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Es wird versucht, auch mithilfe der Analyse von Megatrends, die Entwicklungen im Nahen Osten vorherzusagen, die uns im besten oder schlimmsten Fall erwarten könnten, und Auskunft darüber gegeben, wer den Werdegang beeinflussen könnte und vor allem wie. (APuZ)

The ongoing urbanization process all around the globe is likely to increase transport-related negative externalities e.g., congestion, air pollution, climate change etc. The situation is severe in rapidly expanding cities where the demand for motorized transport is increasing. This has increased the pressure on the policy makers to devise policies to tackle the problem. Derived from the urbanization process, this thesis considers following objectives. 1. Investigation of the policy measures in a simulation framework a) to abate the transport negative externalities while considering the inter-relationship between different externalities and b) to achieve the politically motivated goals. 2. Development of a computationally efficient model to simulated heterogeneous traffic conditions. With the first objectives, the idea is to investigate the policy measures in the context of industrialized nations; this is addressed in the first part of the thesis. In a simulation environment, marginal social cost pricing allows to correct for the inefficiencies due to exclusion of external costs from behavioral decision making process and to derive real-world policy recommendations. The first part investigates and compares the effect of congestion pricing on emissions levels and the effect of emission pricing on congestion levels while considering heterogeneity in the individual attributes and choice behavior. Derived from the inter-relationship between the two externalities, a joint internalization of vehicular congestion and emissions is proposed. It is applied to a real-world scenario of the Munich metropolitan area in Germany. It is found that the joint internalization moves the car transport system towards the optimum, measured by a strong decrease of congestion and emission costs. In this context, it has been shown for analytical models considering more than one externality, that the correlation between the externalities needs to be taken into account. Typically, in order to avoid overpricing, this is performed by introducing correction factors which capture the correlation effect. However, the correlation structure between, say, emission and congestion externalities changes for every congested facility over time of day. Additionally, the possible efficiency gains highly depend on the implicit price elasticity of demand, which again, depends on the availability of substitutes to car travel. For the Munich case study, it is shown that the iterative calculation of prices based on cost estimates from the literature allows to identify the amplitude of the correlation between the two externalities under consideration. Further, at the disaggregated level, the results show that pricing emissions moves individuals to shorter distance routes, whereas pricing congestion pushes towards longer distance routes. That is, despite the correlation between the two externalities, isolated pricing strategies influence route choice behavior by tendency into opposite directions. In real-world politics, policy setting often follows so-called 'backcasting' approaches where predefined goals are set, and policy measures are implemented to reach those goals. The first part also presents an parametric approach to identify the gap between toll levels derived from environmental damage cost internalization and toll levels to achieve the political goal of 20% reduction in GHG emissions of transport sector until 2020 with respect to 1990 levels. For this purpose, the damage costs internalization is applied to the scenario of Munich metropolitan area again and shown that the desired reduction in CO2 emissions is not reached. Further application of the parametric internalization approach with damage cost estimates from the literature yields toll levels that are by a factor of 5 too low in order to reach the predefined goal. When aiming at emission costs reductions of 20%, the damage cost estimates are even by a factor of 10 too low. It is shown that the major contribution to the overall emission reduction stems from behavioral changes of (reverse) commuters rather than from urban travelers; under some circumstances, the latter even increase their CO2 emission levels. An economic assessment indicates that a toll equivalent to 5 times of the toll from the damage cost internalization approach increases the system welfare 6 times. The second part treats the second objective mainly in the context of the industrializing nations where mixed traffic conditions prevail. In such conditions, it becomes necessary to develop a heterogeneous traffic flow model to include all vehicle classes while keeping the model equally computationally efficient. In this direction, the second part proposes a fast Spatial Queue Model (SQM) to produce realistic flow dynamics by introducing backward traveling holes for mixed traffic conditions. In the proposed approach, the space freed by a leaving vehicle on the downstream end of the link is not available immediately to the following