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Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss der textilen Parameter von Multifilamentgeweben
auf die Permeabilität zu bestimmen. Einer sehr umfangreichen Permeabilitätsstudie
wurden grundsätzliche Untersuchungen vorangestellt, die beantworten, mit
welchen Einschränkungen textile Modelle und Kapillarmodelle zur Berechnung der
Permeabilität eingesetzt werden können, worin sich Permeabilitätsmessergebnisse
ermittelt über Punkt- und Linienanguss sowie gesättigte und ungesättigte Permeabilitätsmessungen
unterscheiden und ob die Lagenanzahl einen Einfluss auf die Permeabilität
eines Laminataufbaus hat. In der Hauptstudie wurden die Ebenenpermeabilitäten
K1 und K2 von 19 Geweben auf einer Messzelle bestehend aus einem 160
mm dicken Ober- und Unterwerkzeug aus Aluminium mit integrierten Sensoren ermittelt.
Festgestellt wurde, dass Leinwandgewebe eine höhere K2-Permeabilität als Köpergewebe
und ein isotroperes Fließverhalten haben. Es wurde ermittelt, dass je höher
das Produkt aus Fadendichte und Titer, desto größer ist der negative Gradient
der Permeabilitäts-Faservolumengehaltskurve. Vier sehr dichte Gewebe dieser Studie
zeigen zudem die Besonderheit, dass die Richtung der K1-Permeabilität nicht mit
der Kettrichtung des Gewebes übereinstimmt. Der abweichende Orientierungswinkel
ist faservolumengehaltsabhängig und nähert sich stets 0° bei Faservolumengehalten
von über 55 %. Es wird des Weiteren erklärt, warum Gewebe, die in Kett- und
Schussrichtung gleich aufgebaut sind, ein anisotropes Fließverhalten zeigen. Dieser
Effekt kann mit der Kettfadenspannung bei der Gewebeherstellung erklärt werden
und über die Messung des Crimps ermittelt werden. Wurde eine große Differenz im
Crimp zwischen dem Kett- und Schussgarn gemessen, war auch die Anisotropie höher.
Neben der Kettfadenspannung bei der Herstellung wurden über ein D-optimal
Screening der Titer und die Fadendichte als signifikante Einflussfaktoren auf den
Crimp ermittelt.
Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichen die Auswahl und das spezifische Design
von Verstärkungstextilien mit bestimmten Imprägnier- und Permeabilitätseigenschaften.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuartiger molekularer Kapseln auf Basis von verbrückten Bis(cyclopeptiden) und die Untersuchung ihrer Anionenaffinität in wässrigen Lösungsmittelgemischen. Als Reaktionen zur Verbrückung der Cyclopeptidringe wurden die Olefinmetathese und die 1,3-dipolare Cycloaddition von Alkinen und Aziden (Click-Reaktion) verwendet, die unter thermodynamischer bzw. kinetischer Kontrolle verlaufen. Neben den dreifach verbrückten Kapseln wurden ebenso die analogen Bis(cyclopeptide) mit nur einem Linker synthetisiert und untersucht. Die Charakterisierung der Bindungseigenschaften dieser Verbindungen hinsichtlich der Komplexierung verschiedener anorganischer Anionen erfolgte mittels Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie. Alle untersuchten Verbindungen bilden 1:1 Komplexe mit den Anionen, indem sie diese in ihrem Hohlraum über Wasserstoffbrücken binden. Allerdings hat die Anzahl der Linker einen bedeutenden Einfluss auf das Bindungsverhalten der Bis(cyclopeptide). Im Gegensatz zu den neuen, sowie bereits bekannten, einfach verbrückten Bis(cyclopeptiden), verläuft die Komplexierung von Sulfat durch die molekulare Kapsel mit drei Triazollinkern endotherm. Der ungünstige enthalpische Beitrag zur Bindung wird von einem sehr günstigen entropischen Beitrag überkompensiert, was zu einer im Vergleich höheren Sulfataffinität führt. Die Ursache dieses unerwarteten Bindungsverhaltens liegt vor allem an einer schlechten Vororganisation der Kapsel. Ein weiterer großer Unterschied zwischen den einfach und dreifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) liegt in der unterschiedlichen Kinetik bei der Sulfatkomplexierung. Durch die Erhöhung der Anzahl der Linker reduziert sich die Geschwindigkeit von Komplexierung und Dekomplexierung deutlich. Diese Untersuchungen lieferten neue Erkenntnisse, wie sich strukturelle Veränderungen auf das Rezeptorverhalten derartiger Systeme auswirken.
In der Spektroskopie hat die Temperatur einen großen Einfluss auf das resultierende Spektrum und somit auf die Schlussfolgerung, die aus dem Spektrum erfolgt. Für Experimente mit Molekülen in einem Lösungsmittel ist eine Temperaturkontrolle kein Problem mehr. In der Gasphase finden spektroskopische Experimente jedoch häufig mit kühlenden Edelgasmatrizen statt, um ein Molekül zu kühlen, oder die zu untersuchenden Moleküle werden auf einem gekühlten Substrat deponiert, was nicht gerade einem Gasphasenexperiment entspricht. Ebenfalls zur Temperaturkontrolle verwendet wird die Stoßgaskühlung, bei der Moleküle durch Stöße mit Edelgasen gekühlt werden. Das verwendete Stoßgas thermalisiert jedoch durch Stöße mit der Vakuumkammer und wärmt sich dadurch auf.
Der Bau einer Cryo-Apparatur zur Kühlung von kommerziell gekauften FT-ICR Zellen auf weniger als 20 K für Experimente in der Gasphase, um auf Edelgasmatrizen oder Substrate verzichten zu können und eine kalte Umgebung für ein Stoßgas zu haben, ist Kernpunkt dieser Dissertation. Entgegen der in anderen Arbeitskreisen vorhandenen, mit verflüssigten Gasen betriebenen Cryo-FT-ICR Zellen sollte diese Zellkühlung in einem weiten Temperaturbereich kontrollierbar sein und über einen langen Zeitraum eine minimale Temperaturschwankung um eine eingestellte Temperatur liefern.
Gestestet wurde die neue Cryo-FT-ICR Zelle in Kaiserslautern mit Reaktionskinetiken von Nbn+ Metallclustern mit H2. Diese Kinetiken dienten dazu, das Verhalten der neuen Cryo-FT-ICR Zelle unter realen Bedingungen zu testen. Die vorgestellten Messungen zeigen eine Zunahme der relativen Geschwindigkeitskonstanten zu kalten Temperaturen hin. Dabei ist auch ein von der Clustergröße abhängiges Verhalten erkennbar.
