Diese Arbeit leistet einen methodischen Beitrag zur Identifizierung von Umsetzungsprozessen der Stickstoffverbindungen Ammonium und Nitrat in belasteten Grundwasserleitern mittels der Analytik der Isotopenverhältnisse N-15 bzw. O-18. Es existieren bereits verschiedene Präparationsmethoden, jedoch sind diese teilweise arbeits- oder zeitaufwändig und damit mit erheblichen Kosten verbunden. Für eine breitere Anwendbarkeit in den Umweltwissenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei vereinfachte Methoden für die N-15 bzw. O-18 Stabilisotopenanalytik von Ammonium und Nitrat in Wässern erarbeitet. Zum einen wurde eine Fällungsmethode mit Natriumtetraphenylborat für die Probenvorbereitung der N-15 Isotopenanalyse für Ammonium weiterentwickelt, getestet und validiert. Bisher existierten keine Studien zur Anwendbarkeit dieser Methode auf die Analyse ammoniumhaltiger Wasserproben. Daher wurde die Methode in dieser Arbeit für die Anwendbarkeit auf Wasserproben optimiert, insbesondere auf natürliche Grundwasserproben. Zum anderen wurde eine gängige Aufbereitungsmethode für gelöstes Nitrat weiterentwickelt. Dabei wurden die Vorbereitungs- und Arbeitszeit der Denitrifizierermethode verkürzt, ohne die Genauigkeit der Messung negativ zu beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden zwei bestehende Varianten der Methode miteinander kombiniert und modifiziert. Als Eignungsprüfung der Methoden zur Prozessidentifikation erfolgte eine exemplarische Feldstudie. Als Modellstandort diente ein Untersuchungsgebiet im Südosten Berlins. Der Grundwasserleiter des Standortes ist u. a. durch eine massive Kontamination von Ammonium gekennzeichnet. Im Untersuchungsgebiet wurde das sogenannte BIOXWAND-Verfahren entwickelt und zur Sanierung auf den Grundwasserleiter angewandt. Dabei handelt es sich um ein in-situ-Verfahren, wobei eine direkte Injektion von Sauerstoff in den Grundwasserleiter erfolgt um Nitrifikation zu begünstigen. Für die isotopengestützte Prozessidentifikation wurden im Rahmen dieser Arbeit von 2016 bis 2019 zweimal jährlich Grundwasserproben aus dem BIOXWAND-Anstrom und dem BIOXWAND-Abstrom entnommen und mit den erarbeiteten Präparationsmethoden aufbereitet und analysiert. Zur Prozessidentifikation wurde ein analytisches Modell erstellt. Bei der vorliegenden kumulativen Dissertation handelt es sich um eine verkürzte Darstellung der Forschungsergebnisse. Die ausführlichen Ergebnisse wurden bereits in der Fachzeitschrift 'Rapid Communications in Mass Spectrometry' veröffentlicht.:VERZEICHNIS DER TABELLEN ................................................................................ 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN ....................................................................... 10 VERZEICHNIS DER ANHÄNGE .............................................................................. 11 VERZEICHNIS DER SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN ............................................. 12 1 EINLEITUNG UND MOTIVATION ....................................................................... 14 2 ZIELSETZUNG UND KONZEPT ............................................................................ 16 3 THEORETISCHE EINFÜHRUNG .......................................................................... 18 3.1 Stickstoff in der Umwelt ........................................................................................ 18 3.2 Ammonium und Nitrat im Stickstoffkreislauf ........................................................... 18 3.3 Einflussfaktoren auf die Prozesse des Stickstoffkreislaufs ....................................... 21 3.4 Isotopenanalytik in den Umweltwissenschaften ...................................................... 22 3.4.1 Definition stabiler Isotope ................................................................................................... 22 3.4.2 Isotopieeffekte und Fraktionierung .................................................................................... 24 3.4.3 Delta-Notation ....................................................................................................................... 25 3.4.4 Fraktionierungs- und Anreicherungsfaktor ....................................................................... 28 3.5 Analyse stabiler Isotope mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie ................. 29 3.5.1 Allgemeine Informationen ................................................................................................... 29 3.5.2 Massenspektrometer ............................................................................................................ 29 3.5.3 Analyse stabiler Isotope mittels Elementaranalysator-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Kopplung (EA-IRMS) ...................................................................... 31 3.5.4 Analyse stabiler Isotope mittels GasBench II – IRMS ..................................................... 