vehicle, rather depends on the speed of backward traveling holes. This results in triangular Fundamental Diagrams (FDs) for traffic flow such that the slope of the left branch is approximately equal to the minimum of the vehicle speed and link speed whereas the slope of the right branch is approximately equal to the speed of the backward traveling holes. With the help of FDs from the simulation of several vehicle classes, it is demonstrated that as the maximum speed of the vehicle class decreases, the density at which the maximum flow is achieved, increases and the maximum flow decreases. In a similar direction, the second part also introduces the seepage link dynamics to the SQM. The seepage is predominately common on the urban streets of most of the industrializing nations. In this model, due to higher maneuverability and smaller size, smaller vehicles (e.g., bicycle, motorbike) move continuously across the gaps between the stationary or almost stationary vehicles and come in front of the queue to leave prior to other queued vehicles. The FDs from simulation of equal modal split of car and bicycle show that the flow characteristics of bicycle is marginally affected by the presence of cars but on the contrary, the flow characteristics of the car is significantly affected by the presence of bicycles. Further, it has been shown that in a traffic stream, seepage is more effective for faster seep mode (e.g., motorbike) than slower seep mode (e.g., bicycle). Finally, in the second part, a comparison of the computational performances from the simulations using various traffic and link dynamics of the queue model is presented. An additional data structure to maintain the backward traveling holes, increases the average simulation time marginally for all three sample sizes (1%, 10%, 100%). However, the look up for seep mode on every link of the network is appeared to be resource intensive with respect to the other link dynamics of the queue model. The rate of increase in the average simulation time using the seepage link dynamics for different sample sizes is significantly higher than the rate of increase in the average simulation time of other link dynamics of the queue model. The third part integrates the two objectives and presents a real-world scenario of Patna, India with a goal of reduction in emissions externality towards sustainable transport. This part exhibits the steps for demand generation and calibration of the scenario. The urban demand is generated using the trip diaries whereas the external demand is generated using hourly trip counts. For the latter, Cadyts is extended to mixed traffic conditions. To include the diverse income effects in the behavioral decision making process of the individual, the individual income is included in the scoring function. The scenario is calibrated to evaluate the Alternative (mode) specific constants (ASCs) for different modes. The calibrated scenario is used for policy testing. Based on the traffic characteristics and composition, a bicycle superhighway is proposed along the existing railway line. An iterative process is proposed to identify the optimum locations of the connectors between bicycle superhighway and existing network. A whatif policy measure is considered in which motorbike is also allowed on the bicycle superhighway. Both policy measures increase the share of the bicycle significantly. To estimate the emissions for the two policy measures, the Emission Modeling Tool (EMT) is extended to mixed traffic conditions. It is shown that if only bicycle is allowed on the bicycle superhighway, significant reduction in emissions are observed in the inner city. However, as soon as the motorbike is also allowed on it, significant increase in the emissions are observed along the bicycle superhighway in the inner city of Patna which emphasizes the need of enforcements to stop motorbikes on the bicycle superhighway. With this, the third part demonstrates that significant reduction in emissions can be obtained in the situations where a pricing measure is difficult to implement. To summarize, this thesis focuses on the evaluation of policy measures in a simulation framework to extract the valuable information for the policy makers to tackle the problem of negative transport externality in the industrialized nations as well as industrializing nations. For the latter, this thesis also extends a computationally efficient traffic flow model to simulate the heterogeneous traffic conditions. Finally, with several case studies, the thesis shows the scope of devising policy recommendations based on the scenario specifications. ; Es ist anzunehmen, dass die aktuell stattfindende globale Urbanisierung negative externe Effekte des Verkehrssektors wie z.B. Stau, Luftverschmutzung sowie den Klimawandel verstärkt. Die Situation ist besonders schwerwiegend in aktuell stark wachsenden Städten, in denen auch die Verkehrsnachfrage steigt. Somit steigt der Druck auf politische Entscheidungsträger Maßnahmen zu ergreifen, um den genannten Problemen entgegenzuwirken. Ausgehend von diesem Spannungsfeld, verfolgt die vorliegende Dissertation folgende Ziele: 1. Die Untersuchung von Maßnahmen in einem Simulationsmodell a) zur Verringerung der negativen externen Effekte unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten der verschiedenen externen Effekte sowie b) zum Erreichen politisch motivierter Ziele. 