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Vorlesung Hydrologie I
Fred F. Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert)Übung: Maik Heistermann
Do 8.15-9.45Haus 12
SS 2014
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Das gesamte Modul umfasst 9 LP:
- VL/Ü Hydrologie - Mittelseminar Hydrologie - VL/Ü Gewässerhydraulik
Modulprüfung ist eine Klausur zur Hydrologie. Teilnahmevoraussetzung dafür sind die Hausaufgaben in Gewässerhydraulik.
Teilnahmevoraussetzungen: keine
Modulbeschreibung für die Hydrologie http://www.geo.uni-potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_2014-03.pdf
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Inhalts- und Terminübersicht
1. VL 10.04.14 Einführung2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf3. VL 24.04.14 Strahlung
(1.5.14 Feiertag)
4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs5. VL 15.05.14 Niederschlag I6. VL 22.05.14 Niederschlag II
(29.05.14 Feiertag)
7. VL 05.06.14 Verdunstung
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Inhalts- und Terminübersicht
8. VL 12.06.14 Versickerung9. VL 19.06.14 Infiltration10. VL 26.06.14 Abfluss I11. VL 03.07.14 Abfluss II12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II
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• Geschichte der Hydrologie• Definition von Hydrologie und
Wasserwirtschaft• Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung• Beispiele
Gliederung Vorlesung I
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„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser.Aus Wasser ist allesund ins Wasser kehrt alles zurück“
(Thales von Milet, 600 v. Chr.)
„panta rhei“ (griechisch πάντα ῥεῖ, „Alles fließt“)-> Heraklit, ~520 v. Chr
Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
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Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
• Starke Verankerung in Religionen (Sintflut, Taufe, rituelle Waschungen)
• Fast alle frühen Hochkulturen entstanden an Flüssen oder in Flussdeltas
• Schon früh Probleme mit Wasserextremen, Versalzung, Erosion etc.
Nilometer auf der Insel Roda in Kairohttp://de.wikipedia.org/wiki/Nilometer
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Jahr v. Chr. kg/ha Gesamtertrag Verhältnis Weizen/Gerste
3500 unbekannt 1:12400 2400 1:62100 1000 1:501700 700 nur Gerste
Getreideanbau in Mesopotamien Bewässerung / Versalzung(Gerste ist salztoleranter als Weizen)
Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Wassernutzung
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Z.B. Rom:Auf lange Strecken wurden Druckleitungen vermieden (nur Gefälle - Aquädukte), auf kurzen Strecken gab es aber ein Druckleitungsnetz
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roman_aqueduct_Tarragona.jpg
Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
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Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
• 1674: Erste Abflussmessungen an der Seine durch Perrault und Edmé
• 1452-1519: Leonardo Da Vinci (verschiedene Studien zur Hydraulik)
• 1510-1590: Bernard Palissy (artesische Brunnen)
• 1611-1680: Pierre Perrault „De l‘orgines des fonaines“
• 18. Jahrhundert: Weiterentwicklungen in der Regen- und in der Abflussmessung
• 1717: erste Abflussmessungen in Deutschland
• Dalton (1766-1844): erste Wasserhaushaltsberechnungen und Definition des Verdunstungsgesetzes
• Darcy-Gesetz (-> Henry Darcy): Gesetzmäßigkeit der Strömungsmechanik
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In Deutschland war der Begriff Hydrologie bis in die 1960er Jahre nicht klar definiert. Impuls kam 1963 aus dem Ausland -> „internationale Hydrologische Dekade“ (IHD) der UNESCO (1965 bis 1974). Hydrologie war laut DFG (Deutschen Forschungsgemeinschaft ) im Vergleich zu anderen Ländern in Deutschland völlig rückständig und bedarf für eine Mitarbeit in internationalen Rahmen besonderer Förderung.In den späten 1970er Jahren Studiengang Physische Geographie mit Vertiefung und Abschluss in Hydrologie an der Universität Freiburg ins Leben gerufen. Am 23. September 2011 fand in Koblenz die Gründungs- und erste Mitgliederversammlung der Deutschen Hydrologischen Gesellschaft (DHydroG) statt.
Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
DIN 4049:
Hydrologie: Wissenschaft vom Wasser, seinen Eigenschaften und seinen Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche
Wasserwirtschaft: Zielbewußte Ordnung aller menschlichen Einwirkungen auf das ober- und unterirdische Wasser
Wasserkreislauf: Ständige Folge der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers mit den HauptkomponentenNiederschlag, Abfluß, Verdunstung und atmosphärischerWassertransport
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
Aufgaben der Wasserwirtschaft:1. Bewässerung der Landwirtschaft2. Wasserversorgung (Trinkwasser, Brauchwasser)3. Abwasserbehandlung4. Flussregulierung (Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung,
Renaturierung)5. Melioration/Drainage6. Wasserkraftnutzung7. Schifffahrt8. Fischereiwirtschaft9. Erholung
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1820
1870
1990
Der Oberrhein bei BreisachOberrhein nördlich von Basel (Isteiner Klotz) um 1800
(Gemälde von Peter Birrmann, Kunst-museum Basel)
Wasserstraße Rhein nördlich Breisach
Bronstert (2005)
Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
Wasserwirtschaftliche Planung
Dargebot
Entscheidung
Bedarf
VerteilungPlanung Bau, Betriebe
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Trinkwasser- verbundsystem der Harz- wasserwerke
Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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194. April 2013
Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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50-60 % Uferfiltrat
10 % künstliche GW-Neubildung
30-40 % natürliche GW-Neubildung
360 Mio. m³/a Grundwasserförderung, davon
Rupelton
Mergelschicht
künstliche GW-Beubildung
Uferfiltrat
Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft
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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wassertwirtschaft
Aufgaben der Wasserwirtschaft:
→ Aufgaben teilweise komplimentär, teilweise divergierend
→ Integrierte überregionale Herangehensweise ist erforderlich
→ Mehrfachnutzung anstreben
→ Zukünftige Entwicklung von Wasserdargebot und -bedarf beachten
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
1.2.1 Nationale Einrichtungen
Gesetzgebung
Das Wasserrecht umfaßt die Vorschriften, die zur rechtlichen Ordnung des Wasserhaushaltes erlassen sind. Es enthält Regeln für die Bewirtschaftung des in der Natur vorhandenen Wassers nach Menge und Güte. Seine Schwerpunkte sind der Schutz des Wassers vor Beeinträchtigung, Regelung über die Benutzung der Gewässer sowie Vorkehrungen gegen Gefahren, die vom Wasser drohen.
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
BUND• Aufgabe der Rahmengesetzgebung• Verwaltung der bundeseigenen Anlagen: Bundeswasserstraßen,
bundeseigene HäfenRahmengesetzgebung nach Art. 75 Nr. 4 Wasserhaushaltsgesetz (WHG): Die Gewässer sind als Bestandteil des Naturhaushalts so zu bewirtschaften, daß sie dem Wohl der Allgemeinheit und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen Einzelner dienen, und daß jede vermeidbare Beeinträchtigung unterbleibt §1a Abs. 1. WHG u.a. Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung Abwasserabgabengesetz Wassersicherstellungsgesetz Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln Bundeswasserstraßengesetz
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Einführung
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
LAND Aufgabe der Länder ist die Grundlagenbeschaffung, also insbesondere die
Meßdienste für die darauf aufbauenden wasserwirtschaftlichen Planungen (Sammlung von Grundwasser- und Abflußdaten bezüglich Menge und Güte) sowie die Wahrnehmung der hoheitlich regelnden Verwaltung, insbesondere Zulassung und Überwachung.
