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In vielen Städten erfordern fortschreitende Urbanisierung und Klimaerwärmung ein besseres Verständnis des urbanen Wasserkreislaufes zur Entwicklung nachhaltiger Wassernutzungskonzepte. Jedoch erschwert die Komplexität urbaner Wasserflüsse die Nutzung hydrologischer Tracer. In dieser Arbeit werden stabile Isotope des Wassers, hydrochemische und -klimatische Daten genutzt, um die Wasserverteilung und -speicherung in Berlin in den Trockenjahren 2018–2020 zu untersuchen. Auf kleinräumiger Skala wurden Unterschiede bei Evapotranspiration, unterirdischen Fließwegen und Wasserspeicherung unter urbanen Grasflächen, Sträuchern und Bäumen deutlich. Im peri-urbanen Fluss Erpe erschwerte die geringe Variabilität von Abfluss- und Isotopendynamiken die Bestimmung von Verweilzeiten und Mischprozessen. Während warmer, trockener Sommer führte ein hoher Klarwasseranteil zu einer Verschlechterung der Wasserqualität. Auf der stadtweiten Skala wurde der Einfluss von Grundwasser, Niederschlag und Abwasser auf verschiedene Flüsse untersucht. Große Variabilität der Isotopendynamiken wurde in Einzugsgebieten mit Flächenversiegelung und Regenwassereinleitung beobachtet. Die Anreicherung schwerer Isotope in Spree und Havel im Sommer und Herbst verdeutlichte den Einfluss von großskaligen Klimadynamiken und Verdunstung im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet. Ein nachhaltiges Management urbaner Grünflächen sowie die Speicherung von Regenwasser können dazu beitragen, den Einfluss von Klimaänderungen auf Berlins Wasserressourcen auf lokaler Ebene abzumindern. Jedoch werden großskalige Nutzungskonzepte in den Einzugsgebieten der Spree und Havel benötigt, um Wasserverluste zu minimieren und Abflussraten aufrecht zu erhalten. Weiterführende isotopenbasierte Studien haben großes Potential, das Verständnis von Wasseralter, Abflussentstehung, Verdunstung und langfristigen Dürrefolgen, sowie der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Metropolenregionen, weiter zu verbessern. / In urban areas, progressing urbanisation and climate warming call for a comprehensive understanding of urban water cycling to establish sustainable water management strategies. However, the complexity of urban water fluxes complicates the application of hydrological tracers. This thesis used stable isotopes of water, combined with hydrochemical and climatic data, to characterise water partitioning and storage in Berlin, Germany, during the exceptionally warm and dry 2018–2020 period. At the plot-scale, differences in evapotranspiration, subsurface flow paths and storage under urban grassland, shrub and trees were evident. In the peri-urban river Erpe, low variability in discharge and isotopic dynamics limited the applicability of transit time and end member mixing approaches. During warm and dry summers, high contributions of treated wastewater effluents caused a deterioration of water quality. At the city-scale, contributions of groundwater, storm runoff and effluents to different local streams were studied. Isotope dynamics were most variable in catchments with high levels of imperviousness and connectivity to storm drains. In the Spree and Havel rivers, the isotopic enrichment in summer and autumn reflected the impact of large-scale climate dynamics and evaporative losses in the upstream catchment. To mitigate climate change impacts on Berlin’s water resources in the future, the sustainable management of urban green spaces and better capturing of urban rainfall may limit water consumption at the local scale. However, maintaining discharge in the Spree and Havel rivers during warm and dry periods will require catchment-scale management practices that limit water consumption and losses in upstream areas. Future isotope-based research in urban areas has great potential to improve the understanding of urban water ages, source contributions to urban streamflow, evaporation and long-term drought recovery, as well as upscaling the results to other metropolitan areas.

Die Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung der Nährstoffverfügbarkeit und des Nährstoffflusses erschweren das Verständnis von Nährstoffkreislauf und Nährstofftransportprozessen und die Vorhersage des Verhaltens von Nährstoffen. Diese Arbeit beginnt mit einer Literaturüberblick über Arten und Quellen von Unsicherheiten bei der Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen in Gewässern. Basierend auf dieser Überblick werden drei Fallstudien zur Beobachtung und Modellierung von Nährstoffen unter Berücksichtigung von Unsicherheiten vorgestellt. In der ersten Studie wurden die Unsicherheiten verschiedener Inferenzmethoden zur Klassifizierung des Gewässergüte in Bezug auf den gesamten reaktiven Phosphor (TRP) mit hochaufgelösten Daten aus landwirtschaftlichen Einzugsgebieten bewertet. In der zweiten Studie wurden die in den hochauflösenden Daten beobachteten Konzentrations-Abfluss (C-Q) Hysteresen mit einem empirischen Modell formuliert, um TRP-Transferereignisse zu charakterisieren. Die Quelle und Pfade von Nährstoffübertragungen wurden aus den Ergebnissen abgeleitet, um Entscheidungen im Wassermanagement zu unterstützen. Die Konzentration-Abfluss-Temperatur (C-Q-T) Beziehung wurde für Nitrat (NO3) in einem von Borkenkäferbefall betroffenen Waldeinzugsgebiet untersucht. Die zeitlichen Variationen der Parameter eines einfachen mechanistischen Modells informierten über die Entwicklung der hydrobiochemischen Prozesse als Reaktion auf die natürliche Störung. In einem interdisziplinären Essay, der diesen Fallstudien folgt, wurde eine buddhistische Perspektive eingenommen und diskutiert, worin die grundsätzlichen Ursachen für das Leiden unter Unsicherheit in der Wissenschaft liegen, sowie Möglichkeiten, Wissenschaft mit Selbstreflexion, Mitgefühl und Frieden zu betreiben. In den Schlussfolgerungen wird eine Kontemplation über die Erfahrung, mit der Unsicherheit in der hydrologischen Wissenschaft in dieser Dissertation präsentiert. / Uncertainty in monitoring and modelling availability and flux of nutrient pollutants obscures understanding of nutrient cycle and transport processes and prediction of nutrient behaviours. This thesis starts with a literature review of types and sources of uncertainty in monitoring and modelling of the nutrients in waters. Based on this review, three study cases of monitoring quantities and modelling behaviours of the nutrients with the considerations of uncertainty are presented. In the first study, the uncertainties of different inference methods for classifying physico-chemical status in terms of total reactive phosphorus (TRP) were assessed based on high-resolution data from agricultural catchments. In the second study, concentration-discharge (C-Q) hystereses observed in the high-resolution data were formularised with an empirical model and to characterise TRP transfer events at the sub-hourly scale. The sources and pathways of nutrient transfers were inferred from the transfer event characteristics to inform major targets for water management measures. In the third study, the C-Q relationship was further researched for nitrate (NO3) at a bi-weekly to monthly frequency in a forest catchment affected by bark beetle infestation. The temporal variations of the parameters of a simple mechanistic model describing the concentration-discharge-temperature (C-Q-T) relationship informed the evolution of catchment-scale hydrological and biogeochemical processes in response to the natural disturbance. In an interdisciplinary essay following the case studies, a Buddhist perspective on fundamental causes of the suffering around uncertainty in science and ways to pursue science with self-reflection, compassion and peacefulness were discussed. Contemplations on the experience of confronting the uncertainty in the hydrological science of this thesis are also presented in the conclusions.