2. Entwicklung eines laufzeiteffizienten Modells zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen. In Bezug auf das erste Ziel, werden zunächst Maßnahmen im Kontext industrialisierter Länder untersucht; dies stellt den ersten Teil der Dissertation dar. Hierfür wird ein Simulationsmodell verwendet, in welchem eine Bepreisung auf Basis marginaler sozialer Kosten eine Korrektur der Ineffizienzen, die aufgrund der Nichtberücksichtigung von externen Kosten in Entscheidungsprozessen entstehen, ermöglicht und somit die Ableitung von Maßnahmenempfehlungen erlaubt. In diesem ersten Teil der Dissertation wird die Auswirkung von Staubepreisung auf Emissionen sowie die Auswirkung von Emissionsbepreisung auf Stau untersucht und verglichen, wobei die Heterogenität in den Attributen der Individuen sowie in deren Entscheidungsverhalten in Betracht gezogen wird. Auf Basis der beiderseitigen Abhängigkeit zwischen den genannten externen Effekten, wird eine gleichzeitige Internalisierung von Stau- und Emissionseffekten vorgeschlagen. Diese Maßnahme wird in einem realistischen Simulationsszenario für die Metropolregion München angewendet. Es kann gezeigt werden, dass die vorgeschlagene gleichzeitige Internalisierung das Verkehrssystem des motorisierten Individualverkehrs in Richtung des Systemoptimums bewegt, was durch einen starken Rückgang in Stau- und Emissionskosten charakterisiert ist. In diesem Zusammenhang wurde für analytische Modelle, die mehr als einen externen Effekt betrachten, gezeigt, dass die Korrelation zwischen den externen Effekten berücksichtigt werden muss. Um eine Überbepreisung zu vermeiden, werden typischerweise Korrekturfaktoren verwendet, die den Korrelationseffekt aufgreifen. Die Korrelationsstruktur zwischen Emissions- und Stauexternalitäten ändert sich jedoch für jede bestaute Infrastruktur im Laufe des Tages. Weiterhin hängen mögliche Effizienzgewinne stark von der impliziten Preiselastizität der Nachfrage ab, welche wiederum von der Verfügbarkeit von Alternativen zur Fortbewegung mit dem Auto abhängt. Für das München-Szenario wird gezeigt, dass die iterative Berechnung von Preisen auf Basis von Kostenschätzungen aus der Literatur eine Bestimmung des Ausmaßes der Korrelation der beiden berücksichtigten externen Effekte erlaubt. In einer disaggregierten Betrachtung zeigen die Ergebnisse weiterhin, dass eine Emissionsbepreisung die Verkehrsteilnehmer dazu veranlasst kürzere Routen zu wählen, während eine Staubepreisung zur Wahl längerer Routen bewegt. Dies bedeutet, dass trotz der Korrelation beider externer Effekte, isolierte Bepreisungsstrategien das Routenwahlverhalten tendenziell in gegensätzliche Richtungen beeinflussen. In realer Politik basiert die Festlegung von Maßnahmen häufig auf sogenannten Backcasting-Ansätzen, bei denen im Voraus Ziele definiert und Maßnahmen in Kraft gesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Im ersten Teil der Dissertation wir ferner ein parametrischer Ansatz vorgestellt, mit dem der Unterschied zwischen der nötigen Mauthöhe zur Internalisierung der Umweltschadenskosten und der nötigen Mauthöhe zum Erreichen des politischen Ziels einer 20-prozentigen Reduktion von Treibhausgasemissionen (GHG) des Verkehrssektors bis 2020 gegenüber dem Niveau von 1990 ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke wir die Internalisierung der Schadenskosten abermals auf das Szenario für die Metropolregion München angewendet. Es wird gezeigt, dass die gewünschte Reduktion der CO2-Emissionen nicht erreicht wird. Eine weitere Anwendung des parametrischen Internalisierungsansatzes mit Schadenskostenschätzungen aus der Literatur führt zu Mauthöhen, die um einen Faktor 5 zu niedrig sind, um das gesetzte Ziel zu erreichen. Um Reduktionen der Emissionskosten von 20% zu erreichen, sind die Schadenskostenschätzungen sogar um einen Faktor 10 zu niedrig. Es wird gezeigt, dass der Hauptbeitrag zur Emissionsreduktion eher auf Verhaltensänderungen der Auspendler als auf jenen der innerstädtischen Verkehrsteilnehmer basiert; unter bestimmten Umständen erhöht sich sogar der CO2-Ausstoß der Letzteren. Eine ökonomische Untersuchung deutet darauf hin, dass eine Maut, die dem Fünffachen der Maut auf Basis der Schadenskosteninternalisierung entspricht zu einer sechsfachen Steigerung der Wohlfahrt im Gesamtsystem führt. Im zweiten Teil der Dissertation wird das zweite Ziel (Entwicklung eines laufzeiteffizienten Modells zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen) hauptsächlich im Kontext von Entwicklungsländern behandelt, in denen häufig heterogene Verkehrsverhältnisse vorherrschen. Diese Bedingungen erfordern die Entwicklung eines heterogenen Verkehrsflussmodells, um alle Fahrzeugklassen einschließen zu können, während die rechentechnische Effizienz des Modells erhalten bleibt. Daher wird im zweiten Teil der Dissertation ein schnelles Spatial Queue Model (SQM) vorgestellt, mit dem realistische Verkehrsflussdynamiken durch Berücksichtigung sich rückwärtsbewegender Lücken unter heterogenen Verkehrsbedingungen produziert werden. In diesem Ansatz steht der Raum, der frei wird, wenn sich ein Fahrzeug Richtung Ende der Netzwerkkante bewegt, nicht unmittelbar für nachfolgende Fahrzeuge