Asbestos Fibers in Type B Asphaltic Concrete Surface Course, MLR-67-1, 1968

The Standard Specifications for this project included requirements for placing two 500 foot test sections of Type B asphaltic concrete with 1-1/2 per cent asbestos fibres (mix size 3/8 inch, lift thickness 3/4 inch) as part of the regular construction of the surface course. These requirements were designed to provide asbestos modified mixtures for laboratory analysis and road performance evaluation. This report provides the preliminary results and analysis of test data obtained from tests on the mixtures placed on the roadway. Previous research by G. S. Zuelke (1) and J. H. Kestzman et al (2) indicated that asphaltic concrete mixtures modified with asbestos fibres improved stability, decreased permeability, and allowed the use of higher bitumen contents. This study indicated that the addition of asbestos fibres would permit the use of higher bitumen contents, theoretically improving durability, without adverse results. An indication was also obtained to the effect that asbestos mixtures were more difficult to compact in the field.

Skid Resistance of the Secondary Road System in Iowa, MLR-77-1, 1977

The Iowa Department of Transportation has been conducting skid resistance tests on the paved secondary system on a routine basis since 1973. This report summarizes the data obtained through 1976 on 10,101 miles in 95 of the 99 counties in Iowa. A summary of the skid resistance on the secondary system is presented by pavement type and age. The data indicates that the overall skid resistance on this road system is excellent. Higher traffic roads (over 1000 vehicles per day) have a lower skid resistance than the average of the secondary roads for the same age and pavement type. The use of non-polishing aggregates in asphaltic concrete paving surface courses and transverse grooving of portland cement concrete paving on high traffic roads is recommended. The routine resurvey of skid resistance on the secondary road system on a 5-year interval is probably not economically justified and could be extended to a 10-year interval.

Surface Improvement and Dust Palliation of Unpaved Secondary Roads and Streets, HR-151, 1973

As of December 31, 1970 there were 57,270 miles of Local Secondary roads and 32,958 miles of Farm to Market roads in the Iowa secondary road system. The Local Secondary system carried a traffic load of 2,714,180 daily vehicle miles, accounting for 32% of all traffic in the secondary system. For all Local Secondary roads having some form of surfacing, 98% were surfaced with gravel or crushed stone. During the 1970 construction year 335 miles of surfaced roads were constructed in the Local Secondary system with 78% being surfaced with gravel or crushed stone. The total maintenance expenditure for all secondary roads in Iowa during 1970 amounted to $40,086,091. Of this, 42%, or $17,020,332, was spent for aggregate replacement on existing gravel or crushed stone roads with an additional 31% ($12,604,456) being spent on maintenance other than resurfacing. This amounts to 73% of the total maintenance budget and are the largest two maintenance expenditure items out of a list of 10 ranging from bridges to drainage assessments. The next largest item was 7%, for maintenance of existing flexible bases. Three concurrent phases of study were included in this project: (1) laboratory screenings studies of various additives thought to have potential for long-lasting dust palliation, soil additive strength, durability, and additive retention potential; (2) test road construction using those additives that indicated promise for performance-serviceability usage; and (3) observations and tests of constructed sections for evaluation of the additive's contribution to performance and serviceability as well as the relationship to initial costs.

Surface Improvement and Dust Palliation of Unpaved Secondary Roads and Streets, Progress Report, HR-151, 1971

A combined study of dust control and low-cost surface improvements of soil and aggregate materials for immediate (and intermediate) use as a treated surface course is being conducted in three concurrent phases: (1) laboratory screening of various additives thought to have potential for long-lasting dust palliation, soil-additive strength, durability, and additive retention potential; (2) test road construction, using those additives from the screening studies that indicate promise for performance and serviceability; and (3) observation and tests of constructed sections for evaluation of the additive's contribution to performance and serviceability as well as relationship to initial costs. A brief review is presented of the problem, some methods of measuring it, previously adopted approaches to it, project field tests and a portion of the results thus far, and portions of the laboratory work accomplished in the screening studies.