Eine weitere Installation der Cryo-Apparatur fand am GAMBIT (General Abstraction of Magnetic Moments at BESSY by Ion Trapping) Experiment beim Berliner Elektronen-speicherring BESSY II statt. Mit den nun möglichen XMCD (X-Ray Magnetic Circular Dichroism) Experimenten in der Gasphase wurden erste Messungen von Co11+ und Co17+ Metallclustern durchgeführt. Die aus diesen ersten Messungen erhaltenen magnetischen Gesamtmomente stimmen gut mit in anderen Arbeitsgruppen gefundenen Gesamtmomenten aus Stern-Gerlach Experimenten überein. Die zu den Gesamtmomenten zugehörigen magnetischen Spin- und Bahnmomente untersuchten Metallcluster, die erstmals für freie Cluster in der Gasphase ermittelt werden konnten, werden vorgestellt.
Gegenstand der vorliegenden Dissertation war die Erarbeitung eines besseren Verständnisses für ein grundlegendes Konzept der molekularen Erkennung - den Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. In zwei Projekten sollte dies mit Hilfe von Modellsystemen verwirklicht werden.
Im ersten Projekt wurden verschiedene Bis(kronenether)-Derivate synthetisiert, um den Einfluss der Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen systematisch untersuchen zu können. Die Synthese lieferte die Derivate als Gemisch von Diastereomeren, wobei für ein Derivat mit Camphanoylsubstituenten die Trennung der Diastereomere nach chromatographischer Trennung erfolgreich realisiert werden konnte. Die lösungsmittelabhängige Charakterisierung der Kaliumkomplexierung der Bis(kronenether)-Derivate in Methanol/Wasser-Gemischen erfolgte mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC). Es zeigten sich unterschiedliche Einflüsse in den Enthalpie- und Entropiebeiträgen der einzelnen Derivate, welche sich allerdings aufgrund von Enthalpie-Entropie-Kompensation nicht in unterschiedlichen Werten für ∆G äußern. Darauf aufbauend wurde ein weiteres Modellsystem konzipiert, welches einen Azakronenether als Grundkörper aufweist. Die Ausgangsverbindung hierfür wurde synthetisiert und eine Kristallstruktur des Natriumiodid-Komplexes ergab wichtige strukturelle Hinweise für die Durchführbarkeit weiterer Arbeiten.
Im zweiten Projekt sollte untersucht werden, ob die Eigenschaften eines bekannten cyclischen Hexapeptids, bei Bindung von Anionen Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen auszunutzen, auf ein strukturell ähnliches System übertragen werden können. Ein cyclisches Pseudohexapeptid sowie das kleinere cyclische Pseudotetrapeptid, in welchen 1,5-disubstituierte 1,2,3-Triazole die cis-Amide an den Prolinuntereinheiten der entsprechenden cyclischen Peptide imitieren, wurden synthetisiert. Die hohe konformationelle Übereinstimmung der cyclischen Pseudopeptide zu den cyclischen Peptiden konnte über Kristallstrukturanalyse und 1H-NMR spektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden.
Die Bindungseigenschaften des cyclischen Pseudohexapeptids gegenüber Anionen wurden mit Hilfe der NMR-Spektroskopie und der Isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) untersucht. Das cyclische Pseudohexapeptid bindet anorganische Anionen mit außergewöhnlich hohen Bindungskonstanten in kompetitiven Wasser/Methanol Lösungsmittelgemischen unter Ausnutzung von Intra-Rezeptor-Wechselwirkungen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die intrinsische Anionenaffinität von diesem Derivat größer ist als bei dem cyclischen Hexapeptid.
The present dissertation contains the theoretical studies performed on the topic of a high energy deposition in matter. The work focuses on electronic excitation and relaxation processes on ultrafast timescales. Energy deposition by means of intense ultrashort (femtosecond) laser pulses or by means of swift heavy ions irradiation have a certain similarities: the final observable material modifications result from a number of processes on different timescales. First, the electronic excitation by photoabsorption or by ion impact takes place on subfemtosecond timescales. Then these excited electrons propagate and redistribute their energy interacting among themselves and exciting secondary generations of electrons. This typically takes place on femtosecond timescales. On the order of tens to hundreds femtoseconds the excited electrons are usually thermalized. The energy exchange with the lattice atoms lasts up to tens of picoseconds. The lattice temperature can reach melting point; then the material cools down and recrystalizes, forming the final modified nanostructures, which are observed experimentally. The processes on each previous step form the initial conditions for the following step. Thus, to describe the final phase transition and formation of nanostructures, one has to start from the very beginning and follow through all the steps.
The present work focuses on the early stages of the energy dissipation after its deposition, taking place in the electronic subsystems of excited materials. Different models applicable for different excitation mechanisms will be presented: in the thesis I will start from the description of high energy excitation (electron energies of \(\sim\) keV), then I shall focus on excitations to intermediate energies of electrons (\(\sim\) 100 eV), and finally coming down to a few eV electron excitations (visible light). The results will be compared with experimental observations.
For the high energy material excitation assumed to be caused by irradiation with swift heavy ions, the classical Asymptotical Trajectory Monte-Carlo (ATMC) is applied to describe the excitation of electrons by the impact of the projectile, the initial kinetics of electrons, secondary electron creation and Auger-redistribution of holes. I first simulate the early stage (first tens of fs) of kinetics of the electronic subsystem (in silica target, SiO\(_2\)) in tracks of ions decelerated in the electronic stopping regime. It will be shown that the well pronounced front of excitation in the electronic and ionic subsystems is formed due to the propagation of electrons, which cannot be described by models based on diffusion mechanisms (e.g. parabolic equations of heat diffusion). On later timescales, the thermalization time of electrons can be estimated as a time when the particle- and the energy propagation turns from the ballistic to the diffusive one. As soon as the electrons are thermalized, one can apply the Two Temperature Model. It will be demonstrated how to combine the MC output with the two temperature model. The results of this combination demonstrate that secondary ionizations play a very important role for the track formation process, leading to energy stored in the hole subsystem. This energy storage causes a significant delay of heating and prolongs the timescales of lattice modifications up to tens of picoseconds.
For intermediate energies of excitation (XUV-VUV laser pulse excitation of materials) I applied the Monte-Carlo simulation, modified where necessary and extended in order to take into account the electronic band structure and Pauli's principle for electrons within the conduction band. I apply the new method for semiconductors and for metals on examples of solid silicon and aluminum, respectively.