zur Verfügung, sondern hängt vielmehr von der Geschwindigkeit der sich rückwärts bewegenden Lücken ab. Dies führt zu dreiecksförmigen Fundamentaldiagrammen Fundamentaldiagrammen (FDs) des Verkehrsflusses, sodass die Steigung des linken Asts näherungsweise gleich dem Minimum aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Netzwerkkantengeschwindigkeit ist, während die Steigung des rechten Asts näherungsweise gleich der Geschwindigkeit der sich rückwärts bewegenden Lücke ist. Mit Hilfe der FDs der Simulation verschiedener Fahrzeugklassen wird gezeigt, dass mit abnehmender Höchstgeschwindigkeit der Fahrzeugklasse die Dichte, bei der der höchste Verkehrsfluss erreicht wird, steigt und der maximale Verkehrsfluss sinkt. Mit einem ähnlichen Ziel werden im zweiten Teil der Disseration ferner sog. Seepage Link Dynamics in das SQM integriert. Seepage (Durchschlängeln) ist ein typisches Phänomen auf urbanen Straßen in den meisten Entwicklungsländern. Seepage beschriebt das Phänomen, dass sich kleinere Fahrzeuge wie bspw. Fahrräder oder Motorräder aufgrund ihrer höheren Manövrierbarkeit und ihrer geringeren Größe kontinuierlich durch die Lücken zwischen stehenden oder fast stehenden anderen Fahrzeugen bewegen und somit zum Ende der Warteschlange vorrücken und diese vor den anderen Fahrzeugen verlassen. Die FDs von Simulationen mit gleichem Modal Split von Autos und Fahrrädern zeigen, dass die Flusseigenschaften der Fahrräder nur marginal durch das Vorhandensein von Autos beeinflusst werden, während die Flusseigenschaften von Autos signifikant durch das Vorhandensein von Fahrrädern beeinflusst werden. Weiterhin wurde für einen Verkehrsstrom gezeigt, dass Seepage effizienter für schnellere Verkehrsmittel wie z.B. Motorräder ist als für langsamere. Schließlich wird im zweiten Teil der Dissertation ein Vergleich der rechentechnischen Performanz aus verschiedenen Simulationen, in denen die unterschiedlichen Verkehrs- und Kantendynamiken des Queue-Modells verwendet werden, gezogen. Die zusätzliche Datenstruktur zur Behandlung der sich rückwärts bewegenden Lücken erhöht die durchschnittliche Simulationszeit nur marginal in allen drei verwendeten Simulationssamples (1%, 10%, 100%). Die nötigen Zwischenspeicherung zur Berücksichtigung von sich durchschlängelnden Fahrzeugen auf den einzelnen Kanten (Seepage) hingegen stellt sich als ressourcenintensiv im Vergleich zu den sonstigen Kantendynamiken des Queue-Modells dar. Die Steigerungsrate der durchschnittlichen Simulationszeit bei Berücksichtigung von Seepage Link Dynamics ist signifikant höher als die Steigerungsraten der durchschnittlichen Simulationszeit der anderen Linkdynamiken des Queue-Modells. Im dritten Teil der Dissertation werden die beiden Ziele zusammengeführt und anhand eines realistischen Simulationsszenarios für Patna in Indien veranschaulicht mit dem Ziel externe Effekte durch Emissionen zu reduzieren und ein nachhaltiges Verkehrssystem zu erreichen. In diesem Teil der Dissertation werden die Schritte zur Generierung der Verkehrsnachfrage sowie zur Kalibrierung des Szenarios dargelegt. Die städtische Verkehrsnachfrage wird auf Basis von Reisetagebüchern erstellt, während der Pendlerverkehr auf Basis stündlicher Verkehrszählungen generiert wird. Für Zweiteres wird das Kalibrierungstool Calibration od dynamic traffic assignments (Cadyts) zur Berücksichtigung heterogener Verkehrsbedingungen angepasst. Um unterschiedliche Einkommenseffekte in den verhaltensbasierten Entscheidungsprozess der Verkehrsteilnehmer einzubeziehen, wird das individuelle Einkommen in die Bewertungsfunktion integriert. Das Szenario wird kalibriert, um die alternativenspezifische (verkehrsmittelspezifische) Konstante Alternative (mode) specific constants (ASCs) für verschiedenen Verkehrsmittel auszuwerten. Das kalibrierte Szenario wird zur Maßnahmenuntersuchung verwendet. Ausgehend von den Charakteristika des Verkehrsgeschehens und der Zusammensetzung der Verkehrsmittel, wird ein Fahrradschnellweg (Bicycle Superhighway) entlang einer existierenden Eisenbahnlinie vorgeschlagen. Ein iterativer Prozess wird verwendet, um die optimalen Orte für Verbindungen zwischen dem Fahrradschnellweg und der existierenden Infrastruktur zu bestimmen. Dies wird mit einem Alternativszenario, in dem auch Motorräder auf dem Fahrradschnellweg zugelassen sind, verglichen. Beide Maßnahmen tragen zu einer signifikanten Erhöhung des Fahrradanteils bei. Um die Emissionen unter beiden Maßnahmen abzuschätzen wird das Emission Modeling Tool (EMT) für heterogenen Verkehrsbedingungen erweitert. Es wird gezeigt, dass signifikante Reduktionen der Emissionen in der Innenstadt zu verzeichnen sind, falls Fahrräder als einziges Verkehrsmittel auf den Fahrradschnellwegen erlaubt sind. Sobald jedoch auch Motorräder auf dem Fahrradschnellweg zugelassen werden, ist ein signifikanter Anstieg der Emissionen entlang des Fahrradschnellwegen in der Innenstadt von Patna zu beobachten, was die Notwendigkeit solche Verkehrsmittel von Fahrradschnellwegen zu verbannen verdeutlicht. Hierdurch wird im dritten Teil der Dissertation gezeigt, dass signifikante Emissionsreduktionen auch unter Bedingungen, in denen die Umsetzung von Bepreisungsmaßnahmen schwierig ist, erreicht werden können. Zusammenfassend liegt der Schwerpunkt dieser Dissertation auf der Bewertung von Bepreisungsmaßnahmen mittels eines Simulationsmodells mit dem Ziel nützliche Informationen für Entscheidungsträger abzuleiten, die geeignet sind, um negativen externen Effekten des Verkehrs sowohl in Industrie- als auch Entwicklungsländern entgegenzuwirken. Für letztere wird in dieser Arbeit ein effizientes Verkehrsflussmodell zur Simulation heterogener Verkehrsbedingungen vorgestellt. Schließlich wird in mehreren Fallstudien das Spektrum möglicher Maßnahmen auf Basis verschiedener Szenarien gezeigt.