33 3.6 Ammonium und Nitrat im Kontext stabiler Isotope .................................................. 34 4 PROBENAUFBEREITUNGSMETHODEN ............................................................... 37 4.1 Bedeutung der Probenaufbereitung ....................................................................... 37 4.2 Probenaufbereitung für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ....................... 37 4.2.1 Destillationsmethode ............................................................................................................ 37 4.2.2 Quecksilberfällung ................................................................................................................ 37 4.2.3 Diffusionsmethode ................................................................................................................ 38 4.2.4 Kationenaustausch................................................................................................................ 39 4.2.5 Fällung von Ammonium mittels Tetraphenylborat ........................................................... 39 4.2.6 Weitere Methoden ................................................................................................................ 40 4.3 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ............................................................................................... 40 4.4 Probenaufbereitung für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3− ........ 41 4.4.1 Reduktionsmethoden ........................................................................................................... 41 4.4.2 Denitrifizierermethode ......................................................................................................... 41 4.4.3 Silbernitratfällung.................................................................................................................. 42 4.4.4 Bariumnitratfällung ............................................................................................................... 43 4.5 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3- ....................................................................... 43 5 ÜBERBLICK DER DURCHGEFÜHRTEN STUDIEN ................................................ 44 5.1 δ15N-Analyse von Ammonium in gefriergetrockneten, natürlichen Grundwasserproben durch Fällung mit Natriumtetraphenylborat ............................................................ 44 5.2 Weiterführende Optimierung der Denitrifizierermethode für die schnelle 15N und 18O-Analyse von Nitrat in natürlichen Wasserproben ..................................................... 44 5.3 Beispielhafte Identifizierung von Nitrifikation und Sorptionsprozessen von Ammonium als Feldstudie ...................................................................................................... 45 6 DISKUSSION UND AUSBLICK ............................................................................ 47 7 DANKSAGUNG ................................................................................................... 50 8 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................. 51 ANHANG ............................................................................................................... 61 / This thesis provides a method to identify the transformation of the nitrogen species ammonium and nitrate in polluted aquifers by analyzing the isotope ratios N-15 and O-18. Various preparation methods already exist, but are either labor intensive or time consuming and are therefore related with considerable costs. To achieve a broader applicability in environmental sciences, two simplified methods for the N-15 and O-18 stable isotope analysis of ammonium and nitrate in water were developed in this thesis. On the one hand, a precipitation method using sodium tetraphenylborate for the sample preparation of the N-15 isotope analysis for ammonium was modified, tested and validated. So far no studies could verify the applicability of this method for analysis of water samples containing ammonium. Therefore, the method was optimized for applicability to water samples, especially natural groundwater samples within this thesis. On the other hand, a common processing method for dissolved nitrate was optimized. The preparation and working time of the denitrification method was shortened without negatively affecting the accuracy of the measurement. For this purpose, two existing variants of the method were combined and modified. Furthermore, an exemplary field study was carried out to test the suitability of the preparation methods for process identification. A study area southeast of Berlin (Germany) containing an aquifer massively contaminated with ammonium served as a model location. Inside the area, the so-called BIOXWAND process, an in-situ process whereby oxygen is injected directly into the aquifer to promote nitrification, was developed and applied to the aquifer in terms of remediation. For isotope-based process identification, groundwater samples were taken twice a year from 2016 to 2019 from the BIOXWAND inflow and outflow and analyzed using the preparation methods developed. An analytical model was created for process identification.:VERZEICHNIS DER TABELLEN ................................................................................ 