It will be demonstrated that for the case of semiconductors the final kinetic energy of free electrons is much less than the total energy provided by the laser pulse, due to the energy spent to overcome ionization potentials. It was found that the final total number of electrons excited by a single photon is significantly less than \(\hbar \omega / E_{gap}\). The concept of an 'effective energy gap' is introduced for collective electronic excitation, which can be applied to estimate the free electron density after high-intensity VUV laser pulse irradiation.
For metals, experimentally observed spectra of emitted photons from irradiated aluminum can be explained well with our results. At the characteristic time of a photon emission due to radiative decay of \(L-\)shell hole (\(t < 60\) fs), the distribution function of the electrons is not yet fully thermalized. This distribution consists of two main branches: low energy distribution as a distorted Fermi-distribution, and a long high energy tail. Therefore, the experimentally observed spectra demonstrate two different branches of results: the one observed with \(L-\)shell radiation emission reflects the low energy distribution, the Bremsstrahlung spectra reflects high energy (nonthermalized) tail. The comparison with experiments demonstrated a good agreement of the calculated spectra with the experimentally observed ones.
For the irradiation of semiconductor with low energy photons (visible light), a statistical model named the "extended multiple rate equation" is proposed. Based on the earlier developed multiple rate equation, the model additionally includes the interaction of electrons with the phononic subsystem of the lattice and allows for the direct determination of the conditions for crystal damage. Our model effectively describes the dynamics of the electronic subsystem, dynamical changes in the optical properties, and lattice heating, and the results are in very good agreement with experimental measurements on the transient reflectivity and the fluence damage threshold of silicon irradiated with a femtosecond laser pulse.
Ausgehend von einem donorfreien und einem DME-haltigen Eisenhalbsandwich-bromid des sperrigen Pentaisopropylcyclopentadienids, erhält man durch Substitution des Bromids gegen den 2,6-Diisopropylphenylrest einen sigma-Aryl-Eisencyclopentadienid-Komplex, der eine erstaunliche Stabilität aufweist. Dieser ist der erste vollständig charakterisierte Vertreter seiner Art und besitzt bei tiefer Temperatur die Eigenschaften eines molekularen Magneten. Durch Reaktion mit koordinativ ungesättigten Metallzentren lassen sich eine Vielzahl von Additions- und Substitutionsreaktionen beobachten. Eine Substitution des Bromids in den Eisenhalbsandwich-bromiden gegen ein Phenolat, bzw. Thiophenolat ist ebenfalls möglich. Die Resultate dieser Umsetzungen zeigen interessante strukturelle Ergebnisse bezüglich der Bindungsmöglichkeiten zwischen Eisen und Phenolaten sowie Thiophenolaten. Der Phenolatkomplex zeigt eine erstaunliche Stabilität und zersetzt sich auch in verdünnten Säuren und Basen nicht. Es ist erstmalig gelungen, das Pentaisopropylcyclopentadienid an ein Nickelzentrum zu koordinieren. Der resultierende Halbsandwichkomplex mit zwei verbrückenden Bromiden kann wie beim Eisen als Ausgangsverbindung zur Darstellung einer Vielzahl von neuen Komplexen dienen. Durch Addition von 1-Naphthyllithium an das 1,2,3,4-Tetraisopropyl-6-(dimethylamino)pentafulven gelingt die Synthese eines neuen sperrigen chiralen Cyclopentadienids. Dieses lässt sich an ein Nickelbromid-Fragment koordinieren und bildet den ersten im festen Zustand monomeren Vertreter eines Cyclopentadienyl-Nickelbromids. Durch Reduktion der beiden Halbsandwich-Bromide des Eisens und des Nickels in Gegenwart von Stickstoff erhält man Nitrido-Komplexe, die noch nicht eindeutig charakterisiert sind. Die Reaktivität dieser Verbindungen ist jedoch eindeutig. Sie sind in der Lage, mit elementarem Wasserstoff hochreaktive Amide zu bilden und ein Alkyl-H-Atom gegen eine Aminogruppe auszutauschen. Diese metallvermittelte Bildung von Alkylaminen aus Alkan, Stickstoff und Wasserstoff ist bislang nicht bekannt.
This thesis is devoted to constructive module theory of polynomial
graded commutative algebras over a field.
It treats the theory of Groebner bases (GB), standard bases (SB) and syzygies as well as algorithms
and their implementations.
Graded commutative algebras naturally unify exterior and commutative polynomial algebras.
They are graded non-commutative, associative unital algebras over fields and may contain zero-divisors.
In this thesis
we try to make the most use out of _a priori_ knowledge about
their characteristic (super-commutative) structure
in developing direct symbolic methods, algorithms and implementations,
which are intrinsic to graded commutative algebras and practically efficient.
For our symbolic treatment we represent them as polynomial algebras
and redefine the product rule in order to allow super-commutative structures
and, in particular, to allow zero-divisors.
Using this representation we give a nice characterization
of a GB and an algorithm for its computation.
We can also tackle central localizations of graded commutative algebras by allowing commutative variables to be _local_,
generalizing Mora algorithm (in a similar fashion as G.M.Greuel and G.Pfister by allowing local or mixed monomial orderings)
and working with SBs.
In this general setting we prove a generalized Buchberger's criterion,
which shows that syzygies of leading terms play the utmost important role
in SB and syzygy module computations.
Furthermore, we develop a variation of the La Scala-Stillman free resolution algorithm,
which we can formulate particularly close to our implementation.
On the implementation side
we have further developed the Singular non-commutative subsystem Plural
in order to allow polynomial arithmetic
and more involved non-commutative basic Computer Algebra computations (e.g. S-polynomial, GB)
to be easily implementable for specific algebras.
At the moment graded commutative algebra-related algorithms
are implemented in this framework.
Benchmarks show that our new algorithms and implementation are practically efficient.
The developed framework has a lot of applications in various
branches of mathematics and theoretical physics.
They include computation of sheaf cohomology, coordinate-free verification of affine geometry
theorems and computation of cohomology rings of p-groups, which are partially described in this thesis.
