Novel glass tracers, organic and inorganic polymers based on narrow band atomic fluorescence, have been developed for deployment as environmental tracers. The use of discrete fluorescent species in an environmentally stable host has been investigated to replace existing toxic, broad band molecular dye tracers. The narrow band emission signals offer the potential for the tracing of a large numbers of signals in the same environment; this has been investigated by examining multiple doped tracers which have the potential for coding to specific effluent sources or particulates. The concept of using lanthanide doped glasses as environmental tracers has been demonstrated. The spectral characterisation and concentration studies of the lanthanide doped tracer allow the selection of parameters to produce future tracers and detection systems for particular applications. Therefore by altering the chosen lanthanide dopant, number of dopants, dopant concentration and using selective excitation and emission wavelengths there are a huge number of possible unique tracer combinations. The significantly narrower bandwidth emission peaks of the lanthanide based tracers achieve more selective detection of multiple tracers without overlap interference and gives the potential to selectively and simultaneously monitor many different tracers in the same location. The spectral lifetime characteristics of the lanthanide tracers are very different from the lifetime of background fluorescence which is typically molecular in origin. This is an extra discrimination against background interference and is an important additional advantage of using lanthanide based tracers. Overall this work shows that a very large number of unique environmental tracers can be obtained by varying the concentration, the number of lanthanide ions in a glass and also the possibility of using organic and inorganic lanthanide chelate doped tracers.

Groundwater is documented to flow through solution-widened fractures and bedding planes in limestone and dolostone units in low-relief topography. This enhancement, or karstification, is much harder to study in alpine environments like the Bear River Range of northern Utah. This is problematic, due to the fact that the Bear River Range karst aquifer system supplies the City of Logan with a large quantity of water at Dewitt Spring. Furthermore, the karst aquifer sustains the Logan River for much of the year, and may allow groundwater to flow directly in the subsurface to the Cache Valley principal aquifer system. Flow measurements along the Logan River constrain a minimum volume of 2.32x106 m3 /y (1.88x103 af/y) that could recharge the Cache Valley principal aquifer. Hydraulic characteristics of alpine karst were estimated by analysis of major ions, stable isotopes, and dissolved gases in spring waters. These data reflect quick groundwater flow through caverns, with no evidence for “diffuse” flow anticipated by some to occupy interstitial space. In fact, the oldest reasonable estimated recharge age for groundwater is 70 years. Young recharge, fast flow, and low storage capability indicate that alpine karst aquifers are very sensitive to droughts and that related water resources are vulnerable to longer-term changes in climate.

The discharge of groundwater into surface water bodies is a hidden, but significant pathway for the input of water and matter into lakes, rivers, estuaries and the coastal sea. Since groundwater is most often characterized by higher levels of nutrients or heavy metals, its discharge has often a crucial effect on the surface water body´s chemistry and the ecosystem health as well as on the related ecosystem service supply. For instance, groundwater-derived nutrient inputs are essential to fuel primary productivity, but if critical thresholds are exceeded groundwater-derived nutrient inputs can cause eutrophication, which may trigger harmful algal blooms or the creation of oxygen minimum zones – a serious threat to aquatic life. This thesis focuses on quantifying submarine and lacustrine groundwater discharge by applying environmental tracer based methods with emphasis on radionuclide (radon and radium isotopes) and stable water isotope (δ18O, δ2H) techniques. These tracers are suitable for determining groundwater discharge as they show distinct concentration and isotope ratio gradients between groundwater and the receiving surface water. Four studies are presented in this thesis: (1) The quantification of the response delay of the mobile radon detector RAD7 applied for radon-in-water mapping. The response delay of the mobile radon-in-air detector RAD7 is determined for two detection set-ups (radon extraction via RADaqua and via a membrane module) as well as for a range of water flow rates. For the membrane module the response delay is less pronounced compared to the RADaqua. For instance, at a water flow rate of 1 l min-1 the peaks of the instruments recordings lag behind the radon-in-water concentrations by ~10 min for the membrane module and by ~18 min for the RADaqua. Further, it was demonstrated that faster water flow rates decrease the response delay. An algorithm is presented that allows the inverse calculation of radon-in-water concentrations from RAD7 records for the described detection set-ups and water flow rates. Thus, it allows a more precise localization of radon-in-water anomalies and, consequently a more precise localization of groundwater discharge areas. (2) Determination of submarine groundwater discharge into a large coastal bay (False Bay, South Africa) SGD consists generally of two components: (a) fresh terrestrial SGD (FSGD) driven by the inland hydraulic gradient and (b) seawater re-circulation (RSGD) through the coastal aquifer driven by seaward effects such as tidal pumping. A bay-wide radon mapping resulted in identification of a SGD site, where subsequently detailed investigations were conducted. At this SGD site a salt and a radon mass balance were applied consecutively for determining FSGD and total SGD, respectively. RSGD