The current pressure on water resources is such, that water scarcity is now an important issue in regions with abundant water resources like the Tropics. These regions are characterized by high precipitation rates almost all year long. This results in a relatively large availability of water resources. However, these water resources are not always equally distributed in time or space, which causes periods and puts areas under water stress in tropical regions. Added to this is the challenge related to the access to these water resources, resulting in a reduced availability in general terms. Costa Rica is a clear example of a country in the Tropical regions, where water scarcity is, actually, on the top of the water agenda. Costa Rica is in the torrid tropical region in Central America, yet it experiences periods of shortage in its available water resources at the end of the dry season. This affects all water sectors, specially agriculture and drinking water supply systems. This situation has been magnified by global change, with a greater demand of resources from population growth, impermeabilization of recharge areas due to urbanization, and reduction of resources due to climate change. To adapt to the situation, it is necessary to conduct an evaluation of suitable water management tools for the country's environmental conditions in a systematic way. This work focuses on one of these tools: managed aquifer recharge (MAR) MAR techniques are a promising approach to address the defined problems, by storing the excess of available water resources during the rainy season in suitable aquifer systems for later use during the dry season. MAR techniques present certain advantages compared to surface storage: less losses through evaporation, less demand of superficial area, among others. In order to determine if MAR techniques are suitable for Costa Rica and will help overcome the temporary water scarcity challenge, three main topics at different scale are investigated. First, at a country scale, the search of suitable areas for specific MAR techniques within the country is carried out based on physical criteria. Second, at a research scale, it is reduced to a basin level. For this case, the assessment of a MAR project based on the first stage of the Australian MAR guidelines is done. This consists of a checklist of five critical elements, which constitutes the base for the assessment of a MAR project. Third, the research is taken into a laboratory scale, where the research focuses on an injection well in an unconfined aquifer system. For the first topic, suitable areas for the implementation of MAR technique spreading methods are identified in Costa Rica by conducting a geographical information science-multi-criteria decision analysis (GIS-MCDA) approach. This is based on four criteria: hydrogeological geoaptitude, terrain slope, top soil texture, and drainage network density. By carrying out a GIS-MCDA, the country is classified into suitable and unsuitable. Based on this method, 61 % of the country is suitable for spreading methods. Among the higher ranked suitable areas are the ones located in the northern and northwest regions. The ranking of the country based on spreading methods by means of a GIS-MCDA method is a first course of action to determine where further research is needed. In the second research level, the feasibility of a MAR project was assessed in the Machuca River basin. This river basin was chosen because: the drinking water supply systems (WSS) do not meet the actual demand, there is government interest to research new water supply alternatives and there is enough basic information on this water basin. To evaluate the feasibility of a MAR project in the basin, the first stage of the feasibility assessment proposed by the Australian MAR guidelines was performed. This consists of a checklist of five critical elements: 1) sufficient demand, 2) adequate recharge source, 3) suitable aquifer, 4) space to treat and, 5) human capability. For an easier analysis of the whole river basin, it was divided into five locations based on the superficial aquifer water levels. It was concluded that a MAR project seems viable in this river basin in the Coyolar and Orotina locations. Regarding the MAR technique to be applied in the MAR project at the Machuca River basin, two considerations were taken: the previously determined suitability and the local conditions. First, the entire Machuca River is ranked as suitable for surface infiltration (MAR spreading method) based on the results from the country scale analysis. The Coyolar and Orotina locations are ranked as having a moderate suitability (between 0.4-0.6). Second, the best material aquifer for recharge in these two locations are the fractured lavas and alluvium