Zahlreiche neue und andauernde Herausforderungen sowie verschiedenste Rahmenbedingungen beeinflussen die Raumentwicklungspolitik: Globalisierung und Standortwettbewerb der Regionen,Veränderung des Staatsverständnisses und Europäisierung, Regionalisierung der Aktionsräume, demographischer Wandel und die Haushaltsnot öffentlicher Kassen. Ein instrumenteller Ansatz der Raumentwicklungspolitik zur Lösung der Probleme ist dabei die Kooperation zwischen Gebietskörperschaften,die in vielerlei Hinsicht positive Skaleneffekte hervorruft. Hierbei wird die kleinräumige interkommunale Kooperation schon seit etlichen Jahrzehnten angewandt. Aufgrund der zunehmenden Regionalisierung der Aktionsräume aller gesellschaftlichen Akteure stellt sich allerdings vermehrt die Frage, inwiefern interkommunale Kooperationen auch auf großräumigere Zusammenhänge ausgedehnt werden können. Im Sinne der Policy-Forschung wird in der vorliegenden Arbeit die Politikidee, mit großräumigen regionalen Kooperationen zu einer besseren und effizienteren Raum- und Wirtschaftsentwicklung zu kommen, auf ihre Rahmenbedingungen und ihre Praxistauglichkeit untersucht. Die Policy-Analyse mit ihren Untersuchungsmethoden bietet im Hinblick auf Akteure, Politikentstehung, Steuerungsmechanismen und Konfliktlösung dazu die entsprechenden Instrumente. Sowohl kleinräumige als auch großräumige Kooperationen zwischen Gebietskörperschaften und weiteren Akteuren bewegen sich aus raumentwicklungspolitischer Sicht immer im Spannungsfeld zwischen ausgleichs- und wachstumsorientierter Raumentwicklung. Während der Ansatz der „großräumigen Verantwortungsgemeinschaften“, der als „Überregionale Partnerschaften“ Inhalt eines Modellvorhabens der Raumordnung ist, eher in Richtung Ausgleich tendiert, sind großräumige regionale Kooperationen im Sinne der vorliegenden Arbeit per se nicht einem Pol zuzuordnen. So sind wachstumsorientierte Kooperationen ebenso denkbar wie ausgleichsorientierte, wobei letztere aufgrund des regelmäßig größeren räumlichen Umgriffs eher zu erwarten sind. Für großräumige regionale Kooperationen stellen sich ähnliche Anforderungen an ihre Organisation wie an klassische interkommunale Kooperationen. Dabei zeigt sich, dass sich die großräumige regionale Kooperation von den anderen Kooperationen in erster Linie dadurch unterscheidet, dass sie eine größere räumliche Entfernung zwischen den Kooperationspartnern aufweist als die meisten anderen „gängigen“ Kooperationen, sich die Raumstruktur der Kooperanden in der Regel deutlich unterscheidet und demnach mehr unterschiedliche als gemeinsame bzw. gleiche Herausforderungen bestehen. Es zeigt sich, dass großräumige regionale Kooperationen in erster Linie punktuell, d. h. in einzelnen Policy-Feldern, möglich sind. Durch die Bearbeitung nur eines Policy-Feldes ist es umso schwieriger, den Nutzen der Kooperation gerecht zu verteilen. Der Aufbau einer gemeinsamen Kooperations- und Planungskultur ist zwischen unterschiedlichen Räumen in großräumigen regionalen Kooperationen ebenfalls schwieriger zu bewerkstelligen als in räumlich relativ eng gefassten interkommunalen und regionalen Kooperationen. Durch die größere Entfernung kann es zum Teil bereits zu Mentalitätsunterschieden zwischen den handelnden Akteuren kommen. Im empirisch untersuchten Beispiel konzentrieren sich die Kooperationen zwischen dem Rhein-Hunsrück-Raum und dem Rhein-Main-Gebiet auf die jeweiligen räumlichen Randbereiche. Direkte Kooperationen zwischen den Ausgangs- und Entwicklungsschwerpunkten der beiden Regionen – d. h. Kooperationen großräumigerer Art – finden sich erst in Ansätzen. Dies vermag nicht zu verwundern, da beide Regionen erst in geringem Maße (Region Rhein-Hunsrück) bzw. nicht unumstritten (Ballungsraum Frankfurt/Rhein-Main) institutionalisiert sind und somit keine Institution für Großteile der Region ihre Stimme erheben kann. Hierzu müssen im Sinne einer Regional Governance noch entsprechende Strukturen geschaffen bzw. weiterentwickelt werden. Die größte Herausforderung großräumiger regionaler Kooperationen ist die Integration kleinerer Maßnahmen, lokaler und regionaler Entwicklungskonzepte sowie Leuchtturmprojekte in ein strategisches Gesamtkonzept. Dies stellt aber ein aufwändiges und schwieriges Unterfangen dar und widerspricht damit der Forderung nach schnellen Erfolgen und konkreten, überschaubaren Projekten, welche eine Kooperation für ihren Erfolg benötigt. Insofern steht der Etablierung großräumiger regionaler Kooperationen noch ein langer Weg bevor, dessen Beschreitung allerdings angesichts der vielfältigen Herausforderungen an Kommunal-, Regional- und Raumentwicklung nur schwerlich umgangen werden kann.
This research work focuses on the generation of a high resolution digital surface model featuring complex urban surface characteristics in order to enrich the database for runoff simulations of urban drainage systems. The discussion of global climate change and its possible consequences have taken centre stage over the last decade. Global climate change has triggered more erratic weather patterns by causing severe and unpredictable rainfall events in many parts of the world. The incidence of more frequent rainfall has led to the problem of increased flooding in urban areas. The increased property values of urban structures and threats to people's personal safety have hastened the demand for a detailed urban drainage simulation model for accurate flood prediction. Although the use of 2D hydraulic modelling approach in rural floodplains is in practice for quite a long time, the use of the same approach in urban floodplains is still in its infancy. The reason is mainly due to the lack of a high resolution topographic model describing urban surface characteristics properly.
High resolution surface data describing hydrologic and hydraulic properties of complex urban areas are the prerequisite to more accurately describing and simulating the flood water movement and thereby taking adequate measures against urban flooding. Airborne LiDAR (Light detection and ranging) is an efficient way of generating a high resolution Digital Surface Model (DSM) of any study area. The processing of high-density and large volume of unstructured LiDAR data is a difficult and time-consuming task towards generating fine resolution spatial databases when considering only human intervention. The application of robust algorithms in terms of processing this massive volume of data can significantly reduce the data processing time and thereby increase the degree of automation as well as accuracy.