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN ....................................................................... 10 VERZEICHNIS DER ANHÄNGE .............................................................................. 11 VERZEICHNIS DER SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN ............................................. 12 1 EINLEITUNG UND MOTIVATION ....................................................................... 14 2 ZIELSETZUNG UND KONZEPT ............................................................................ 16 3 THEORETISCHE EINFÜHRUNG .......................................................................... 18 3.1 Stickstoff in der Umwelt ........................................................................................ 18 3.2 Ammonium und Nitrat im Stickstoffkreislauf ........................................................... 18 3.3 Einflussfaktoren auf die Prozesse des Stickstoffkreislaufs ....................................... 21 3.4 Isotopenanalytik in den Umweltwissenschaften ...................................................... 22 3.4.1 Definition stabiler Isotope ................................................................................................... 22 3.4.2 Isotopieeffekte und Fraktionierung .................................................................................... 24 3.4.3 Delta-Notation ....................................................................................................................... 25 3.4.4 Fraktionierungs- und Anreicherungsfaktor ....................................................................... 28 3.5 Analyse stabiler Isotope mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie ................. 29 3.5.1 Allgemeine Informationen ................................................................................................... 29 3.5.2 Massenspektrometer ............................................................................................................ 29 3.5.3 Analyse stabiler Isotope mittels Elementaranalysator-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie-Kopplung (EA-IRMS) ...................................................................... 31 3.5.4 Analyse stabiler Isotope mittels GasBench II – IRMS ..................................................... 33 3.6 Ammonium und Nitrat im Kontext stabiler Isotope .................................................. 34 4 PROBENAUFBEREITUNGSMETHODEN ............................................................... 37 4.1 Bedeutung der Probenaufbereitung ....................................................................... 37 4.2 Probenaufbereitung für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ....................... 37 4.2.1 Destillationsmethode ............................................................................................................ 37 4.2.2 Quecksilberfällung ................................................................................................................ 37 4.2.3 Diffusionsmethode ................................................................................................................ 38 4.2.4 Kationenaustausch................................................................................................................ 39 4.2.5 Fällung von Ammonium mittels Tetraphenylborat ........................................................... 39 4.2.6 Weitere Methoden ................................................................................................................ 40 4.3 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N-Isotopenanalyse von gelöstem NH4+ ............................................................................................... 40 4.4 Probenaufbereitung für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3− ........ 41 4.4.1 Reduktionsmethoden ........................................................................................................... 41 4.4.2 Denitrifizierermethode ......................................................................................................... 41 4.4.3 Silbernitratfällung.................................................................................................................. 42 4.4.4 Bariumnitratfällung ............................................................................................................... 