Landeswassergesetze
WASSERBEHÖRDEN- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:Abteilung WA: Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz
- Umweltbundesamt: „Fachbereich II Gesundheitlicher Umweltschutz, Schutz der Okosysteme“
- Abt. II 2: Wasser- Abt. II 3: Trink- und Badebeckenwasserhygiene- Abt. II 4: Boden
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
WASSERBEHÖRDEN- Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF)- Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV):
- Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft- Bundesministerium für Verkehr:
Abteilung WS: Wasserstraßen und Schifffahrt- Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)- Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)- Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie (BSH)- Wasser- und Schifffahrtsdirektionen- Wasser- und Schifffahrtsämter- Deutscher Wetterdienst (DWD)
- Bundesministerium für Wirtschaft (BMW):- Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
Länderbeispiel Baden-Württemberg
Oberste Wasserbehörde: Umweltministerium Baden-Württemberg Fachdienststelle: Landesamt für Umweltschutz, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW)Höhere Wasserbehörde: Regierungspräsidien (Karlsruhe, Freiburg, Tübingen, Stuttgart)Untere Wasserbehörde: Stadt- und Landkreise, Amt für Umweltschutz Technische Fachbehörde: Ämter für Wasserwirtschaft und Bodenschutz (ab Juli 1995 Landratsämter und Flußbaudirektionen) Kommunen und Wasserverbände (Selbstverwaltung)
Neue Bundesländer z.B. Sachsen-Anhalt
Ministerien für Umwelt und Naturschutz Landesamt für Umweltschutz (LAU) Bezirksregierung Staatliches Amt für Umweltschutz
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
Z.B. Brandenburg
Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz (MLUV) mit der zuständigen Abteilung:
- Abt. 6: Wasser- und Bodenschutz- Ref 61: Grundsatzfragen Wasser- und Bodenschutzangelegenheiten- Ref 62: Wasserwirtschaft und Gewässerschutz- Ref 63: Wasserversorgung, Abwasserbehandlung, Schuldenmanagement, Altlasten- Ref 64: Hochwasserschutz, Wasserbau, Gewässerunterhaltung- Ref 65: Boden und Umweltgeologie
Landesumweltamt (LUA) Brandenburg ist eine wissenschaftlich-technische Landesoberbehörde, die der Dienst- und Fachaufsicht des MLUV untersteht. Die Dienststelle befindet sich in Potsdam mit Aussenstellen in Cottbus und Frankfurt/Oder. Zuständige Abteilung ist:
- Abt. ONW: Ökologie, Naturschutz, Wasser
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
Berlin:
Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz:- Abt II: Integrativer Umweltschutz:
- IID Gewässerschutz
- IIE Wasserwirtschaft, Wasserrecht, Geologie
Andere Bundesländer z.B. Niedersachsen / Nordrhein-Westfalen:
Umweltministerium/Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft
Landesamt für Ökologie/Wasser- und Abfall (LAWA) Bezirksregierungen/Regierungspräsident Staatliche Ämter für Wasser und Abfall (StAWA)/Wasser und
Abfallwirtschaft
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
Wer hat das Sagen?DFG-Forschergruppe „Internationale Verwaltung. Entstehung und Entwicklung von Verwaltungsmustern und ihr Einfluss auf die internationale Politikgestaltung“
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
1.2.2 Internationale Einrichtungen
Europäische UnionSeit dem 14. Sept. 2001 gilt in den Staaten der Europäischen Union die EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie des Rates zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik - Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) Bewirtschaftungspläne für ganze Flusseinzugsgebiete den Schutz und die Verbesserung der aquatischen Ökosysteme die Förderung einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressourcen eine stetige Verringerung der Gewässerverschmutzung durch gefährliche
Stoffe entsprechend den Meeresschutzabkommen eine Verminderung der ökologischen Auswirkungen von Hochwasser und
Dürren
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie zur Schaffung eines Ordnungs- rahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich WasserpolitikZiel: Erhaltung und Verbesserung der Qualität aquatischer Lebensräume und
des Grundwassers ->guter ökologischer und chemischer ZustandInkrafttreten: Dezember 2000Links: http://ec.europa.eu/environment/water/water-framework
Zeitplan:
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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
EU-Hochwasserrichtlinie: Richtlinie über die Bewertung und das Management von HochwasserrisikenZiel: Verringerung der hochwasserbedingten Risiken für Menschen, Eigentum
und UmweltInkrafttreten: November 2007Links: http://ec.europa.eu/environment/water/flood_risk/key_docs.htm
Zeitplan:
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37
Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
1.2.2.2 Andere Internationale Einrichtungen und Programme
WMO UNESCO: IHP, OHP International Geosphere and Biosphere Programm (IGBP) World Climate Research Program (WCRP) International Decade for Natural Disaster Reduction (IDNDR) verschiedene internationale Einrichtungen zur Bewirtschaftung großer
Flußgebiete ...