This research work presents a number of techniques pertaining to processing, filtering and classification of LiDAR point data in order to achieve higher degree of automation and accuracy towards generating a high resolution urban surface model. This research work also describes the use of ancillary datasets such as aerial images and topographic maps in combination with LiDAR data for feature detection and surface characterization. The integration of various data sources facilitates detailed modelling of street networks and accurate detection of various urban surface types (e.g. grasslands, bare soil and impervious surfaces).
While the accurate characterization of various surface types contributes to the better modelling of rainfall runoff processes, the application of LiDAR-derived fine resolution DSM serves as input to 2D hydraulic models and capable of simulating surface flooding scenarios in cases the sewer systems are surcharged.
Thus, this research work develops high resolution spatial databases aiming at improving the accuracy of hydrologic and hydraulic databases of urban drainage systems. Later, these databases are given as input to a standard flood simulation software in order to: 1) test the suitability of the databases for running the simulation; 2) assess the performance of the hydraulic capacity of urban drainage systems and 3) predict and visualize the surface flooding scenarios in order to take necessary flood protection measures.
The present PhD thesis is mainly focused on synthesis, characterization and catalytic application of functionalized triphenylphosphine (TPP) ligands and their complexes. We developed a simple and effective strategy to immobilize TPP: A methylester group attached to one of the phenyl rings of TPP allowes the derivatization of the ligand with 3-trimethoxysilylpropylamine, a typical silane coupling agent used for the covalent immobilization of organic compounds on silica surfaces. The resulting functionalized TPP was further coordinated to Pd, Rh and Ru precursors to achieve homogeneous complexes which can be tethered on silica by the post synthetic grafting method and co-condensation method. The obtained heterogeneous catalysts exhibited excellent activity, selectivity and reusability in Suzuki, hydrogenation and transfer hydrogenation reactions. In order to investigate the stability of the catalysts, different types of characterizations such as TEM, solid state NMR of the used catalysts as well as AAS of filtrate and leaching tests were carried out. The results prove the practicability and efficiency of our method. This strategy was further modified to generate an anionic side chain linked to the TPP core by simply replacing the trimethoxysilylpropylamine group by sodium(3-amino- 1-propanesulfonate), which allowes the immobilization on imidazolium modified SBA-15 through electrostatic interaction. The obtained material was further reacted with PdCl2(CNPh)2 and the resulting hybrid material was used for the hydrogenation of olefins allowing mild reaction conditions. The catalyst shows excellent activity, selectivity and stability and it can furthermore be reused for at least ten times without any loss of activity. TEM images of the used catalyst clearly show the absence of palladium nanoparticles, proving the high stability of the palladium compound. By AAS no palladium could be detected in the products and further leaching tests very- fied the reaction to be truly heterogeneous. This concept of non-covalent immobili- zation guarantees a tight bonding of the catalytically active species to the surface in combination with a high mobility, which should be favorable for other catalyses.
Furocumarine (FC) sind sekundäre Pflanzenmetaboliten, die u.a. von Früchten und Gemüsen wie Grapefruit oder Sellerie als Phytoalexine gebildet werden. So liegt die geschätzte durchschnittliche menschliche Exposition über die Nahrung bei einer Gesamt-FC-Menge von 0,56 mg/Tag in Deutschland, bei Akutexpositionen können 100-fach höhere Werte erreicht werden. Ihre Grundstruktur besteht aus einem Cumarinmolekül mit linear oder angular ankondensiertem Furanring, zudem können sie unterschiedlich substituiert sein: über 90 verschiedene natürlich vorkommende Derivate bekannt, die sich in der Ausprägung ihrer Eigenschaften stark unterscheiden. In Kombination mit UVA-Strahlung wirken FCs wie das Cumarin Limettin phototoxisch, photomutagen und photoclastogen.
Da in Pflanzen FCs hauptsächlich in Mischungen verschiedener Derivate vorkommen, wurde im Rahmen dieser Arbeit in vitro an V79-Zellen ein einfaches Instrument zur Bewertung natürlich vorkommender FC-Gemische entwickelt, welches die relative phototoxische, -mutagene und -clastogene Potenz verschiedener FCs berücksichtigt. Hierzu wurden versch. Assays speziell für photochemische Anwendungen etabliert und optimiert:
Die phototoxischen Effekte wurden über den Resazurin-Reduktionstest charakterisiert und quantifiziert, die Quantifizierung des photomutagenen Potentials erfolgte mit Hilfe des HPRT-Assays, die des photoclastogenen über den Mikrokerntest. Am Beispiel von 5-Methoxypsoralen (5-MOP) konnte eine Abhängigkeit des EC50-Wertes der Zellvitalität 72 h nach der Bestrahlung, der Erhöhung der Mutationsfrequenz (MF) und der Erhöhung der Zahl mikrokerntragender Zellen (MNZ) sowohl von der 5-MOP-Konzentration als auch von der applizierten UVA-Dosis gezeigt werden; im HPRT-Assay und Mikrokerntest waren strikt lineare Zusammenhänge zu beobachten. Adverse Effekte unter Lichtausschluss konnten nicht festgestellt werden. Zum Vergleich der Potenz verschiedener FC-Derivate wurde eine Standard-UVA-Dosis von 125 mJ/cm² festgelegt. 5-MOP war in allen Testsystemen am reaktivsten, weshalb allen anderen FCs Phototoxizitäts, -mutagenitäts bzw. -clastogenitäts-Äquivalenzfaktoren (PTEF, PMEF, PTCF) relativ zu 5-MOP zugeordnet wurden über den Vergleich der EC50-Werte und der Steigungen der Linearregressionen der Auftragung der MF bzw. der MNZ gegen die FC-Konzentration; 5-MOP wurde der Faktor 1 zugewiesen. Generell waren angulare FCs im Vergleich zu ihren linearen Strukturisomeren deutlich weniger photoreaktiv, an Pos. 8 substituierte lineare FCs waren unreaktiver als an Pos. 5 substituierte, die Einführung einer Hydroxygruppe oder Zweitsubstitution mit einer Methoxygruppe führte zum Reaktivitätsverlust.
Das Verhalten von Furocumarinen in Mischungen wurde isobolographisch am Beispiel von 5-MOP und 8-MOP untersucht. Komplexere Mischungen mit bis zu 9 verschiedenen FC-Derivaten wurden bezüglich ihres Interaktions-Index’ CI auf Abweichungen von 1 untersucht und die Dosis-Wirkungsbeziehungen der theoretischen 5-MOP-Dosisäquivalente mit 5-MOP verglichen. So konnte auf Vorliegen von Dosis-Additivität geschlossen werden.