43 4.5 Zusammenfassung der Probenaufbereitungsmethoden für die δ15N- und δ18O-Isotopenanalyse von gelöstem NO3- ....................................................................... 43 5 ÜBERBLICK DER DURCHGEFÜHRTEN STUDIEN ................................................ 44 5.1 δ15N-Analyse von Ammonium in gefriergetrockneten, natürlichen Grundwasserproben durch Fällung mit Natriumtetraphenylborat ............................................................ 44 5.2 Weiterführende Optimierung der Denitrifizierermethode für die schnelle 15N und 18O-Analyse von Nitrat in natürlichen Wasserproben ..................................................... 44 5.3 Beispielhafte Identifizierung von Nitrifikation und Sorptionsprozessen von Ammonium als Feldstudie ...................................................................................................... 45 6 DISKUSSION UND AUSBLICK ............................................................................ 47 7 DANKSAGUNG ................................................................................................... 50 8 LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................. 51 ANHANG ............................................................................................................... 61

Es wurden die mikrobiellen Abbauprozesse an einem Standort mit gaswerkstypischer Schadstoffkontamination, v. a. BTEX und PAK, untersucht. Ziel war es, die relevanten mikrobiologischen Abbauprozesse mit gängigen Analysemethoden zu identifizieren und das Natural Attenuation-Potential zu bewerten. Neben einer Betrachtung der Schadstoffe im Feld wurde ein ausführliches hydrogeochemisches und mikrobiologisches Analyseprogramm durchgeführt. Der Schadstoffabbau wurde in Labor-Mikrokosmen unter für den Standort charakteristischen, überwiegend anaeroben Bedingungen untersucht. Methodik und Umfang der Untersuchungsmethoden wurden im Hinblick auf eine Anwendung an weiteren Standorten bewertet. Die Schadstoffausbreitung in der Fahne, die Keimzahluntersuchungen und eine deutliche Redoxzonierung mit einer Sukzession von Methanogenese, Sulfatreduktion und Fe(III)-Reduktion spiegelten mikrobielle Abbauprozesse wider. Dabei beeinflussten und überlagerten die Prozesse im Schadensherd die Prozesse in der Fahne stark. Die Felddaten gaben Hinweise auf abiotische Sekundärreaktionen zwischen den Redoxpaaren Fe(III)/Fe(II), Sulfat/Sulfid und O2/H2O. Die Berechnung der Assimilativen Kapazität (AC) zeigte ein gutes Angebot an CO2 und Sulfat, während die übrigen TEA Sauerstoff, Nitrat und auch Fe(III) am Standort stark limitiert waren. Dem stand eine von den Redoxbedingungen abhängige, unterschiedlich gute Abbaubarkeit der Modellschadstoffe Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Naphthalin, Acenaphthen, Phenanthren und Pyren im Laborversuch gegenüber. Methanogenese wurde in keinem der Versuchsansätze beobachtet. Unter sulfatreduzierenden Bedingungen fand ein Abbau weniger Modellschadstoffe (Toluen, z.T. auch Ethylbenzen und Naphthalin) statt. Mit den TEA Nitrat und insb. Fe(III) erweiterte sich das Abbauspektrum gegenüber sulfatreduzierenden Bedingungen. Mit Sauerstoff fand ein Abbau aller im Grundwasser enthaltenen BTEX und PAK statt. Vor dem Hintergrund der AC und den Ergebnissen der Mikrokosmen bedarf es für einen vollständigen Schadstoffabbau im Feld einer Kombination verschiedener TEA-Prozesse, insb. eines Zusammenwirkens von Fe(III)- und Sulfatreduktion und eines Einflusses von Sauerstoff an den Fahnenrändern. Die unterschiedlichen Abbaumuster bzw. Abbaugeschwindigkeiten in Abhängigkeit der TEA machen das Einbeziehen der Redoxzonierung in eine Modellierung des Standortes erforderlich. Neben den TEA hatte die Verfügbarkeit der Makroelemente Phosphor und Stickstoff sowie von Mikroelementen einen Einfluss auf den Abbau. In den Respirometeruntersuchungen mit hohen Substratkonzentrationen war Phosphat in allen und Ammonium in einem Teil der Grundwässer, in Abhängigkeit von der Entnahmestelle im Feld, limitierend. Bei niedrigen Substratkonzentrationen in den Mikrokosmen trat kein Mangel an N und P auf. In allen Fällen hatte aber eine Zugabe von Mikroelementen einen förderlichen Effekt auf den Abbau. Die Methodik der Standortuntersuchungen folgte dem Prinzip der multiple lines of evidence. Die hydrochemischen Parameter O2, NO3-, Fe2+, Mn2+, SO42-, S2-, CH4, NH4+, PO43 waren geeignet, einen mikrobiellen Abbau und potentielle Limitationen durch Nährstoffe zu zeigen. Ein Vergleich der Ergebnisse der tiefenhorizontierten Beprobung mit einem stärker räumlich integrierenden Ansatz zeigte, dass ohne eine entsprechende räumliche Auflösung die AC überschätzt würde. Die Summenparameter, insb. die Toxizität, lieferten wertvolle Zusatzinformationen über die Gesamtkontamination. Der Abbau der (Modell-)Schadstoffe in den Mikrokosmen ermöglichte eine Einschätzung der generellen Abbaubarkeit der Schadstoffe am Standort, der Einflussparameter auf den Schadstoffabbau sowie möglicher Stimulationsmaßnahmen.