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Beispiele
Nicht genug Wasser:
Sommer 2003
Nicht genug Wasser
„Badlands“ in Spanien
Wasserqualität:
Albenblüte
Zu viel Wasser:
Elbe-Hochwasser 2013
Zu wenig Wasser:
Sommer 2002
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Lokale Wasserbilanz in Potsdam:
Niederschlag in Potsdam ~600mmVerdunstung in Potsdam ~500mmDer Rest (~100 mm) fließt über die Flüsse zum Meer
Daraus folgt: eine Niederschlagsänderung von 10% des Niederschlags oder der Verdunstung entspricht ca. 50% des Abflusses.
(25mm/a Niederschlag / Verdunstung entsprechen ~110m3/s Abfluss am Elbepegel Neu Darchau)
Beispiele
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Beispiele
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41
Beispiele
Aralsee
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42
Beispiele
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43Quelle: NASA 2002
Beispiele
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44.Źródło: 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Geo Risks Research, NatCatSERVICE –January 2011
Geophysikalische Ereignisse
Erdbeben, Vulkanausbrüche
Meteorologische Ereignisse
Tropische Stürme, Winterstürme,
Hagel, Tornados, Unwetter
Hydrologische Ereignisse
Sturzflut, Flussüberschwemmungen,
Sturmflut, Erdrutsch
Klimatologische Ereignisse
Hitze- Kältewelle, Waldbrand,
Dürre
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Beispiele
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NO3-N
0.01.02.03.04.05.06.0
1981
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
[mg/
l]
SchmilkaZollenspieker
PO4-P
00.05
0.10.15
0.20.25
0.3
1981
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
[mg/
l]
SchmilkaZollenspieker
Schmilka
Zollenspieker
Beispiele
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Beispiele
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(Fischer 2006)
Beispiele
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49
Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung
1.3 Allgemeine Literatur zu Hydrologie und WasserwirtschaftBaumgartner, A. & Liebscher, H.J. (1996): Allgemeine Hydrologie: quantitative Hydrologie, 2. Auflage; Borntraeger, BerlinBretschneider, Lecher, Schmidt (Herausgeber) (1993): Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 7. Auflage; Parey Verlag, BerlinDeutsches Institut für Normung (1992): DIN 4049-1, Ausgabe: 1992-12, Hydrologie; Grundbegriffe. Beuth Verlag, KölnDingman, S.L. (1994): Physical Hydrology; Macmillan Publishing Company, New YorkDyck, S. & Peschke, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie, 3. Auflage; Verlag für Bauwesen, BerlinEagelson, P.S. (1970): Dynamic Hydrology; Mc Graw Hill, New YorkMaidment, D.R. (1993): Handbook of Hydrology; McGraw-Hill, New YorkManiak, U. (1997): Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure, 4. Auflage; Springer, BerlinWard, R.C. & Robinson, M. (1990): Principles of Hydrology, 3. Auflage; McGraw-Hill, London
![Page 49: 1 Vorlesung Hydrologie I Fred F. Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert) Übung: Maik Heistermann Do 8.15-9.45 Haus 12 Hattermann@pik-potsdam.de SS 2014](https://reader035.vdokument.com/reader035/viewer/2022070507/570491c91a28ab14218dc9fa/html5/thumbnails/49.jpg)
50
Inhalts- und Terminübersicht
1. VL 10.04.14 Einführung2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf3. VL 24.04.14 Strahlung
(1.5.14 Feiertag)
4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs5. VL 15.05.14 Niederschlag I6. VL 22.05.14 Niederschlag II
(29.05.14 Feiertag)
7. VL 05.06.14 Verdunstung
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51
Inhalts- und Terminübersicht
8. VL 12.06.14 Versickerung9. VL 19.06.14 Infiltration10. VL 26.06.14 Abfluss I11. VL 03.07.14 Abfluss II12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II
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52
Einführung
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53
Einführung