Investigation of the Lane-Wells Road Logger, HR-113, 1966

The Lane-Wells Road Logger was utilized primarily to determine the feasibility of employing such a device for moisture and density control in Iowa highway construction. A secondary objective was the use of the Road Logger to obtain information concerning moisture content and density during and after construction. Correlation studies with conventional test results required a small portion of the lease period. Practically all phases of construction and most materials utilized in base and surface courses were surveyed. Results of this study were good, in general, with the Road Logger indicating dry density slightly higher and the moisture content slightly lower than conventional results in most instances. Economic feasibility seemed to pose the greatest problem for the acceptance of the Road Logger as a standard compaction control device. It would appear from the findings of this study that probably only large projects, or several smaller contracts tested simultaneously, could justify the expense of the Logger. A total of about 128 miles were surveyed with the Logger during the lease period. Approximately 16 days of downtime due to minor breakdowns were recorded. Inclement weather forcing construction delays resulted in several idle days in which the Logger's full capabilities were not realized.

Road Profile Adjustment Computer Program, HR-143, 1969

A computer program to adjust roadway profiles has been developed to serve as an aid to the county engineers of the State of Iowa. Many hours are spent reducing field notes and calculating adjusted roadway profiles to prepare an existing roadway for paving that will produce a high quality ride and be as maintenance free as possible. Since the computer is very well adapted to performing long tedious tasks; programming this work for a computer would result in freeing the engineer of these tasks. Freed from manual calculations, the engineer is able to spend more time in solving engineering problems. The type of roadway that this computer program is designed to adjust is a road that at sometime. in its history was graded to a finished subgrade. After a period of time, this road is to receive a finished paved surface. The problem then arises whether to bring the existing roadway up to the de signed grade or to make profile adjustments and comprise between the existing and the design profiles. In order to achieve the latter condition using this program, the engineer needs to give the computer only a minimum amount of information.

Iowa DOT Evaluation of the PASCO Road Survey System, HR-539, 1987

The report compares and contrasts the automated PASCO method of pavement evaluation to the manual procedures used by the Iowa Department of Transportation (DOT) to evaluate pavement condition. Iowa DOT's use of IJK and BPR roadmeters and manual crack and patch surveys are compared to PASCO's use of 35-mm photography, artificial lighting and hairline projection, tracking wheels and lasers to measure ride, cracking and patching, rut depths, and roughness. The Iowa DOT method provides a Present Serviceability Index (PSI) value and PASCO provides a Maintenance Control Index (MCI). Seven sections of Interstate Highway, county roads and city streets, and one shoulder section were tested with different speeds of data collection, surface types and textures, and stop and start conditions. High correlation of results between the two methods in the measurement of roughness (0.93 for the tracking wheel and 0.84 for the laser method) were recorded. Rut depth correlations of 0.61 and cracking of 0.32 are attributed to PASCO's more comprehensive measurement techniques. A cost analysis of the data provided by both systems indicates that PASCO is capable of providing a comparable result with improved accuracy at a cost of $125-$150 or less per two-lane mile depending on survey mileage. Improved data collection speed, accuracy, and reliability, and a visible record of pavement condition for comparable costs are available. The PASCO system's ability to provide the data required in the Highway Pavement Distress Identification Manual, the Pavement Condition Rating Guide, and the Strategic Highway Research Program Long Term Pavement Performance (LTPP) Studies, is also outlined in the report.

Evaluation of the PAVEDEX Road Survey System in Iowa, HR-547, 1990

The Iowa Department of Transportation (DOT) evaluated the PAS I Road Survey System from PAVEDEX, Inc. of Spokane, Washington. This system uses video photograph to identify and quantify pavement cracking and patching distresses. Comparisons were made to procedures currently used in the State. Interstate highway, county roads and city streets, and two shoulder sections were evaluated. Variables included travel speeds, surface type and texture, and traffic control conditions. Repeatability and distress identification were excellent on rigid pavements. Differences in distress identification and the effect of surface textures in the flexible test sections limited the repeatability and correlation of data to that of the Iowa DOT method. Cost data indicates that PAVEDEX is capable of providing comparable results with improved accuracy at a reasonable cost, but in excess of that experienced currently by the Iowa DOT. PAVEDEX is capable of providing network level pavement condition data at highway speeds and analysis of the data to identify 1/8-inch cracks at approximately 2-3 lane miles per hour with manual evaluation. Photo-logging capability is also included in the unit.