was inferred from the difference between FSGD and total SGD. For the radon mass balance, new approaches for calculating the radon degassing and mixing loss were proposed. The tracer mass balance revealed median FSGD of 2,300 m³ d-1 or 0.9 m³ d-1 per m coastline and median RSGD of 6,600 m³ d-1 or 2.7 m³ d-1 per m coastline. The FSGD rate was validated using (a) a hydrological model for calculating the groundwater recharge rate and (b) a groundwater flow model for delineating the subsurficial FSGD capture zone. This validation supported the tracer based findings. The relevance of this study is foremost the presentation of new methodological approaches regarding the radon mass balance as well as the validation of FSGD under consideration of hydrological and hydrogeological information. (3) Differentiation of fresh and re-circulated submarine groundwater discharge in an estuary (Knysna Estuary, South Africa) Knysna Estuary is a more complex system than False Bay since besides seawater, FSGD and RSGD also river water mixes within the estuary. Both FSGD and RSGD were differentiated by applying a mixing analysis of the estuary water. For this purpose, an end-member mixing analysis (EMMA) was conducted that simultaneously utilizes radon and salinity time series of estuary water to determine fractions of the end-members seawater, river water, FSGD and RSGD. End-member mixing ratio uncertainty was quantified by stochastic modelling (Monte Carlo simulation) under consideration of end-member characterization uncertainty. Results revealed highest FSGD and RSGD fractions in the estuary during peak low tide. Median fractions of FSGD and RSGD were 0.2 % and 0.8 % of the estuary water near the mouth over a 24 h time-series. In combi-nation with a radon mass balance median FSGD of 46,000 m³ d-1 and median RSGD of 150,000 m³ d-1 were determined. By comparison to other sources, this implies that the SGD is a significant source of dissolved inorganic nitrogen (DIN) fluxes into the estuary. This study demonstrates the ability of EMMA to determine end-member fractions in a four end-member system under consideration of end-member uncertainty. Further, the importance of SGD for the water and DIN budget of Knysna Estuary was shown. (4) Quantification of groundwater discharge and water residence time into a groundwa-ter-fed lake (Lake Ammelshainer See, Germany). The presented approach utilizes the stable isotopes of water (δ18O, δ2H) and radon for determining long-term average and short-term trends in groundwater discharge rates. The calculations were based on measurements of isotope inventories of lake and groundwater in combination with climatic and isotopic monitoring data (in precipita-tion). The results from steady-state annual isotope mass balances for both δ18O and δ2H are consistent and reveal an overall long-term average groundwater discharge that ranges from 2,800 to 3,350 m³ d-1. These findings were supported by the good agree-ment of the simulated annual cycles of δ18O and δ2H lake inventories utilizing the de-termined groundwater discharge rates with the observed lake isotope inventories. However, groundwater discharge rates derived from radon mass balances were signifi-cantly lower, which might indicate a distinct seasonal variability of the groundwater discharge rate. This application shows the benefits and limitations of combining δ18O/δ2H and radon isotope mass balances for the quantification of groundwater con-nectivity of lakes based on a relatively small amount of field data accompanied by good quality and comprehensive long-term meteorological and isotopic data (precipitation). This thesis presents important methodological achievements with respect to radon and stable water isotope mass balances, uncertainty quantification, geochemical differentia-tion between FSGD and RSGD and validation of FSGD. Further, first SGD estimates are reported for False Bay and Knysna Estuary in South Africa. / Der Austritt von Grundwasser in Oberflächengewässer stellt einen unsichtbaren Ein-tragspfad von Wasser und Stoffen in Seen, Flüsse, Ästuare und das küstennahe Meer dar. Die Konzentrationen vieler Stoffe wie beispielsweise von Nährstoffen und Schwermetallen ist im Grundwasser im Allgemeinen signifikant höher als in Oberflächengewässern. Daher können selbst volumetrisch verhältnismäßig kleine Grundwasseraustritte entscheidenden Einfluss auf Wasserchemie und den Gesundheitszustand des aquatischen Ökosystems haben, womit Auswirkungen auf die Bereitstellung von Ökosystemleistungen verbunden sein können. Beispielsweise sind grundwasserbürtige Nährstoffeinträge eine entscheidende Steuergröße für die Primärproduktivität. Überschreiten diese grundwasserbürtigen Nährstoffeinträge jedoch einen Schwellenwert, kann es zur Eutrophierung des Oberflächengewässers kommen. Dies wiederum kann toxische Algenblüten oder die Entstehung von Sauerstoffminimumzonen zur Folge haben und das aquatische Leben bedrohen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Methoden zur Quantifizierung von Grundwas-sereinträgen in den küstennahen Ozean, Ästuare und in Seen. Dabei stützt sich diese Arbeit primär auf Umwelttracer, vor allem auf Radionuklide (Radon- und Radium-Isotope) sowie die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H). Diese Umwelttracer sind für die untersuchten Systeme in besonderer Weise geeignet, da zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ein ausgeprägter Gradient hinsichtlich Konzentration bzw. Isotopensignatur besteht. Vier Einzelstudien stellen den Kern dieser Arbeit dar: (1) Die Quantifizierung der Antwortverzögerung des mobilen Radon-Detektors RAD7, an-gewendet für die Radon-in-Wasser-Kartierung. Die Antwortverzögerung des mobilen Radon-in-Luft-Detektors RAD7 wurde für zwei Messanordnungen (Radonextraktion via RADaqua und via Membranmodul) sowie für einen Bereich von Wasserdurchflussraten bestimmt. Für die Radonextraktion via RADaqua ist die Antwortverzögerung stärker ausgeprägt als für das Membranmodul. Bei einer Wasserdurchflussrate von 1 l min-1 treten die Peaks der