located under clay layers. For these two reasons (moderate spreading methods suitability and local conditions), it was decided that direct injection MAR techniques (aquifer storage and recovery – ASR) will be more appropriate for these two locations. At the laboratory research scale, the effect of the well screen length on the injection rate for an unconfined aquifer was corroborated under controlled laboratory conditions. This is one of the first experiments on the topic to the best of the author's knowledge. One of the main findings of the laboratory research is the almost neglectful effect on the injection rate for screen lengths above 80 % of the saturated thickness in an unconfined aquifer. The effect on the screen length is notable in the injection rate for open screen length under 80 % of the total aquifer thickness (95 % of the maximum achievable injection rate) and it increases for open screen lengths under 40 % (90 % of the maximum achievable injection rate). Based on the experimental results, it is recommended to use a screen length of 40 % of the saturated aquifer thickness for ASR wells and of 80 % for injection wells. This assessment shows that MAR techniques are suitable for Costa Rica's environmental conditions. Further on, the assessment at the basin level shows MAR techniques as a promising solution to overcome water scarcity issues. The laboratory scale aquifer-well interactions show promising results regarding the effect of the screen well in the injection rate. Still, more research is needed in this field regarding other aquifer types. Based on all these findings, MAR techniques are an appropriate tool for the integrated water management in the tropical regions. ; Der gegenwärtige Druck auf die Wasserressourcen ist so groß, dass Wasserknappheit sogar in den Tropen zum Thema wird. Diese Regionen sind von hohen Niederschlagsraten geprägt, was zu einer relativ großen Verfügbarkeit von Wasserressourcen führt. Diese sind jedoch nicht immer zeitlich und räumlich gleich verteilt, was temporären und/oder regionalen Wasserstress verursacht. Darüber hinaus hängt die Herausforderung auch mit dem Zugang zu diesen Wasserressourcen zusammen, was zu einer allgemein reduzierten Verfügbarkeit führt. Costa Rica ist ein Beispiel für ein tropisches Land, in dem Wasserknappheit in den letzten Jahren zunehmend an Relevanz gewonnen hat. Costa Rica leidet gegen Ende der Trockenzeit fast jedes Jahr an einem temporären Wassermangel. Dies betrifft alle Wassersektoren, insbesondere die Landwirtschaft und die Trinkwasserversorgung. Diese Situation wird durch den globalen Wandel verstärkt, mit einer größeren Nachfrage nach Ressourcen aufgrund von Bevölkerungswachstum, der Verhinderung von Grundwasserneubildung durch Urbanisierung und Versiegelung und, nicht zuletzt, den Klimawandel. Um sich an diese Situation anzupassen, ist es notwendig, eine systematische Evaluierung geeigneter Wasserbewirtschaftungsinstrumente für die Umweltbedingungen des Landes durchzuführen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf eines dieser Werkzeuge: Managed Aquifer Recharge (MAR). MAR-Techniken stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um die zuvor definierten Probleme anzugehen, indem die überschüssigen Wasserressourcen während der Regenzeit in geeigneten Grundwasserleitersystemen zur späteren Nutzung in der Trockenzeit gespeichert werden. MAR-Techniken bieten im Vergleich zur Oberflächenspeicherung gewisse Vorteile, unter anderem geringere Verdunstungsverluste und geringeren Raumbedarf. Um zu bestimmen, ob MAR-Techniken für Costa Rica geeignet sind und dabei helfen können, die zeitlichen Wasserknappheitsherausforderungen zu überwinden, wurden drei Hauptthemen in unterschiedlichen Skalen untersucht. Die Suche nach geeigneten Gebieten für spezifische MAR-Techniken im Land erfolgte zunächst auf der Grundlage von physikalischen Kriterien. Als Zweites wurde die Forschungsskala auf ein Beckenniveau reduziert. Für diesen Fall wurde die Bewertung eines MAR-Projekts auf der Grundlage der ersten Stufe der australischen MAR-Richtlinien durchgeführt. Diese basiert auf einer Checkliste mit fünf kritischen Elementen, welche die Grundlage für die Bewertung eines MAR-Projektes bilden. Zuletzt wurde die Untersuchung im Labormaßstab durchgeführt, wobei sich die Experimente auf Injektionsbohrlöcher in einem ungespannten Grundwasserleitersystem konzentrierten. Für das erste Thema wurden in Costa Rica geeignete Bereiche für die Implementierung von MAR-Technik-Verteilungsmethoden mithilfe eines GIS-basierten Multikriterien- Entscheidungsanalysen-Ansatzes (GIS-MCDA) identifiziert. Dieser basierte auf vier Kriterien: Hydrogeologie, Geländegefälle, oberste Bodentextur und Drainagenetzdichte. Durch die Realisierung eines GIS-MCDA wurde das Land in geeignete und ungeeignete Gebiete eingeteilt. Mit dieser Methode wurden 61 % des Landes als geeignet für die Beckeninfiltration befunden. Gut eingestufte Gebiete liegen hierbei größtenteils im Norden und im Nordwesten. Das Ranking-Verfahren des Landes mit Hilfe einer GIS-MCDA-Methode ist eine erste Vorgehensweise zur Bestimmung weiterer Forschungsgebiete. In der zweiten Forschungsstufe wurde die Machbarkeit eines MAR-Projekts im Machuca-Einzugsgebiet untersucht. Dieses Flussgebiet wurde aus folgenden