Als Ursache für die beobachteten Reaktivitätsunterschiede konnten mangelnde Absorption, geringere Interkalationsfähigkeit oder generell Wechselwirkungen mit der DNA über den Vergleich der Absorptionsspektren, hypochromen und bathochromen Effekten in Gegenwart von Kalbsthymus-DNA oder die Ethidiumbromid- und Hoechst33258-Verdrängungsassays ausgeschlossen werden. Weiterhin konnten zwei Systeme zur Bestimmung der zellfrei photochemisch gebildeten Singulett-Sauerstoff und Superoxidradikalanionen etabliert werden. Hier wurden Psoralen für die O2•--Bildung und Riboflavin für die 1O2-Bildung als Positivkontrolle benutzt, wobei angulare FCs und Limettin generell stärker zur ROS-Produktion fähig waren.
Das in dieser Arbeit etablierte Äquivalenzfaktoren-Modell stellt ein gutes Instrument zur Bewertung komplexer natürlich vorkommender FC-Gemische und Abschätzung der in vivo-Phototoxizität über die direkt in der Haut bzw. im Blutplasma gefundene FC-Konzentration dar. Zur direkten Bewertung der oral oder dermal aufgenommen Menge müssen allerdings weitere Faktoren wie Absorption, Metabolismus, zeitabhängige Verteilung und Exkretion, Hauttyp, Reparatur oder generell komplexere Reaktionen des Gewebes in vivo wie Entzündung oder Krebs berücksichtigt werden.
Intersection Theory on Tropical Toric Varieties and Compactifications of Tropical Parameter Spaces
(2011)
We study toric varieties over the tropical semifield. We define tropical cycles inside these toric varieties and extend the stable intersection of tropical cycles in R^n to these toric varieties. In particular, we show that every tropical cycle can be degenerated into a sum of torus-invariant cycles. This allows us to tropicalize algebraic cycles of toric varieties over an algebraically closed field with non-Archimedean valuation. We see that the tropicalization map is a homomorphism on cycles and an isomorphism on cycle classes. Furthermore, we can use projective toric varieties to compactify known tropical varieties and study their combinatorics. We do this for the tropical Grassmannian in the Plücker embedding and compactify the tropical parameter space of rational degree d curves in tropical projective space using Chow quotients of the tropical Grassmannian.
Innerhalb der eingereichten Arbeit wurden ionische Cluster mittels IR- und kombinierter IR+UV-Spektroskopie untersucht und durch Vergleich mit theoretischen Untersuchungen Strukturen zugeordnet. Die Arbeit behandelt zum einen anionische Cluster aus Kobalt und Liganden (Alkohole, Alkane, Alkene) und zum anderen kationische Cluster aus Aluminium und Aminosäuren bzw. Peptiden. Es wurde IR-Photodissoziationsspektroskopie an isolierten anionischen Clustern aus 1-4 Kobalt und 1-3 Alkohol Einheiten im Molekularstrahl angewendet und mit Hilfe von DFT- Rechnungen Strukturen und Spinzustände zugeordnet. In allen untersuchten Spezies wurden lediglich Wasserstoffbrücken der Form OH…Co beobachtet, aber keine Wasserstoffbrücken zwischen den Alkohol Molekülen. Es findet demnach eine sehr effiziente Anlagerung der Alkoholmoleküle an das Metall bzw. den Metallcluster statt. Weiterhin gibt es Hinweise darauf, dass Co3-Einheiten eine wichtige Rolle beim Aufbau von Kobalt/Alkohol-Clustern spielen. Um diesem Sachverhalt weiter nachzugehen, müssen die Untersuchungen auf größere Cluster ausgeweitet werden. Die große Rotverschiebung der OH-Streckschwingungsfrequenz vom reinen Alkohol zur gebundenen Spezies weist auf starke H-Brücken und eine starke Aktivierung der OH-Gruppe(n) durch den anionischen Metallcluster hin. Diese Spezies sind demnach gut geeignet, um OH-Gruppen für weitere Reaktionen zu aktivieren. Durch die deutlichen Einflüsse der Multiplizität der Cluster auf die Schwingungsfrequenzen können mit Hilfe der DFT-Rechnungen auch Aussagen über die Spinzustände getroffen werden. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen somit, dass die Anwendung von IR-Spektroskopie neben der Strukturaufklärung auch Hinweise auf die Multiplizität geben kann. Ferner liefert die massen- und strukturselektive IR-Spektroskopie die Möglichkeit, die Aktivierung und Aggregation von Liganden an Metallcluster auf molekularer Ebene zu untersuchen. Weiterhin wurden IR-, UV- und eine neu entwickelte kombinierte IR+UV-Photodissoziationsspektroskopie zur Strukturanalyse von Clustern aus Aluminiumkationen und geschützten Aminosäuren sowie Dipeptidmodellen in der Gasphase durchgeführt. Durch den Vergleich mit theoretischen Analysen konnten Strukturen und Spinzustände für die [Al-AcPheOMe]+/3+-Spezies zugeordnet werden. Die Untersuchung des [Al-AcPheOMe]+ Clusters zeigte einige interessante Ergebnisse. Es konnten zwei verschiedene Konformere beobachtet werden, die sich nur bezüglich der Orientierung ihrer Seitenkette unterscheiden. Zudem konnte gezeigt werden, dass sich die Konformation des Rückgrats von AcPheOMe bei der Anlagerung von Al+ von einer b- Faltblatt-analogen Anordnung zu einer helicalen Form ändert, so dass sich Aluminium an beide CO-Gruppen anlagern kann. Im Falle des dreifach geladenen Clusters konnte erstmalig eine kombinierte IR+UV-Photodissoziationsspektroskopie auf Kationen angewendet werden. Hierbei handelt es sich um eine Weiterentwicklung der nonresonant ionization detected IR spectroscopy (NID-IR), die für neutrale Spezies entwickelt wurde. Diese Methode ermöglicht es, auch für stark gebundene Cluster, eine schwingungssensitive Dissoziation zu erhalten. Auf diese Art konnte ein Isomer beobachtet werden, das sich vom einfach geladenen Cluster ableiten lässt. Im Vergleich zum gestreckten AcPheOMe-Monomer beobachtet man insbesondere beim [Al-AcPheOMe]3+ eine stark globulare Form, die das Aluminium über die CO-Gruppen und den Phenylring einschließt und somit der Ladungsstabilisierung dient. Weiterhin wurden weitere geschützte Aminosäuren auf ihr Aggregationsverhalten mit Aluminiumkationen untersucht. [Al-AcTyr(Me)OMe]+ konnte nachgewiesen und spektroskopisch untersucht werden. Analog zu den Untersuchungen von [Al-AcPheOMe]+ wurden UV- und IR-Photodissoziationsspektren aufgenommen. Um jedoch den Einfluss der größeren Seitenkette des Tyrosins im Vergleich zu der des Phenylalanins zu ermitteln, sind noch detaillierte theoretische Strukturanalysen notwendig. IR-Photodissoziationsspektroskopie wurde auch bei kationischen Clustern aus Aluminium und der geschützten aliphatischen Aminosäure Valin durchgeführt. Hierbei konnte ebenfalls über die Anregung im NH-Streckschwingungsbereich eine Dissoziation des Clusters induziert werden. Da bisher nur wenige Rechnungen zu diesen beiden Systemen vorliegen, konnten noch keine eindeutigen Strukturzuweisungen erfolgen. Allerdings ist die Tendenz zu einer helicalen Konformation des Peptidrückgrats zu erkennen. Diese Arbeit beschreibt die erstmalige Anwendung von IR-Photodissoziationsspektroskopie an anionischen Kobalt/Ligand-Aggregaten sowie die Entwicklung einer neuen Technik, um hochgeladene ionische Cluster infrarotspektroskopisch untersuchen zu können. Mit Hilfe von DFT-Rechnungen können darüber hinaus Strukturen zugeordnet und Aussagen über Spinzustände getroffen werden.