aufgezeichneten Werte ~10 min nach den Radon-in-Wasser Peaks auf, während die Verzögerung bei Radonextraktion via RADaqua ~18 min beträgt. Weiterhin wurde eine Reduktion der Antwortverzögerung mit zunehmenden Wasserdurchflussraten beobachtet. Der vorgestellte Algorithmus ermöglicht in Kombination mit den berechneten Radontransfer-Koeffizienten die inverse Modellierung der Radon-in-Wasser-Konzentrationen, basierend auf den RAD7-Messwerten. Dies ermöglicht beispielsweise eine genauere Lokalisierung von räumlichen Radon-in-Wasser Anomalien und folglich eine präzisere Bestimmung von Grundwasseraustrittsstellen. (2) Quantifizierung untermeerischer Grundwasseraustritte in eine große Meeresbucht (False Bay, Südafrika) Untermeerische Grundwasseraustritte (“Submarine Groundwater Discharge” – SGD) bestehen aus zwei Komponenten: (a) Süßwasser-SGD (“Fresh SGD” – FSGD) angetrieben durch den meerwärtsgerichteten hydraulischen Gradienten, und (b) re-zirkuliertem SGD („re-circulated SGD“ – RSGD), verursacht durch Prozesse wie gezeitengesteuerte Infiltration von Meerwasser in den Aquifer. Eine Radon-Kartierung entlang der gesamten Küstenlinie der Bucht führte zur Lokalisierung von SGD, woraufhin dort vertiefende Untersuchungen durchgeführt wurden. In diesem Bilanzgebiet wurden eine Salz- und eine Radon-Massenbilanz durchgeführt, um FSGD bzw. Gesamt-SGD zu bestimmen. RSGD wurde aus der Differenz von FSGD und SGD abgleitet. Für die Radon-Massenbilanz wurden neue Ansätze für die Berechnung der Radon-Entgasung in die Atmosphäre und des Radon-Mischungsverlustes mit küstenfernerem Wasser präsentiert. Die Tracer-Massenbilanzen ergaben einen FSGD-Median von 2.300 m³ d-1 bzw. 0,9 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie und einen RSGD-Median von 6.600 m³ d-1 bzw. 2,7 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie. Die FSGD-Rate wurde mit Hilfe eines hydrologischen Modells zur Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate und eines Grundwasserströmungsmodells zur Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebiets des Bilanzraums bestimmt. Diese unabhängige Methode bestätigte die Tracer-basierten Ergebnisse. Die Bedeutung dieser Studie besteht zuvorderst in der Vorstellung neuer methodischer Ansätze bei der Radon-Massenbilanzierung sowie in der Validierung von FSGD unter Berücksichtigung hydrologischer und hydrogeologischer Daten. (3) Unterscheidung von FSGD und RSGD in einem Ästuar (Knysna Ästuar, Südafrika). Das Knysna-Ästuar ist hinsichtlich der Bestimmung von SGD im Vergleich zur False Bay ein komplexeres System, da sich neben Meerwasser, FSGD und RSGD auch Flusswasser in signifikanten Mengen im Ästuar mischt. FSGD- und RSGD-Anteile wurden anhand der chemischen Zusammensetzung des Ästuarwassers unterschieden. Für diesen Zweck wurde eine End-Member-Mischungsanalyse (EMMA) auf Grundlage von Radon- und Salinitätszeitreihen des Ästuarwassers durchgeführt. Durch ein Optimierungsverfahren wurde die Mischung der End-member Meerwasser, Flusswasser, FSGD und RSGD für jeden Zeitschritt mit dem Ziel der bestmöglichen Übereinstimmung mit den gemessenen Radon- und Salinitätszeitreihen bestimmt. Die Unsicherheit in der Bestimmung der End-member-Anteile wurde durch stochastische Modellierung (Monte-Carlo-Simulation) quantifiziert. Die höchsten Anteile von FSGD und RSGD traten bei Niedrigwasser auf. Die mittleren Anteile von FSGD und RSGD betrugen in der Nähe der Ästuarmündung 0,2 % und 0,8 % während einer 24-stündigen Zeitreihenmessung. Diese Informationen führten in Kombination mit einer Radon-Massenbilanz zur Bestimmung eines mittleren FSGD von 46.000 m³ d-1 sowie eines mittleren RSGD von 150.000 m³ d-1. Diese Ergebnisse implizieren unter Einbeziehung weiterer Daten, dass SGD ein bedeutender Pfad für den Eintrag von gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) in das Knysna-Ästuar darstellt. Diese Studie zeigt das Potenzial einer EMMA für die Bestimmung der Anteile von vier End-membern unter Nutzung von zwei gemessenen Variablen und unter Berücksichtigung der End-member-Unsicherheit. Außerdem wurde die Bedeutung von SGD für das Wasser- und DIN-Budget des Knysna-Ästuars aufgezeigt. (4) Quantifizierung von Grundwasseraustrittsrate und Wasserverweilzeit eines grundwas-sergespeisten Sees (Ammelshainer See, Deutschland). Der vorgestellte Ansatz nutzt die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H) und von Ra-don für die Bestimmung des mittleren langfristigen sowie der aktuellen Grundwas-seraustrittsrate. Die Berechnungen beruhen auf Abschätzungen des Isotopeninventars anhand von Feldmessungen, der Isotopensignatur des Grundwassers sowie ergänzen-den Klima- und Isotopen-Daten (Niederschlag). Die Ergebnisse einer stationären Isoto-pen-Massenbilanz für δ18O und δ2H sind übereinstimmend und ergaben einen langfristigen mittleren Grundwasseraustritt von 2.800 bis 3.350 m³ d-1. Dieses Ergebnis wurde für die Modellierung des jährlichen Zyklus des Isotopeninventars im See benutzt, welches mit den gemessenen Isotopenwerten konsistent ist. Die auf Grundlage einer Radon-Massenbilanz abgeleiteten aktuellen Grundwasserzutrittsraten lagen im Gegensatz dazu deutlich niedriger, was jedoch nicht notwendigerweise einen Widerspruch darstellen muss, sondern vielmehr ein Hinweis auf eine möglicherweise ausgeprägte saisonale Variabilität des Grundwasseraustritts darstellen kann. Diese Studie zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von einer Kombination aus δ18O/δ2H- und Radon-Massenbilanzen für die Bestimmung der Grundwasseranbindung von Seen mit einem vergleichsweise geringen Messaufwand unter Nutzung qualitativ hochwertiger und umfangreicher Klima-und Isotopen-Daten (Niederschlag). Diese Dissertation präsentiert wichtige methodische Fortschritte hinsichtlich der An-wendung von Radon- und stabilen Isotopen-Massenbilanzen, der Quantifizierung von Unsicherheit, der Unterscheidung von FSGD und RSGD anhand geochemischer Daten und der Validierung von FSGD. Außerdem wurden erstmals SGD-Raten für Standorte in Südafrika (False Bay und Knysna-Ästuar) vorgestellt.

