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Die Arbeit beinhalted verschiedene Studien, die die Grundwasser (GW)-Oberflächenwasser (OW)-Interaktion im Norddeutschen Tiefland untersuchen. Dabei werden zwei Ansätze verfolgt: der hydrogeologische und der limnologische Ansatz. Ersterer betrachtet die Interaktionen aus dem Blickpunkt der unterirdischen Wasserbewegung. Diese ist hauptsächlich gesteuert durch die Verteilung der hydraulische Leitfähigkeit (Sediment) und des hydraulischen Gradienten. Es ist immer noch eine Herausforderung beide Steuerungsgrößen richtig abzuschätzen. Mit neuen Ansätzen, welche auf der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Landschafskomponenten basieren (Wasserstände, Topographie, Vegetation, Nährstoffe), wurde klein- bis mesoskalige Sedimentverteilungen in einer Aue untersucht und beschrieben. Des Weiteren konnte mit einem einfachen Grundwassermodell gezeigt werden, das verschiedene Grundwasserstonckwerke (regionale Skala) die Interaktion zwischen GW und einem See beeinflussen können. Der limnologische Ansatz basiert auf der Annahme, dass Bereiche in einem See identifiziert werden können an denen Grundwasser zutritt. In der vorliegenden Arbeit, wurden eine Methode getestet, die auf der unterschiedlichen Temperatur von beiden Wasserkörpern basiert: Im Frühjahr ist das GW wärmer als das Seewasser und sollte sich an der Seeoberfläche einschichten. Mittels thermalen Luftbildaufnahmen sollten somit Grundwasserzutritte identifizierbar sein. Die Studien aber zeigten, dass dies nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist und seeinterne Prozesse bei der Interpretation der Temperaturverteilung an der Seeoberfläche berücksichtigt werden müssen. Somit besteht noch ein erhöhter Forschungsbedarf bezüglich des limnologischen Ansatzes. Dennoch birgt dieser ein großes Potential, denn er eröffnet die Möglichkeit kurzfristig auf grundwasserbürtige Einträge in OW direkt an der Sediment-Wasser-Grenze zu reagieren und verschafft somit Zeit für aufwändigere hydrogeologische Untersuchungen. / The thesis constists of different studies, which are investigating groundwater-surface water interaction in North-German-Lowlands. Therefore, two different approaches were used: the hydrogeological and the limnological one. The former is based on the classical hydrogeological point of view: the subsurface water movement is mainly driven by hydraulic conductivity (sediment) and the hydraulic gradient. However, the characterisation of both is still a challange. Different methods were used to characterize small- and meso-scale sediment distributions within a lowland floodplain. These are based on the interactions of different landscape components (water level fluctuations, topography, vegetation, nutrient distributions). Furthermore, a simple groundwater model was set up to illustrate how regional groundwater flow impacts local groundwater-lake interactions. The limnological approach is based on the assumption that areas of groundwater exfiltration into a lake are detectable directly at the sediment-water interface. For this purpuse, it was assuemed that temperature differences between both water bodies could be used as follows: in spring the groundwater temperature is higher than that of lakes. Hence, the warmer groundwater float on the lake surface. That should be detectable by thermal infrared imaging. However, the studies could illustrate, that this is only true for specific conditions. Furthermore, lake internal processes need to be considered for interpreting temperature distributions at the lake surface. As a consequence, the limnological approach requires more research activities, since it gives the opportunity to initate short-term measures on groundwater inputs in surface waters. This would also guarantee larger time spans for time-consuming hydrogeological studies.