Gründen gewählt: Die Trinkwasserversorgungsanlagen erfüllen die tatsächliche Nachfrage nicht, weshalb es auch im Interesse der Regierung liegt, nach Alternativen für die Wasserversorgung zu forschen. Darüber hinaus ist die Region geologisch gut erschlossen und die Informationsdichte ist ausreichend hoch. Um die Realisierbarkeit eines MAR-Projektes im Einzugsgebiet zu bewerten, wurde die erste Stufe der Machbarkeitsbewertung anhand der Checkliste an fünf kritischen Elementen durchgeführt: 1) ausreichende Nachfrage, 2) angemessene Wiederaufladungsquelle, 3) geeigneter Grundwasserleiter, 4) Raum für Maßnahmen und 5) Humanressourcen. Um die Analyse des gesamten Flusseinzugsgebietes zu vereinfachen, wurde es in fünf Bereiche eingeteilt, die auf den oberflächennahen Grundwasserständen basieren. Es wurde der Schluss gezogen, dass ein MAR-Projekt in diesem Flussgebiet an den Standorten Coyolar und Orotina nachhaltig erscheint. In Bezug auf die MAR-Technik, die in einem MAR-Projekt am Machuca-Flussbecken angewendet werden soll, wurden Überlegungen angestellt hinsichtlich der zuvor ermittelten Eignung und der örtlichen Gegebenheiten. Zunächst wurde der gesamte Machuca-Fluss aufgrund der Ergebnisse der Länderanalyse als geeignet für die Oberflächeninfiltration eingestuft. Die Coyolar- und Orotina-Standorte wurden mit einer moderaten Eignung eingestuft. Weiterhin wurde festgestellt, dass die für die Grundwasseranreicherung geeignetste Formation die Kies- und Bruchlavenlagen darstellen, die sich unter einer Tonschicht befinden. Aus diesen beiden Gründen (moderate Eignung für Beckeninfiltration, und lokale Hydrogeologie) wurde entschieden, dass MAR-Techniken mit direkter Injektion (Aquifer Storage and Recovery - ASR) für diese beiden Standorte geeigneter sind. In der kleinsten Untersuchungsskala wurde der Einfluss der Filterlänge auf die Injektionsrate für einen freien Grundwasserleiter unter kontrollierten Laborbedingungen bestätigt. Dies ist eines der ersten Experimente zu diesem Thema nach bestem Wissen des Autors. Eines der Hauptergebnisse der Laborforschung ist der fast vernachlässigbare Effekt auf die Injektionsrate bei Filterlängen von über 80 % der gesättigten Mächtigkeit in einem freien Grundwasserleiter. Die Wirkung auf die Filterlänge ist bei der Injektionsrate für offene Filterlängen unter 80 % der gesamten Grundwasserleiterhöhe (95 % der maximal erreichbaren Injektionsrate) und bei offenen Filterlängen unter 40 % (90 % der maximal erreichbaren Injektionsrate). Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird empfohlen, eine Filterlänge von 40 % der gesättigten Grundwasserleiterhöhe für ASR-Brunnen und 80 % für Injektionsbohrungen zu verwenden. Die vorliegende Bewertung zeigt, dass MAR-Techniken für die Umweltbedingungen in Costa Rica gut geeignet sind. Darüber hinaus demonstriert die Bewertung auf der Einzugsgebietsebene MAR als eine Lösung zur Überwindung von Wasserknappheitsproblemen. Die Grundwasserleiter-Brunnen-Interaktionen im Labormaßstab zeigen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Wirkung der Filterlänge auf die Injektionsrate. Dennoch ist auf diesem Gebiet mehr Forschung in Bezug auf andere Aquifertypen erforderlich. Basierend auf all diesen Erkenntnissen sind MAR-Techniken ein geeignetes Werkzeug für das integrierte Wassermanagement in der tropischen Umwelt. ; La presión actual sobre los recursos hídricos es tal, que la escasez de agua es ahora un problema importante en áreas con abundantes recursos hídricos como las regiones tropicales. Estas regiones se caracterizan por altas tasas de precipitación casi durante todo el año. Esto da como resultado una disponibilidad relativamente grande de recursos hídricos. Sin embargo, estos recursos hídricos no siempre se distribuyen equitativamente en el tiempo y el espacio, lo que causa períodos y pone áreas bajo estrés hídrico en las regiones tropicales. Además de esto, el desafío también está relacionado con el acceso a estos recursos hídricos, lo que crea una disponibilidad reducida en términos generales. Costa Rica es un claro ejemplo de un país en las regiones tropicales, donde la escasez de agua se encuentra en lo más alto de la agenda del agua. Costa Rica está situada en la región tropical tórrida de América Central, sin embargo, experimenta períodos de escasez en sus recursos hídricos disponibles al final de la estación seca. Esto afecta a todos los sectores de agua, especialmente a la agricultura y a los sistemas de suministro de agua potable. Esta situación ha sido magnificada por el cambio global, con una mayor demanda de recursos por el crecimiento de la población, la impermeabilización de las áreas de recarga por la urbanización y la reducción de recursos debido al cambio climático. Para adaptarse a esta situación, es necesario llevar a cabo una evaluación sistemática de las herramientas de gestión del agua adecuadas para las condiciones ambientales del país. Este trabajo se centra en una de estas herramientas: la gestión de la recarga acuíferos gestionados (MAR). Las técnicas de MAR son un enfoque prometedor para abordar los problemas previamente definidos, almacenando el exceso de recursos hídricos disponibles durante la estación lluviosa en sistemas acuíferos adecuados para su uso posterior en la estación seca. Las técnicas de MAR