Abstract Water resources management calls for methods to simultaneously manage groundwater (GW) and surface water (SW) systems. These have traditionally been considered separate units of the hydrological cycle, which has led to oversimplification of exchange processes at the GW-SW interface. This thesis studied GW hydrology and the previously unrecognised connection of the Rokua esker aquifer with lakes and streams in the area, with the aim of identifying reasons for lake water level variability and eutrophication in the Rokua esker. GW-SW interactions in the aquifer were first studied with field methods. Seepage meter measurements showed substantial spatial variability in GW-lake interaction, whereas transient variability was more modest, although present and related to the surrounding aquifer. Environmental tracers suggested that water exchange occurs in all lakes in the area, but is of varying magnitude in different lakes. Finally, GW-SW interaction was studied in peatland catchments, where drainage channels in the peat soil presumably increased groundwater outflow from the aquifer. Amount and rate of GW recharge were then estimated with a simulation approach developed explicitly to account for the physical characteristics of the Rokua esker aquifer. This produced a spatially and temporally distributed recharge estimate, which was validated by independent field techniques. The results highlighted the impact of canopy characteristics, and thereby forestry management, on GW recharge. The data collected and the new understanding of site hydrology obtained were refined into a fully integrated surface-subsurface flow model of the Rokua aquifer. Simulation results compared favourably to field observations of GW, lake levels and stream discharge. A major finding was of good agreement between simulated and observed GW inflow to lakes in terms of discharge locations and total influx. This thesis demonstrates the importance of using multiple methods to gain a comprehensive understanding of esker aquifer hydrology with interconnected lakes and streams. Importantly, site-specific information on the reasons for water table variability and the trophic status of Rokua lakes, which is causing local concern, is provided. As the main outcome, various field and modelling methods were tested, refined and shown to be suitable for integrated GW and SW resource management in esker aquifers. / Tiivistelmä Vesivarojen hallinnassa tarvitaan menetelmiä pohja- ja pintaveden kokonaisvaltaiseen huomioimiseen. Pohja- ja pintavesiä tarkastellaan usein erillisinä osina hydrologista kiertoa, mikä on johtanut niiden välisten virtausprosessien yksinkertaistamiseen. Tässä työssä selvitettiin Rokuan pohjavesiesiintymän hydrologiaa ja hydraulista yhteyttä alueella oleviin järviin ja puroihin. Tutkimuksessa pyrittiin osaltaan selvittämään syitä harjualueen järvien pinnanvaihteluun ja veden laatuongelmiin. Kenttätutkimuksissa todettiin voimakasta alueellista vaihtelua järven ja pohjaveden vuorovaikutuksessa. Pohjaveden suotautumisen ajallinen vaihtelu puolestaan oli vähäisempää, mutta havaittavissa, ja kytköksissä järveä ympäröivän pohjavesipinnan vaihteluihin. Merkkiaineet vesinäytteistä viittasivat vastaavan vuorovaikutuksen olevan läsnä myös muissa alueen järvissä, mutta suotautuvan pohjaveden määrän vaihtelevan järvittäin. Turvemailla tehdyt mittaukset osoittivat pohjaveden purkautuvan ojaverkostoon ja ojituksen mahdollisesti lisäävän ulosvirtaamaa pohjavesiesiintymästä. Pohjaveden muodostumismäärää ja -nopeutta tutkittiin numeerisella mallinnuksella, joka kehitettiin huomioimaan harjualueelle ominaiset fysikaaliset tekijät. Mallinnus tuotti arvion ajallisesti ja alueellisesti vaihtelevasta pohjaveden muodostumisesta, joka varmennettiin kenttämittauksilla. Tuloksissa korostui kasvillisuuden, ja sitä kautta metsähakkuiden, vaikutus pohjaveden muodostumismääriin. Hydrologiasta kerätyn aineiston ja kehittyneen prosessiymmärryksen avulla Rokuan harjualueesta muodostettiin täysin integroitu numeerinen pohjavesi-pintavesi virtausmalli. Mallinnustulokset vastasivat mittauksia pohjaveden ja järvien pinnantasoista sekä purovirtaamista. Työn merkittävin tulos oli, että mallinnetut pohjaveden purkautumiskohdat ja purkautumismäärät alueen järviin vastasivat kenttähavaintoja. Tämä työ havainnollisti, että ymmärtääkseen pohjaveden ja siitä riippuvaisten järvien ja purojen vuorovaikutusta harjualueella on käytettävä monipuolisia tutkimusmenetelmiä. Työ toi lisätietoa Rokuan harjualueen vesiongelmien syihin selittäen järvien vedenpinnan vaihtelua ja vedenlaatua pohjavesihydrologialla. Väitöstyön tärkein anti oli erilaisten kenttä- ja mallinnus-menetelmien soveltaminen, kehittäminen ja hyödylliseksi havaitseminen harjualueiden kokonaisvaltaisessa pinta- ja pohjavesien hallinnassa.