Mrázek et al. [14] proposed a unified approach to curve estimation which combines
localization and regularization. In this thesis we will use their approach to study
some asymptotic properties of local smoothers with regularization. In Particular, we
shall discuss the regularized local least squares (RLLS) estimate with correlated errors
(more precisely with stationary time series errors), and then based on this approach
we will discuss the case when the kernel function is dirac function and compare our
smoother with the spline smoother. Finally, we will do some simulation study.
Als Biosphärenstadt besitzt St. Ingbert große Zukunftschancen. In der Stadt St. Ingbert gibt es auf den verschiedenen Ebenen der städtebaulichen Planung bereits einige Ansätze, die als Grundlage für die Verwirkung der Stadtentwicklung und Freiraumplanung herangezogen werden können. Beispielsweise werden im Rahmen des städtebaulichen Entwicklungskonzepts der Mittelstadt St. Ingbert städtebauliche Forderungen berücksichtigt. Aber gleichzeitig stellen die ungewöhnlich hohe Bevölkerungsdichte und die Alterung der Bevölkerung eine Herausforderung für eine nachhaltige Entwicklung in der Zukunft dar. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand der Ist-Situation der Stadt St. Ingbert ein Masterplan für die Grün- und Freiräume erstellt. Durch eine Analyse und Bewertung der Ist-Situation wurden die Probleme und Defizite im Plangebiet aufgezeigt. Dadurch lassen sich Handlungserfordernisse und Entwicklungsmaßnahmen ableiten, um die vielfältigen Bedürfnisse der Bevölkerung bezüglich der Grün- und Freiräume zu befriedigen, wie z.B. Vernetzung der Grün- und Freiräume durch Einrichtung eines Wanderwegesystems, Aufwertung der Freiflächen mittels Umgestaltungs- und Sanierungsmaßnahmen für die planbezogenen öffentlichen Grünflächen usw. In der Vertiefungsphase sollten die Handlungsempfehlungen für ausgesuchte Elemente des geplanten Freiraumsystems als Leitprojekte erarbeitet werden, beispielsweise Umgestaltung der Verkehrsknotenpunkte am Wasserpark, Vergrößerung der Wasserflächen im Stadtpark, Gestaltung des kleinen Parks am Freibad sowie Aufbau von Holzstegen im Landschaftspark. Solche Leitprojekte haben auch weiterhin eine wesentliche Bedeutung für die gezielte Durchführung von Einzelmaßnahmen im öffentlichen, halböffentlichen und privaten Bereich. Durch eine verstärkte Grün- und Freiraumplanung lässt sich die Wohn- und Lebensqualität der Stadt zu verbessern und es kann ein Beitrag zur künftigen Gesamtentwicklung der Stadt geleistet werden. Durch Umsetzung von Leitprojekten sinkt das Risiko, dass durch kurzfristige Entscheidungen die Freiraumsituation der Stadt verschlechtert wird; gleichzeitig bietet sich die Chance, die Freiraumsituation zu verbessern. Die Ausarbeitung des „Masterplans: Grün und Gesundheit für die Biosphärenstadt St. Ingbert“ bietet die Chance, dass für St. Ingbert in Zukunft eine nachhaltige Entwicklung gewährleistet ist.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, ein elasto-plastisches Stoffmodell für teilgesättigte
bindige Böden zu entwickeln. Abweichend von den aus der Literatur bekannten Stoffmodellen
für teilgesättigte Böden werden Änderungen von Zustandgrößen unmittelbar erfassbar sein. Der
Einfluss der Zustandsgrößen Anfangsporenzahl, -sättigungsgrad, Temperatur,
Konsolidierverhältnis sowie des Spannungsniveaus auf das mechanische Verhalten eines
gängigen, ausgeprägt plastischen Tons wird untersucht.
Zur Ermittlung der relevanten Stoffparameter wird eine Reihe aufwändiger Versuche in einem
neu entwickelten Triaxialgerät durchgeführt. Dieses Triaxialgerät ist in der Lage, die für
teilgesättigte Böden charakteristische Saugspannung während des Versuchs sowohl zu messen
als auch zu regeln. Die in diesem Triaxialgerät durchgeführten Versuche dienen zur Ermittlung
des deviatorischen Versagenszustandes des Bodens.
Der Einfluss sämtlicher Zustandgrößen auf die Grenzfläche des Stoffmodells wird für den
vorliegenden Kaolinit mittels eines Separationsansatzes in einem einzigen Parameter
berücksichtigt. Die weiteren Parameter des Modells bleiben für alle Zustände konstant. Das
Verhalten im elastischen Bereich ist durch Funktionen für Kompressions- und Schubmodul
gesteuert, die von den Zustandsgrößen abhängen. Das volumetrische Verhalten erfasst eine
Kappenfunktion, die an die deviatorische Grenzfläche anschließt.