Demonstration Project using Railroad Flatcars for Low-Volume Road Bridges, TR-444, 2003

The use of Railroad Flatcars (RRFCs) as the superstructure on low-volume county bridges has been investigated in a research project conducted by the Bridge Engineering Center at Iowa State University. These bridges enable county engineers to replace old, inadequate county bridge superstructures for less than half the cost and in a shorter construction time than required for a conventional bridge. To illustrate their constructability, adequacy, and economy, two RRFC demonstration bridges were designed, constructed, and tested: one in Buchanan County and the other in Winnebago County. The Buchanan County Bridge was constructed as a single span with 56-ft-long flatcars supported at their ends by new, concrete abutments. The use of concrete in the substructure allowed for an integral abutment at one end of the bridge with an expansion joint at the other end. Reinforced concrete beams (serving as longitudinal connections between the three adjacent flatcars) were installed to distribute live loads among the RRFCs. Guardrails and an asphalt milling driving surface completed the bridge. The Winnebago County Bridge was constructed using 89-ft-long flatcars. Preliminary calculations determined that they were not adequate to span 89 ft as a simple span. Therefore, the flatcars were supported by new, steel-capped piers and abutments at the RRFCs' bolsters and ends, resulting in a 66-ft main span and two 10-ft end spans. Due to the RRFC geometry, the longitudinal connections between adjacent RRFCs were inadequate to support significant loads; therefore, transverse, recycled timber planks were utilized to effectively distribute live loads to all three RRFCs. A gravel driving surface was placed on top of the timber planks, and a guardrail system was installed to complete the bridge. Bridge behavior predicted by grillage models for each bridge was validated by strain and deflection data from field tests; it was found that the engineered RRFC bridges have live load stresses significantly below the AASHTO Bridge Design Specification limits. To assist in future RRFC bridge projects, RRFC selection criteria were established for visual inspection and selection of structurally adequate RRFCs. In addition, design recommendations have been developed to simplify live load distribution calculations for the design of the bridges. Based on the results of this research, it has been determined that through proper RRFC selection, construction, and engineering, RRFC bridges are a viable, economic replacement system for low-volume road bridges.

Evaluation of Dowel Bar Retrofits for Local Road Pavements, TR-520, 2008

As truck traffic on Iowa secondary roads has increased, engineers have moved to concrete pavements of greater depths. Early designs included thickened edge pavements and depths of seven inches or greater. The designs typically did not have load transfer devices installed in the transverse joints and relied on aggregate interlock for this purpose. In some cases, aggregate interlock was not adequate to deal with the soils and traffic conditions and faulting of the joints has begun to appear. Engineers are now faced with the need to install or retrofit load transfer in the joints to preserve the pavements. Questions associated with this decision range from the type of dowel material to dowel diameter, spacing, number of bars, placement method, and construction techniques to be used to assure reduction or elimination of faulting. Buena Vista County constructed a dowel bar retrofit project on one mile of road. The plan called for addition of the dowels (2, 3, or 4) in the outer wheel path only and surface grinding in lieu of asphalt overlay. The project included the application of elliptical- and round-shaped dowels in a rehabilitation project. Dowel material types included conventional epoxy-coated steel and fiber-reinforced polymer (FRP). This work involved the determination of relative costs in materials to be used in this type of work and performance of FRP and elliptical-shaped steel dowels in the retrofit work. The results indicate good performance from each of the bar configurations and use the results of ride and deflection testing over the research period to project the benefits that can be gained from each configuration vs. the anticipated construction costs. The reader is cautioned that this project could not relate the number of dowels required to the level of anticipated truck traffic for other roads that might be considered.

Low-Cost Rural Surface Alternatives: Demonstration Project, TR-664, 2015

The goals of this project were to implement several stabilization methods for preventing or mitigating freeze-thaw damage to granular surfaced roads and identify the most effective and economical methods for the soil and climate conditions of Iowa. Several methods and technologies identified as potentially suitable for Iowa were selected from an extensive analysis of existing literature provided with Iowa Highway Research Board (IHRB) Project TR-632. Using the selected methods, demonstration sections were constructed in Hamilton County on a heavily traveled two-mile section of granular surfaced road that required frequent maintenance during previous thawing periods. Construction procedures and costs of the demonstration sections were documented, and subsequent maintenance requirements were tabulated through two seasonal freeze-thaw periods. Extensive laboratory and field tests were performed prior to construction, as well as before and after the two seasonal freeze-thaw periods, to monitor the performance of the demonstration sections. A weather station was installed at the project site and temperature sensors were embedded in the subgrade to monitor ground temperatures up to a depth of 5 ft and determine the duration and depths of ground freezing and thawing. An economic analysis was performed using the documented construction and maintenance costs, and the estimated cumulative costs per square yard were projected over a 20-year timeframe to determine break-even periods relative to the cost of continuing current maintenance practices. Overall, the sections with biaxial geogrid or macadam base courses had the best observed freeze-thaw performance in this study. These two stabilization methods have larger initial costs and longer break-even periods than aggregate columns, but counties should also weigh the benefits of improved ride quality and savings that these solutions can provide as excellent foundations for future paving or surface upgrades.