The discharge of groundwater into surface water bodies is a hidden, but significant pathway for the input of water and matter into lakes, rivers, estuaries and the coastal sea. Since groundwater is most often characterized by higher levels of nutrients or heavy metals, its discharge has often a crucial effect on the surface water body´s chemistry and the ecosystem health as well as on the related ecosystem service supply. For instance, groundwater-derived nutrient inputs are essential to fuel primary productivity, but if critical thresholds are exceeded groundwater-derived nutrient inputs can cause eutrophication, which may trigger harmful algal blooms or the creation of oxygen minimum zones – a serious threat to aquatic life. This thesis focuses on quantifying submarine and lacustrine groundwater discharge by applying environmental tracer based methods with emphasis on radionuclide (radon and radium isotopes) and stable water isotope (δ18O, δ2H) techniques. These tracers are suitable for determining groundwater discharge as they show distinct concentration and isotope ratio gradients between groundwater and the receiving surface water. Four studies are presented in this thesis: (1) The quantification of the response delay of the mobile radon detector RAD7 applied for radon-in-water mapping. The response delay of the mobile radon-in-air detector RAD7 is determined for two detection set-ups (radon extraction via RADaqua and via a membrane module) as well as for a range of water flow rates. For the membrane module the response delay is less pronounced compared to the RADaqua. For instance, at a water flow rate of 1 l min-1 the peaks of the instruments recordings lag behind the radon-in-water concentrations by ~10 min for the membrane module and by ~18 min for the RADaqua. Further, it was demonstrated that faster water flow rates decrease the response delay. An algorithm is presented that allows the inverse calculation of radon-in-water concentrations from RAD7 records for the described detection set-ups and water flow rates. Thus, it allows a more precise localization of radon-in-water anomalies and, consequently a more precise localization of groundwater discharge areas. (2) Determination of submarine groundwater discharge into a large coastal bay (False Bay, South Africa) SGD consists generally of two components: (a) fresh terrestrial SGD (FSGD) driven by the inland hydraulic gradient and (b) seawater re-circulation (RSGD) through the coastal aquifer driven by seaward effects such as tidal pumping. A bay-wide radon mapping resulted in identification of a SGD site, where subsequently detailed investigations were conducted. At this SGD site a salt and a radon mass balance were applied consecutively for determining FSGD and total SGD, respectively. RSGD was inferred from the difference between FSGD and total SGD. For the radon mass balance, new approaches for calculating the radon degassing and mixing loss were proposed. The tracer mass balance revealed median FSGD of 2,300 m³ d-1 or 0.9 m³ d-1 per m coastline and median RSGD of 6,600 m³ d-1 or 2.7 m³ d-1 per m coastline. The FSGD rate was validated using (a) a hydrological model for calculating the groundwater recharge rate and (b) a groundwater flow model for delineating the subsurficial FSGD capture zone. This validation supported the tracer based findings. The relevance of this study is foremost the presentation of new methodological approaches regarding the radon mass balance as well as the validation of FSGD under consideration of hydrological and hydrogeological information. (3) Differentiation of fresh and re-circulated submarine groundwater discharge in an estuary (Knysna Estuary, South Africa) Knysna Estuary is a more complex system than False Bay since besides seawater, FSGD and RSGD also river water mixes within the estuary. Both FSGD and RSGD were differentiated by applying a mixing analysis of the estuary water. For this purpose, an end-member mixing analysis (EMMA) was conducted that simultaneously utilizes radon and salinity time series of estuary water to determine fractions of the end-members seawater, river water, FSGD and RSGD. End-member mixing ratio uncertainty was quantified by stochastic modelling (Monte Carlo simulation) under consideration of end-member characterization uncertainty. Results revealed highest FSGD and RSGD fractions in the estuary during peak low tide. Median fractions of FSGD and RSGD were 0.2 % and 0.8 % of the estuary water near the mouth over a 24 h time-series. In combi-nation with a radon mass balance median FSGD of 46,000 m³ d-1 and median RSGD of 150,000 m³ d-1 were determined. By comparison to other sources, this implies that the SGD is a significant source of dissolved inorganic nitrogen (DIN) fluxes into the estuary. This study demonstrates the ability of EMMA to determine end-member fractions in a four end-member system under consideration of end-member uncertainty. Further, the importance of SGD for the water and DIN budget of Knysna Estuary was shown. (4) Quantification of groundwater discharge and water residence time into a groundwa-ter-fed lake (Lake Ammelshainer See, Germany). The presented approach utilizes the stable isotopes of water (δ18O, δ2H) and radon for determining long-term average and short-term trends in groundwater discharge rates. The calculations were based on measurements of isotope inventories of lake and groundwater in combination with climatic and isotopic monitoring data (in precipita-tion). The results from steady-state annual isotope mass balances for both δ18O and δ2H are consistent and reveal an overall long-term average groundwater discharge that ranges from 2,800 to 3,350 m³ d-1. These findings were supported by the good agree-ment of the simulated annual cycles of δ18O and δ2H lake inventories utilizing the de-termined groundwater discharge rates with the observed lake isotope inventories. However, groundwater discharge rates derived from radon mass balances were signifi-cantly lower, which might indicate a distinct seasonal variability of the groundwater discharge rate. This application shows the benefits and limitations of combining δ18O/δ2H and radon isotope mass balances for the quantification of groundwater con-nectivity of lakes based on a relatively small amount of field