presentan ciertas ventajas en comparación con el almacenamiento en superficie: menos pérdidas por evaporación y menor demanda de área superficial, entre otras. Con el fin de determinar si las técnicas de MAR son adecuadas para Costa Rica y ayudarán a superar los desafíos temporales de escasez de agua, se investigaron tres temas principales a diferentes escalas. Primero, en una escala de país, la búsqueda de áreas adecuadas para técnicas específicas de MAR en el país se realizó con base en criterios físicos. En segundo lugar, la escala de investigación se reduce a un nivel de cuenca. Para este caso, se realizó la evaluación de un proyecto de MAR basado en la primera etapa de las directrices australianas de MAR. Esta consiste en una lista de verificación de cinco elementos críticos, que constituye la base para la evaluación de un proyecto MAR. En tercer lugar, la investigación se lleva a escala de laboratorio, donde la investigación se centra en los pozos de inyección en un sistema acuífero no confinado. Para el primer tema, las áreas adecuadas para la implementación de los métodos de infiltración de la MAR se identifican en Costa Rica mediante un enfoque de ciencia la información geográfica y análisis de decisión multicriterio (SIG-MCDA). Esto se basa en cuatro criterios: geoaptitud hidrogeológica, pendiente del terreno, textura del suelo superior y densidad de la red de drenaje. Al realizar un GIS-MCDA, el país se clasifica en áreas adecuadas e inadecuadas. Con base en este método, el 61 % del país se consideró adecuado para métodos de infiltración. Las áreas adecuadas mejor clasificadas se encuentran en las regiones del norte y noroeste del país. La clasificación del país según el potencial de los métodos de infiltración por medio de un método GIS-MCDA es un primer curso de acción para determinar otras áreas de investigación. En el segundo nivel de investigación, se evaluó la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca. Esta cuenca hidrográfica se eligió porque: los sistemas de suministro de agua potable no satisfacen la demanda real, existe un interés del gobierno en buscar nuevas alternativas de suministro de agua y hay suficiente información básica en esta cuenca hidrográfica. Para evaluar la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca, la primera etapa de la evaluación se realizó sobre la base de la lista de cinco elementos críticos: 1) demanda suficiente, 2) fuente de recarga adecuada, 3) acuífero adecuado, 4) espacio para tratar el agua y, 5) la capacidad humana. Para facilitar el análisis de toda la cuenca del río, se dividió en cinco localidades en función de los niveles de agua superficiales del acuífero. Se concluyó que un proyecto MAR parece viable en esta cuenca en las localidades Coyolar y Orotina. Con respecto a la técnica de MAR que se aplicará en un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca, se tomaron dos consideraciones: la idoneidad previamente determinada y las condiciones locales. En primer lugar, todo el río Machuca se clasifica como adecuado para la infiltración superficial (método de infiltración MAR) en función de los resultados del análisis a escala de país. Las localidades Coyolar y Orotina se clasifican con una idoneidad moderada. En segundo lugar, el mejor material acuífero para la recarga en estos dos lugares son las fracturas lavas y aluviones ubicados bajo capas de arcilla. Se decidió que las técnicas de inyección directa MAR (almacenamiento y recuperación - ASR) serán más apropiadas para estas dos ubicaciones por estas dos razones (idoneidad de los métodos de propagación moderada y condiciones locales). En la escala de investigación más pequeña, el efecto de la longitud de la pantalla del pozo sobre la tasa de inyección para un acuífero no confinado se corroboró bajo condiciones de laboratorio controladas. Este es uno de los primeros experimentos sobre el tema según el mejor conocimiento del autor. Uno de los principales hallazgos de la investigación de laboratorio es el efecto casi nulo en la tasa de inyección para longitudes de pantalla superiores al 80 % del espesor saturado en un acuífero no confinado. El efecto en la longitud de la pantalla es apreciable en la velocidad de inyección para pantalla abierta inferior al 80 % del espesor total del acuífero (95 % de la máxima velocidad de inyección alcanzable) y aumenta para longitudes de pantalla abierta por debajo del 40 % (90 % de la máxima tasa de inyección alcanzable). En base a los resultados experimentales, se recomienda utilizar una longitud de malla del 40 % del espesor del acuífero saturado para los pozos ASR y del 80 % para los pozos de inyección. La presente evaluación muestra que las técnicas de MAR son adecuadas para las condiciones ambientales de Costa Rica. Más allá, la evaluación a nivel de cuenca muestra las técnicas de MAR como una solución para superar los problemas de escasez de agua. Las interacciones entre acuíferos y pozos a escala de laboratorio muestran resultados prometedores con respecto al efecto de la pantalla en la velocidad de inyección. Aun así, se necesita más investigación en este campo con respecto a otros tipos de acuíferos. Con base en todos estos hallazgos, las técnicas de MAR son una herramienta apropiada para la gestión integrada del agua en las regiones tropicales.