Ammonium Phosphate/Fly Ash Road Base Construction, HR-294, Construction Report, 1987

The objective of this research project was to evaluate the construction and service performance of ammonium phosphate/fly ash (APFA) treated base courses of crushed fines and/or unprocessed sand. Specific test results related to construction of the test sections were included in the 1987 construction report by Iowa State University. The performance of the experimental sections is dealt with in this final report. This 1986 project demonstrated that in all cases the control sections utilizing a Type B base experienced dramatically less cracking in the surface than the APFA treated base sections. The cost per mix and subsequent surface maintenance costs for the APFA base sections, especially those having a substantial amount of limestone, were higher than the Type B base control sections. This type of construction may prove to be economical only when petroleum product costs escalate.

Surface Properties and Catalytic Activity of Manganese Ferrospinels

In recent years considerable advances have been achieved in the study of the surface structure and mechanism of action of environmentally benign heterogeneous catalysts. The study entitled as surface properties and catalytic activity of manganese ferrospinels. In the present study we have prepared manganese ferrospinels of general formula Mn(1-x)BxFe2O4 via low temperature controlled co-precipation method. The study employed low temperature co-precipitation method for the preparation ofMn(1-x)BxFe2O4 specimens, where B is a metal cation such as Cr,Co, Ni,Cu and Zn. The catalytic activities of the systems were investigated for liquid-phase benzoylation of aromatic compounds and phenol hydroxylation and for vapour-phase reactions such as aniline alkylation, phenol methylation and ODH of ethylbenzene. The different series of manganese ferrites are proved to be excellent catalysts for various industrially important reactions such as Friedel-crafts benzoylation of aromatic compounds, methylation of aniline and phenol, hydroxylation of phenol and oxidative dehydrogenation of ethylbenzene. Due to the tightening of the environmental regulations, production of diphenols from phenol hydroxylation and reduction of phenolic pollutants in waste waters using these catalysts can be a promising approach because it demands only simple techniques and produce little environmental pollution.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

How many facets are needed to represent the surface energy balance of an urban area?

We investigate the question of how many facets are needed to represent the energy balance of an urban area by developing simplified 3-, 2- and 1-facet versions of a 4-facet energy balance model of two-dimensional streets and buildings. The 3-facet model simplifies the 4-facet model by averaging over the canyon orientation, which results in similar net shortwave and longwave balances for both wall facets, but maintains the asymmetry in the heat fluxes within the street canyon. For the 2-facet model, on the assumption that the wall and road temperatures are equal, the road and wall facets can be combined mathematically into a single street-canyon facet with effective values of the heat transfer coefficient, albedo, emissivity and thermodynamic properties, without further approximation. The 1-facet model requires the additional assumption that the roof temperature is also equal to the road and wall temperatures. Idealised simulations show that the geometry and material properties of the walls and road lead to a large heat capacity of the combined street canyon, whereas the roof behaves like a flat surface with low heat capacity. This means that the magnitude of the diurnal temperature variation of the street-canyon facets are broadly similar and much smaller than the diurnal temperature variation of the roof facets. Consequently, the approximation that the street-canyon facets have similar temperatures is sound, and the road and walls can be combined into a single facet. The roof behaves very differently and a separate roof facet is required. Consequently, the 2-facet model performs similarly to the 4-facet model, while the 1-facet model does not. The models are compared with previously published observations collected in Mexico City. Although the 3- and 2-facet models perform better than the 1-facet model, the present models are unable to represent the phase of the sensible heat flux. This result is consistent with previous model comparisons, and we argue that this feature of the data cannot be produced by a single column model. We conclude that a 2-facet model is necessary, and for numerical weather prediction sufficient, to model an urban surface, and that this conclusion is robust and therefore applicable to more general geometries.