data accompanied by good quality and comprehensive long-term meteorological and isotopic data (precipitation). This thesis presents important methodological achievements with respect to radon and stable water isotope mass balances, uncertainty quantification, geochemical differentia-tion between FSGD and RSGD and validation of FSGD. Further, first SGD estimates are reported for False Bay and Knysna Estuary in South Africa. / Der Austritt von Grundwasser in Oberflächengewässer stellt einen unsichtbaren Ein-tragspfad von Wasser und Stoffen in Seen, Flüsse, Ästuare und das küstennahe Meer dar. Die Konzentrationen vieler Stoffe wie beispielsweise von Nährstoffen und Schwermetallen ist im Grundwasser im Allgemeinen signifikant höher als in Oberflächengewässern. Daher können selbst volumetrisch verhältnismäßig kleine Grundwasseraustritte entscheidenden Einfluss auf Wasserchemie und den Gesundheitszustand des aquatischen Ökosystems haben, womit Auswirkungen auf die Bereitstellung von Ökosystemleistungen verbunden sein können. Beispielsweise sind grundwasserbürtige Nährstoffeinträge eine entscheidende Steuergröße für die Primärproduktivität. Überschreiten diese grundwasserbürtigen Nährstoffeinträge jedoch einen Schwellenwert, kann es zur Eutrophierung des Oberflächengewässers kommen. Dies wiederum kann toxische Algenblüten oder die Entstehung von Sauerstoffminimumzonen zur Folge haben und das aquatische Leben bedrohen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Methoden zur Quantifizierung von Grundwas-sereinträgen in den küstennahen Ozean, Ästuare und in Seen. Dabei stützt sich diese Arbeit primär auf Umwelttracer, vor allem auf Radionuklide (Radon- und Radium-Isotope) sowie die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H). Diese Umwelttracer sind für die untersuchten Systeme in besonderer Weise geeignet, da zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ein ausgeprägter Gradient hinsichtlich Konzentration bzw. Isotopensignatur besteht. Vier Einzelstudien stellen den Kern dieser Arbeit dar: (1) Die Quantifizierung der Antwortverzögerung des mobilen Radon-Detektors RAD7, an-gewendet für die Radon-in-Wasser-Kartierung. Die Antwortverzögerung des mobilen Radon-in-Luft-Detektors RAD7 wurde für zwei Messanordnungen (Radonextraktion via RADaqua und via Membranmodul) sowie für einen Bereich von Wasserdurchflussraten bestimmt. Für die Radonextraktion via RADaqua ist die Antwortverzögerung stärker ausgeprägt als für das Membranmodul. Bei einer Wasserdurchflussrate von 1 l min-1 treten die Peaks der aufgezeichneten Werte ~10 min nach den Radon-in-Wasser Peaks auf, während die Verzögerung bei Radonextraktion via RADaqua ~18 min beträgt. Weiterhin wurde eine Reduktion der Antwortverzögerung mit zunehmenden Wasserdurchflussraten beobachtet. Der vorgestellte Algorithmus ermöglicht in Kombination mit den berechneten Radontransfer-Koeffizienten die inverse Modellierung der Radon-in-Wasser-Konzentrationen, basierend auf den RAD7-Messwerten. Dies ermöglicht beispielsweise eine genauere Lokalisierung von räumlichen Radon-in-Wasser Anomalien und folglich eine präzisere Bestimmung von Grundwasseraustrittsstellen. (2) Quantifizierung untermeerischer Grundwasseraustritte in eine große Meeresbucht (False Bay, Südafrika) Untermeerische Grundwasseraustritte (“Submarine Groundwater Discharge” – SGD) bestehen aus zwei Komponenten: (a) Süßwasser-SGD (“Fresh SGD” – FSGD) angetrieben durch den meerwärtsgerichteten hydraulischen Gradienten, und (b) re-zirkuliertem SGD („re-circulated SGD“ – RSGD), verursacht durch Prozesse wie gezeitengesteuerte Infiltration von Meerwasser in den Aquifer. Eine Radon-Kartierung entlang der gesamten Küstenlinie der Bucht führte zur Lokalisierung von SGD, woraufhin dort vertiefende Untersuchungen durchgeführt wurden. In diesem Bilanzgebiet wurden eine Salz- und eine Radon-Massenbilanz durchgeführt, um FSGD bzw. Gesamt-SGD zu bestimmen. RSGD wurde aus der Differenz von FSGD und SGD abgleitet. Für die Radon-Massenbilanz wurden neue Ansätze für die Berechnung der Radon-Entgasung in die Atmosphäre und des Radon-Mischungsverlustes mit küstenfernerem Wasser präsentiert. Die Tracer-Massenbilanzen ergaben einen FSGD-Median von 2.300 m³ d-1 bzw. 0,9 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie und einen RSGD-Median von 6.600 m³ d-1 bzw. 2,7 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie. Die FSGD-Rate wurde mit Hilfe eines hydrologischen Modells zur Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate und eines Grundwasserströmungsmodells zur Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebiets des Bilanzraums bestimmt. Diese unabhängige Methode bestätigte die Tracer-basierten Ergebnisse. Die Bedeutung dieser Studie besteht zuvorderst in der Vorstellung neuer methodischer Ansätze bei der Radon-Massenbilanzierung sowie in der Validierung von FSGD unter Berücksichtigung hydrologischer und hydrogeologischer Daten. (3) Unterscheidung von FSGD und RSGD in einem Ästuar (Knysna Ästuar, Südafrika). Das Knysna-Ästuar ist hinsichtlich der Bestimmung von SGD im Vergleich zur False Bay ein komplexeres System, da sich neben Meerwasser, FSGD und RSGD auch Flusswasser in signifikanten Mengen im Ästuar mischt. FSGD- und RSGD-Anteile wurden anhand der chemischen Zusammensetzung des Ästuarwassers unterschieden. Für diesen Zweck wurde eine End-Member-Mischungsanalyse (EMMA) auf Grundlage von Radon- und Salinitätszeitreihen des Ästuarwassers durchgeführt. Durch ein Optimierungsverfahren wurde die Mischung der End-member Meerwasser, Flusswasser, FSGD und RSGD für jeden Zeitschritt mit dem Ziel der bestmöglichen Übereinstimmung mit den gemessenen Radon- und Salinitätszeitreihen bestimmt. Die Unsicherheit in der Bestimmung der End-member-Anteile wurde durch stochastische Modellierung (Monte-Carlo-Simulation) quantifiziert. Die höchsten Anteile von FSGD und RSGD traten bei Niedrigwasser auf. Die mittleren Anteile von FSGD und RSGD betrugen in der Nähe der Ästuarmündung 0,2 % und 0,8 % während einer 24-stündigen Zeitreihenmessung. Diese Informationen führten in Kombination mit einer Radon-Massenbilanz zur Bestimmung eines mittleren FSGD von 46.000 m³ d-1 sowie eines mittleren RSGD von 150.000 m³ d-1. Diese Ergebnisse implizieren unter Einbeziehung weiterer Daten, dass SGD ein bedeutender Pfad für