Das entwickelte Stoffmodell wird mittels der Schnittstelle UMAT in das FE-Programmsystem
ABAQUS implementiert. Die Validierung des Modells erfolgt anhand der Simulation
verschiedener Laborversuche. Abschließend wird eine geotechnische Problemstellung in Form
einer Flachgründung untersucht und die maximal aufnehmbare Spannung bei Aufsättigung durch
Beregnung des Bodens aufgezeigt.
This thesis is concerned with the modeling of the domain structure evolution in ferroelectric materials. Both a sharp interface model, in which the driving force on a domain wall is used to postulate an evolution law, and a continuum phase field model are treated in a thermodynamically consistent framework. Within the phase field model, a Ginzburg-Landau type evolution law for the spontaneous polarization is derived. Numerical simulations (FEM) show the influence of various kinds of defects on the domain wall mobility in comparison with experimental findings. A macroscopic material law derived from the phase field model is used to calculate polarization yield surfaces for multiaxial loading conditions.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss- Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert, sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen. Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird. Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007) sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien. Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich. Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden. Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet, wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen. Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen, dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.
Modellierung und Simulation von Retentionsbodenfiltern zur weitergehenden Mischwasserbehandlung
(2011)
Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung (RBF) können einen wichtigen Beitrag
zum Gewässerschutz leisten, indem sie Entlastungsabflüsse aus konventionellen Regenüberlaufbecken
reinigen. Die Filterdimensionierung erfolgt nach Stand der Technik vorwiegend durch die Beurteilung der
hydraulischen Flächenbelastung. Um die dazu notwendigen Daten zu erhalten, sind Niederschlag-Abfluss-
Berechnungen des Kanalnetzes erforderlich. Wird in Ergänzung die Einhaltung stofflicher Zielgrößen gefordert,
sind Schmutzfrachtberechnungen anzuwenden. Vor dem Hintergrund biochemischer, naturnaher Prozesse
in RBF erscheint es sinnvoller, die geeigneten Abmessungen des Filterbeckens vorwiegend anhand
der stofflichen Belastung und der entsprechenden Reinigungsleistung zu ermitteln.
Die vorliegende Arbeit soll einerseits einer Erweiterung des Kenntnisstandes über die Prozesse in RBF dienen.
Andererseits sollen vorhandene Prozessvorstellungen in Modellrechnungen überprüft werden. Eine
detaillierte Nachbildung von Laborversuchen erfolgt mittels eines biokinetischen Reaktionsmodells, welches
für Pflanzenkläranlagen entwickelt wurde. Der durch die Simulationsauswertung erweiterte Kenntnisstand
wird zur Weiterentwicklung eines vereinfachten Retentionsbodenfilter-Moduls für Schmutzfrachtsimulationen
verwendet. Am Ende soll ein Planungs- und Optimierungswerkzeug gewonnen werden, welches den derzeitigen
Wissensstand abbildet und der Ingenieurpraxis gerecht wird.
Die verwendete, ausgewertete Datengrundlage umfasste zunächst zwei mehrmonatige Messphasen am
RBF Saarbrücken-Ensheim (Dittmer, 2006), zugehörige Säulenversuche im Labormaßstab (Woźniak, 2007)
sowie die Ergebnisse eigener Versuche aus vorhergehenden Simulationsstudien. Während die eigenen Laboruntersuchungen
in der vorliegenden Arbeit ergänzt wurden, erfolgte die wesentliche Erweiterung der Datengrundlage
durch Vorlage von Messdaten aus einer zweijährigen Kampagne des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft
der Universität Kassel (Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen) am RBF Oberelsungen. Die Auswertung
dieser Rohdaten, der vergleichende Einschätzungen der beiden Filteranlagen und die geordnete Zusammenstellung
aller weiteren Untersuchungen bilden die wesentlichen Vorarbeiten der Simulationsstudien.
Als Ergebnis wird festgestellt, dass die beiden RBF sowohl untereinander als auch mit anderen Anlagen
vergleichbar sind. Dadurch ist eine Zusammenführung von Aspekten verschiedenen Ursprungs möglich.
Laborversuche sollten jedoch gesondert bewertet werden.
Vor Anwendung des biokinetischen Reaktionsmodells CW2D werden die Modellteile der Hydraulik, des Stofftransportes
und des Stoffrückhaltes getrennt betrachtet. In allen genannten Teilprozessen kann eine hohe
Annäherung an Messwerte erzielt werden - ein Exkurs zu stark abweichenden Filtersubstraten für Pflanzenkläranlagen
belegt die große Bandbreite des möglichen Modelleinsatzes. Die weitergehenden Prozesse des
Stoffumsatzes wurden zur Nachbildung einzelner Hochlastereignisse in Laborversuchen mit Säulen verwendet,
wobei ebenfalls eine Deckung mit der Datengrundlage erreicht werden kann. Eine langfristige Wiedergabe
der Filterleistung gelingt bisher jedoch nicht. Als Ursache wird vor allem die Beschreibung der Trockenphasen
herausgestellt. Mögliche Modellerweiterungen um Filtrationsprozesse organischer Partikel sowie
vorgeschlagene Änderungen des biokinetischen Reaktionsmodells könnten hierzu Abhilfe schaffen.
Die Weiterentwicklung eines RBF-Modells als Bestandteil der Schmutzfrachtmodellierung bezieht sich auf
die Kernparameter CSB und NH4-N und in Ergänzung auf NO3-N. Zur Vorbereitung stofflicher Prozessbeschreibungen
wird das hydraulische Modell optimiert. Bezüglich CSB erfordert die Wiedergabe der tatsächlichen
Reinigungsleistung eine Unterteilung in gelöste und partikuläre Bestandteile. Es wird nachgewiesen,
dass mittels konstanter, partikulärer Ablaufkonzentrationen sowie konstanter Wirkungsgrade für die gelösten
Anteile die Filterleistung abgebildet werden kann. Eine Verbesserung der Ergebnisse wird durch die Beachtung
von Trockenphaseneinflüssen erreicht. Bezüglich NH4-N wird der wesentliche Entwicklungsschritt mit
einer zweistufig linearen Sorptionsisotherme eingeführt. Das neue Stickstoffmodell wird – ergänzt um die
Berücksichtigung von Regenerationszeiten - in seiner Eignung belegt. In einer abschließenden Simulationsstudie
zur Optimierung des RBFs Oberelsungen wird aufgezeigt, dass sich aus hydraulischen und stofflichen
Kriterien unterschiedliche Dimensionierungen ableiten lassen.