei Studien unterteilt, die jeweils unterschiedliche abhängige und unabhängige Variablen betrachtet haben. Da der hyporheische Nährstoffumsatz wesentlich vom Volumenstrom und der Verweilzeitverteilung in der hyporheischen Zone abhängt, lag der Fokus der ersten beiden Studien auf der systematischen Untersuchung dieser Parameter und deren Abhängigkeit von Heterogenität, Anisotropie und Grundwasseranbindung. In der dritten Studie wurden konkret die Auswirkungen von Heterogenität, Anisotropie und Tiefenbeschränkungen auf den hyporheischen Nährstoffumsatz betrachtet. Die in den ersten zwei Studien gewonnenen theoretischen Grundlagen konnten in der dritten Studie zur Interpretation der Ergebnisse herangezogen werden.
Eine wesentliche Erkenntnis der statistischen Analyse heterogener Sedimente ist, dass der Median der Verweilzeitverteilung exponentiell mit der Varianz des Logarithmus der hydraulischen Leitfähigkeit (als Maß für die Stärke der Heterogenität) abnimmt. Der hyporheische Volumenstrom ist dagegen positiv exponentiell mit dieser Varianz korreliert. Das Produkt aus medianer Verweilzeit und Volumenstrom ist allerdings, anders als bei homogenen Sedimenten unterschiedlicher Leitfähigkeit, nicht konstant, sondern nimmt mit zunehmender Heterogenität ab. Daraus kann der Schluss gezogen werden, dass kein isotroper homogener Leitfähigkeitswert existiert, der als äquivalentes Modell für ein heterogenes Sediment genutzt werden kann. Das liegt daran, dass das Sedimentvolumen, das effektiv am hyporheischen Austausch beteiligt ist, mit zunehmender Heterogenität abnimmt. Zonen niedriger Leitfähigkeit in heterogenem Sediment tragen kaum zum hyporheischen Austausch bei. Es wird gezeigt, wie diese Volumenabnahme durch die Wahl bestimmter anisotroper homogener Leitfähigkeiten emuliert werden kann. Dadurch soll für zukünftige Modelle eine vereinfachte Möglichkeit zur Berücksichtigung der Effekte von Heterogenität auf hyporheischen Austausch gegeben werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass neben der Heterogenität auch Anisotropie mit höherer Leitfähigkeit in horizontaler Richtung, Grundwasseranbindung und Tiefenbeschränkungen im Vergleich mit tiefen homogenen Sedimenten einen negativen Einfluss auf das am hyporheischen Austausch beteiligte Sedimentvolumen haben.
Das reduzierte effektive Volumen der hyporheischen Zone führt zu reduziertem hyporheischen Stoffumsatz. Sowohl Denitrifizierung, als auch Nitrifizierung und aerobe Respiration werden durch die oben genannten Einflüsse eingeschränkt. Die Abnahme des Nährstoffumsatzes hängt genau wie die Änderung der physikalischen Größen von der Varianz der hydraulischen Leitfähigkeit ab. Das vorgenannte Modell einer äquivalenten anisotropen homogenen Leitfähigkeit als Repräsentation für heterogenes Sediment konnte die Vorhersage von Nährstoffumsätzen in heterogenem Sediment verbessern. Bei besonders hohen Leitfähigkeiten unterscheidet sich der Nährstoffumsatz zwischen homogenen und heterogenen Sedimenten kaum, da die Zonen vergleichsweise geringer Leitfähigkeit im heterogenen Sediment unter diesen Bedingungen durchaus zum hyporheischen Nährstoffumsatz beitragen können. In diesen Fällen ist Vereinfachung durch äquivalente anisotrope Leitfähigkeiten weniger gut geeignet.
Tiefenbeschränkungen zeigen ebenfalls keine gleichbleibende Abnahme hyporheischen Nährstoffumsatzes über alle Leitfähigkeiten. Während die Denitrifikation in tiefen Sedimenten grundsätzlich von höherer Leitfähigkeit profitiert, gibt es bei tiefenbeschränkten Sedimenten eine optimale Leitfähigkeit. Diese optimale Leitfähigkeit erzeugt hyporheische Strompfade mit einer mittleren Verweilzeit, die erst kurz vor dem Austritt aus dem Sediment anoxische Bedingungen erzeugt. Bei dieser Leitfähigkeit herrscht ein Optimum zwischen ausreichender Reaktionszeit und Nährstoffzufuhr. Bei tiefen Sedimenten ist dagegen immer die Nährstoffzufuhr limitierend und daher höhere Leitfähigkeit förderlich.
Die Ergebnisse dieser Arbeit können dazu beitragen, die Modellbildung hyporheischen Nährstoffumsatzes zu vereinfachen. Anstatt detaillierte heterogene oder volumenbeschränkte Modelle zu untersuchen, können einfache homogene Domänen untersucht und die Ergebnisse nachträglich um z.B. Heterogenitätseffekte korrigiert werden. So ist davon auszugehen, dass Modelle mit tiefen, homogenen Domänen den hyporheischen Nährstoffumsatz überschätzen, wenn dieser nicht anderweitig kalibriert werden kann. Alternativ zur nachträglichen Korrektur kann der Effekt der Heterogenität durch Verwendung einer hier gezeigten anisotropen Leitfähigkeit bereits im Modell berücksichtigt werden.:ERKLÄRUNGEN
ACKNOWLEDGEMENT
LIST OF FIGURES
ABSTRACT
ZUSAMMENFASSUNG
1 INTRODUCTION
1.1 Nitrogen cycle
1.2 Hyporheic nutrient cycling
2 THESIS STRUCTURE AND OBJECTIVES
2.1 Thesis structure
2.2 Research objectives
2.3 Workflow
2.4 Study designs
3 KEY FINDINGS AND CONCLUSIONS
3.1 Study 1: The effect of losing and gaining flow conditions on hyporheic exchange in heterogeneous streambeds
3.2 Study 2: The systematic effect of streambed conductivity heterogeneity on hyporheic flux and residence time
3.3 Study 3: A systematic model-based evaluation of the influence of hydraulic conductivity, heterogeneity and domain depth on hyporheic nutrient transformation
4 SYNTHESIS AND IMPLICATIONS
4.1 The systematic effect of heterogeneity
4.2 Equivalent hyporheic volume Veq as metric for nutrient turnover potential
4.3 Limitations and outlook
5 REFERENCES
6 STUDIES
6.1 Study 1: The effect of losing and gaining flow conditions on hyporheic exchange in heterogeneous streambeds
6.2 Study 2: The systematic effect of streambed conductivity heterogeneity on hyporheic flux and residence time
6.3 Study 3: A systematic model-based evaluation of the influence of hydraulic conductivity, heterogeneity and domain depth on hyporheic nutrient transformatio