den Eintrag von gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) in das Knysna-Ästuar darstellt. Diese Studie zeigt das Potenzial einer EMMA für die Bestimmung der Anteile von vier End-membern unter Nutzung von zwei gemessenen Variablen und unter Berücksichtigung der End-member-Unsicherheit. Außerdem wurde die Bedeutung von SGD für das Wasser- und DIN-Budget des Knysna-Ästuars aufgezeigt. (4) Quantifizierung von Grundwasseraustrittsrate und Wasserverweilzeit eines grundwas-sergespeisten Sees (Ammelshainer See, Deutschland). Der vorgestellte Ansatz nutzt die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H) und von Ra-don für die Bestimmung des mittleren langfristigen sowie der aktuellen Grundwas-seraustrittsrate. Die Berechnungen beruhen auf Abschätzungen des Isotopeninventars anhand von Feldmessungen, der Isotopensignatur des Grundwassers sowie ergänzen-den Klima- und Isotopen-Daten (Niederschlag). Die Ergebnisse einer stationären Isoto-pen-Massenbilanz für δ18O und δ2H sind übereinstimmend und ergaben einen langfristigen mittleren Grundwasseraustritt von 2.800 bis 3.350 m³ d-1. Dieses Ergebnis wurde für die Modellierung des jährlichen Zyklus des Isotopeninventars im See benutzt, welches mit den gemessenen Isotopenwerten konsistent ist. Die auf Grundlage einer Radon-Massenbilanz abgeleiteten aktuellen Grundwasserzutrittsraten lagen im Gegensatz dazu deutlich niedriger, was jedoch nicht notwendigerweise einen Widerspruch darstellen muss, sondern vielmehr ein Hinweis auf eine möglicherweise ausgeprägte saisonale Variabilität des Grundwasseraustritts darstellen kann. Diese Studie zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von einer Kombination aus δ18O/δ2H- und Radon-Massenbilanzen für die Bestimmung der Grundwasseranbindung von Seen mit einem vergleichsweise geringen Messaufwand unter Nutzung qualitativ hochwertiger und umfangreicher Klima-und Isotopen-Daten (Niederschlag). Diese Dissertation präsentiert wichtige methodische Fortschritte hinsichtlich der An-wendung von Radon- und stabilen Isotopen-Massenbilanzen, der Quantifizierung von Unsicherheit, der Unterscheidung von FSGD und RSGD anhand geochemischer Daten und der Validierung von FSGD. Außerdem wurden erstmals SGD-Raten für Standorte in Südafrika (False Bay und Knysna-Ästuar) vorgestellt.

L’érosion hydrique est un processus majeur de dégradation des sols dans le monde avec des conséquences multiples : perte de terres agricoles, envasement des cours d’eau, coulées boueuses. En France, la région Hauts-de-France est la zone la plus touchée par ces pertes en terres qui peuvent dépasser les 10 t ha-1 an-1. Si les processus à l’origine de ces transferts sédimentaires ont été largement étudiés par la communauté scientifique ces dernières années, il reste néanmoins des verrous liés aux variabilités spatio-temporelles. De plus, l’efficacité des politiques récentes de lutte contre l’érosion n’est pas quantifiée. Cette étude propose une analyse de la variabilité spatio-temporelle des transferts sédimentaires selon plusieurs échelles (1-1000 km²), et une première évaluation de l’efficacité des politiques d’aménagement au sein d’un bassin du Nord de la France (la Canche ; 1274 km²). Une station de mesure haute-fréquence, a été implémentée à l’exutoire d’un sous-bassin versant de la Canche (la Pommeroye ; 0,54 km²) pour quantifier les transferts hydro-sédimentaires sur deux années hydrologiques contrastées. Selon nos résultats, les transferts varient de 29,4 à 70 t km-2 an-1. 40% du flux est exporté au cours de 3 épisodes érosifs majeurs (sur 48 enregistrés) et les paramètres forçants sont liés à la durée d’un épisode pluvieux et la quantité de précipitations. Sur ce même bassin, la prédiction spatiale à l’échelle centimétrique des transferts hydro-sédimentaires a pu être effectuée via le nouveau modèle d’érosion des sols WATERSED (BRGM) et l’efficacité d’un plan d’aménagement de lutte contre l’érosion a été quantifiée. Nos résultats permettent de valider l’opérabilité du modèle sur ce territoire. Les transferts sédimentaires à l’échelle du parcellaire agricole peuvent atteindre les 76 t km-2 pour un évènement donné et sont influencés par l’état de surface du parcellaire agricole. Une réduction significative (jusqu’à 84%) des transferts par les aménagements d’hydraulique douce est également observée. A l’échelle du bassin de la Canche, l’utilisation de traceurs chimiques et spectrocolorimétriques dans un modèle de mélange (Sed_Sat ; USGS) a permis d’évaluer d’une part les contributions des affluents de la Canche et d’autre part les contributions des sols et des berges (respectivement 30-70%). Des variations spatio-temporelles significatives ont pu être observées et les résultats tendent à montrer un potentiel impact positif des politiques récentes d’aménagement du territoire. Cette étude montre également que de nouveaux traceurs liés à la signature spécifique des particules magnétiques sont particulièrement prometteurs dans ce contexte pour tracer un signal d’érosion des sols. A terme, ces données pourraient être incluses dans des approches sediment fingerprinting. L’analyse selon plusieurs modalités spatio-temporelles et le couplage expérimentation/modélisation améliore donc notre compréhension de la dynamique des transferts sédimentaires sur le bassin versant de la Canche. Cela fournit des résultats essentiels pour orienter les futures politiques de lutte contre l’érosion des sols. / Water erosion is a serious concern in global land degradation leading to multiple consequences: loss of arable lands, siltation of streams, mudflows. In France, the Hauts-de-France region is the most affected area, and soil loss can exceed 10 t ha-1 yr-1. Although hydro-sedimentary processes have been widely studied by the scientific community, there is still a lack of knowledge in the understanding of the spatio-temporal variabilities. Additionally, the effectiveness of recent erosion control policies so far cannot be quantified. This study proposes an analysis of the spatio-temporal variability of sedimentary transfer at different scaling (1-1000 km²), and an initial assessment of the effectiveness of management policies within a northern France catchment (the Canche river, 1274 km²). A high-frequency monitoring station was implemented at the outlet of a Canche sub-catchment (the Pommeroye, 0.54 km²) to quantify the hydro-sedimentary transfer over two contrasted hydrologic years. According to our results, sediment yield varies from 29.4 to 70 t km-2 yr-1. 