Natürliche Niederungsgebiete wirken als effektive Phosphor Senke. Landwirtschaftliche Nutzung und Drainage führt zur Transformation zu Phosphor Quellen. Dem Spreewald, ein Feuchtgebiet und seiner Funktionsweise als Phosphor Quelle oder –Senke, kommt im Einzugsgebiet der Spree eine wichtige Rolle zu. Die vorhandenen Kenntnisse der Phosphor Umsatzprozesse und des Phosphor Austausches zwischen den Flächen und dem Fließgewässernetz sind jedoch gering. Praktikable Ansätze zur Beschreibung des Phosphor Austauschverhaltens von Nährstoffen in den ausgedehnten Polderregionen liegen nicht vor. Anhand hydrologischer, geohydraulischer und biogeochemischer Prozessuntersuchungen in einer Polderlandschaft mit typischer Stauhaltung konnten die Phosphor Freisetzungs- und Retentionsprozesse ausgewiesen werden. Unter Nutzung verschiedener Modellansätze (geohydraulische Modellierung, Stofftransportmodellierung und Statistische Modelle) und der Berechnung von Phosphor Prozessraten werden horizontale und vertikale Phosphor Fluxe in den Flächen-Wasser Übergangszonen quantifiziert. Die Ergebnisse gehen in ein Phosphor Bilanzmodell ein, das die P-Quellen und Senkenfunktion von Polder Teilflächen (überstaut, genutzt) und des gesamten Polders in Monatsschritten abbildet. Die biogeochemischen Phosphor Umsatzprozesse sowie der horizontale und vertikale Transport werden wesentlich von den hydrologischen und den klimatischen Bedingungen gesteuert. Sie stellen die primären Einflussgrößen der P Senken oder -Quellenfunktion dar. Im Polder wird die Phosphor Netto Freisetzung der genutzten Bereiche durch eine hohe Phosphor Netto Retention in den überstauten Flächen abgemindert. Szenario Untersuchungen zeigen, dass sinkende Grabenwasserstände zu einer erheblichen Erhöhung der Phosphor Emissionen aus dem Grundwasserpfad führen. Ansteigende Phosphor Fluxe bei sinkenden Wasserständen legen ein zunehmendes Eutrophierungsrisiko in den Gräben sowie für unterhalb gelegene aquatische Systeme nahe. / Natural wetlands effectively retain phosphorus. Agricultural cultivation and drainage by ditches transform them to phosphorus sources. In the Spree catchment, the Spreewald, a large scaled lowland has a strategic importance operating as a phosphorus sink or phosphorus source. Anyhow, knowledge of its phosphorus turnover processes and the phosphorus exchange behavior between the plain and the river and ditch network are marginal. Practicable approaches to reproduce the phosphorus exchange behavior in its typical polder areas are missing. Based on process investigations in a polder area with typical weir regulation, phosphorus retention and remobilization processes are characterized. Combining different model approaches (groundwater modeling, matter transport modeling and statistical models) and calculating process rates, the horizontal and vertical phosphor fluxes in the water soil/sediment transition zones are quantified. The outcomes are used as input data for a phosphorus balance model reproducing the phosphorus source and sink character of used and rewetted polder areas and for the whole polder in monthly time steps. Results from process and transport investigations point out that biogeochemical turnover processes and horizontal or vertical phosphorus transport are driven by hydrological and climatological conditions. Net phosphorus release found in the extensive used polder areas is counteracted by significant net phosphorus retention in the rewetted parts. Scenario analyses identify decreasing ditch water levels to cause a considerable increase of phosphorus emissions from the groundwater pathway. Consequently, the increasing phosphorus fluxes at decreasing water levels provoke a growing risk for eutrophication in the ditches but also in the downstream aquatic systems.

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.

The Middle Fork John Day Basin in Northeastern Oregon is prime habitat for spring Chinook salmon and Steelhead trout. In 2008, a major tributary supporting rearing habitat, Big Boulder Creek, was restored to its historic mid-valley channel along a 1 km stretch of stream 800 m upstream of the mouth. Reduction of peak summer stream temperatures was among the goals of the restoration. Using Distributed Temperature Sensing (DTS) Fiber Optic Technology, stream temperature was monitored prior to restoration in June 2008, and after restoration in September 2008, July 2009, and August 2009. Data gathered was used to determine locations of groundwater and hyporheic inflow and to form a stream temperature model of the system. The model was used both to develop an evaluation method to interpret components of model performance, and to better understand the physical processes important to the study reach. A very clear decreasing trend in surface temperature was seen throughout each of the DTS stream temperature datasets in the downstream 500 m of the study reach. Observed reduction in temperature was 0.5°C (±0.10) in June 2008, 0.3°C (±0.37) in September 2008, 0.6°C (±0.25) in July 2009, and 0.2°C (±0.08) in August 2009. Groundwater inflow was calculated to be 3% of the streamflow for July 2009 and 1% during the August 2009 installation. Statistically significant locations of groundwater and hyporheic inflow were also determined. July 2009 data was used to model stream temperature of the 1 km (RMSE 0.28°C). The developed model performance evaluation method measures timelag, offset, and amplitude at a downstream observed or simulated point compared with the boundary condition, rather than evaluating the model based on error. These measures are particularly relevant to small scale models in which error may not be a true reflection of the ability of a model to correctly predict temperature. Breaking down model performance into these three predictive measures was a simple and graphic method to show the model's predictive capability without sorting through large amounts of data. To better understand the model and the stream system, a sensitivity analysis was conducted showing high sensitivity to streamflow, air temperature, groundwater inflow, and relative humidity. Somewhat surprisingly, solar radiation was among the lowest sensitivity. Furthermore, three model scenarios were run: a 25% reduction in water velocity, a 5°C increase in air temperature, and no groundwater inflow. Simulations of removal of groundwater inflows resulted in a 0.5°C increase in average temperature over the modeled time period at the downstream end, further illustrating the importance of groundwater in this stream system to reduce temperatures. / Graduation date: 2012