40% of the flux is exported during 3 major erosive events (out of 48 recorded) and the forcing parameters are related to the duration and the amount of rainfall. In this sub-catchment, the centimeter-scale spatial prediction of the hydro-sedimentary transfer was carried out using the new soil erosion model WATERSED (BRGM) and the effectiveness of an anti-erosion management plan was quantified. Our results validate the operability of the model in this context. For a given event, sediment transfer can reach 76 t km-2 yr-1 in agricultural plots and are strongly depending on the soil surface state. A significant reduction (up to 84%) of sedimentary transfer by the anti-erosion plan was also observed. At the scale of the Canche catchment, the use of chemical and spectrocolorimetric tracers in a mixing model (Sed_Sat tool; USGS) evaluated the contributions of the Canche tributaries and sediment sources contributions (i.e. channel banks and soils; 30-70% respectively). Significant spatio-temporal variations have been observed and the results show a potential positive impact of the recent management policies. This study also shows that new tracers related to the specific signature of magnetic particles are promising in the context to trace soil erosion. For further analyses, this data could be included in sediment fingerprinting approaches. Thus, this study based on several spatio-temporal modalities and the coupling of experimentation and modelling improves our understanding of the Canche hydro-sedimentary dynamics. It provides essential results to guide the future erosion control policies.

Les eaux souterraines représentent environ 98% des eaux douces potentiellement disponibles pour l'homme sur notre planète, en faisant donc une ressource fondamentale de nos sociétés. Du fait du changement climatique et du fort lien existant entre le climat et le cycle de l'eau, une préoccupation légitime est née concernant l'impact potentiel de ce changement climatique sur les ressources en eau. À ce jour, des évidences de plus en plus nombreuses appuient le fait que les modifications des conditions climatiques se répercutent sur le cycle hydrologique. L'identification de la sensibilité des eaux souterraines aux variations climatiques est donc devenue indispensable. Or, le climat est un système hautement complexe dont les variations, contrôlées par de nombreux facteurs à la fois naturels et anthropiques s'effectuent sur toutes les échelles de temps. Les modifications climatiques ne sont donc pas un phénomène nouveau, les eaux souterraines ont par conséquent subi dans le passé les effets de ces variations climatiques, elles en subissent actuellement les changements et subiront celles à venir. Les travaux développés dans cette thèse ont abordé cette problématique visant à caractériser la sensibilité de la ressource en souterraine face aux variations climatiques. À l'aide de l'analyse de traceurs environnementaux à l'échelle régionale, les impacts d'évènements climatiques majeurs intervenus sur les derniers millions d'années (transgression marine et période glaciaire) sont mis en évidence au sein du système hydrogéologique actuel. Puis, à l'aide de modélisation hydrogéologique, l'impact du changement climatique est étudié à travers les relations particulières existantes entre l'eau souterraine et les compartiments de surface et l'océan. Toutes ces études mettent en avant la sensibilité de la ressource en eau souterraine aux variations climatiques en termes de qualité (salinisation) et de quantité (baisse des niveaux d'eau). Les ressources hydrogéologiques sont particulièrement sensibles aux variations climatiques et hydrologiques (modifications de recharge, intrusions eau de mer…) ainsi qu'aux facteurs non climatiques (activités humaines). La gestion de cette ressource nécessite donc de considérer à la fois les risques climatiques et non climatiques ainsi que de prendre en compte l'adaptation à long terme de ces systèmes. / Groundwater resources represent approximately 98% of global freshwater resources available for humans on our planet; therefore groundwater is fundamental resource of our societies. Due to climate change and strong link between climate and the cycle of water, an understandable concern is appeared about the potential impacts of climate change on water resources. Nowadays, growing body of evidence supports the fact that changes in climatic conditions (temperature, precipitation, evaporation…) impact the hydrologic cycle and consequently groundwater resources. The identification of groundwater sensibility to climate variations has become essential. The climate is a highly complex system where its variations drive by many factors both natural and human occurs on all time scales. Climatic changes are not a new phenomenon, groundwater resources have already been impacted by effects of climatic variations, are impacting presently and will be in the future. The work carried out under this thesis covered this problematic to characterize the groundwater resources sensibility to climate variations. With the help of environmental tracers analyzed at the regional scale, impacts of major climate events occurred since the last millions years (marine transgression and glacial period) have been identified in the current hydrogeologic system. Then, support by hydrogeological modeling the impact of climate change has been studied through the specific relationships between groundwater and surface water bodies and ocean. All these studies highlight the important sensibility of groundwater resources to climate variations in terms of quality (salinization) and quantity (lower water levels). Hydrogeological resources are particularly sensitive to climate and hydrological variations (recharge changes, seawater intrusion…), as well as to non-climatic factors (human activities). Thus groundwater resources management needs to consider both climatic and non-climatic risks and the long-term adaptation of these systems.

Abstract Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales. / Tiivistelmä Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.