Die genaue Kenntnis über den Wasserhaushalt stellt die Grundlage für die Bewirtschaftung der Ressource Wasser dar. Im urbanen Raum spielen dabei die siedlungshydrologischen Randbedingungen, wie Versiegelung, Anschlussgrad an die Kanalisation oder wasserbauliche Eingriffe, eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Zur Quantifizierung der verschiedenen Wasserhaushaltsgrößen wurde ein konzeptioneller Ansatz entwickelt, der die jeweiligen Randbedingungen berücksichtigt und deren gegenseitige Beeinflussung abbildet. Hierbei muss der Einfluss auf den Wasserhaushalt auch bei veränderten Bedingungen simulierbar sein. Als Untersuchungsgebiet wurde das Gebiet der Wuhle, ein rechter Nebenfluss der Spree, gewählt, da es alle relevanten Aspekte der Wasserwirtschaft beinhaltet. Die Wuhle entspringt auf der Barnim-Grundmoränenhochfläche bei Ahrensfelde und mündet nach etwa 15,7 km Lauflänge im Stadtteil Köpenick in die Spree. Der Ansatz beruht auf der Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen mit Hilfe eines flächendifferenzierten Verfahrens zur Ermittlung des Gesamtabflusses aus Niederschlag abzüglich der Verdunstung sowie dessen Aufteilung in einen oberirdischen und einen unterirdischen Teil. Zur Verifizierung der wasserhaushaltlich bestimmten Abflussgrößen wurden detaillierte hydraulische Untersuchungen an der Wuhle durchgeführt und abschnittsweise interpretiert. Anschließend wurde mit Hilfe der Förderdaten der Wasserwerke eine Grundwasserhaushaltsbilanz durchgeführt. Im Ergebnis ließ sich hydrogeologisch der Anteil an Uferfiltrat an der Gesamtfördermenge ermitteln. Zur Simulation des Einflusses des Wasserhaushaltes und der Grundwassernutzung auf den Grundwasserkörper wurde mit Hilfe des Simulators FEFLOW© eine numerische Modellierung der Strömungsverhältnisse durchgeführt. Über den Abgleich der simulierten Grundwasserhöhen mit den Grundwasserständen aus der Stichtagsmessung erfolgte eine zusätzliche Überprüfung der wasserhaushaltlich berechneten Abflussgrößen. / The exact knowledge of the water balance is the basis of the water supply and distribution within a catchment area. In an urban area the boundary conditions of the civil engineering like the sewer system or the hydraulic engineering plays an important role. To quantify the water balance a conceptual approach was developed which takes the current conditions and their interdependence into consideration. The impact of changing conditions on the water balance can also be simulated. As investigation area the catchment of the Wuhle River was chosen because it includes all relevant aspects of water management. The Wuhle River has its source on the ground moraine of the Barnim plateau directly at the city boundary in Ahrensfelde and reaches the Spree in the quarter Köpenick after about 15.7 km. This method uses a differentiated calculation by area to determine the total outflow of rainfall minus evaporization. It also determines the submontane and aboveground distribution. For verification purposes detailed hydraulic investigations were carried out at the Wuhle. With the production rate of the waterworks the groundwater balance was then calculated. As a result the amount of bank filtrate of the total groundwater withdrawal was determined in a hydro geological way. Using the simulation software FEFLOW© a numeric model of the flow pattern was created to simulate the influence on the water balance and the groundwater. The displayed subterranean catchment area of the water work Wuhlheide was based on the water table contours which were interpolated from a fixed date measurement of the groundwater heads. By comparing the simulated groundwater heads and the water levels from the fixed date measurement an additional verification of the water balance was realised.

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.

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.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.:Abstract Zusammenfassung Nomenclature List of Figures List of Tables I Background and Fundamentals 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Structure of the Thesis 1.3 Variable-Density Flow in Literature 2 Theory and Methods 2.1 Governing Equations 2.2 Fluid Properties 2.3 Modelling and Visualization Tools 3 Benchmarks 3.1 Steady-state Unconfined Groundwater Table 3.2 Theis Transient Pumping Test 3.3 Transient Saltwater Intrusion 3.4 Development of a Freshwater Lens II Applications 4 Extended Inverse Distance Weighting Interpolation 4.1 Motivation 4.2 Extension of IDW Method 4.3 Artificial Test and Regional Scale Application 4.4 Summary and Conclusions 5 Modelling Transient Saltwater Intrusion 5.1 Background and Motivation 5.2 Methods and Model Setup 5.3 Simulation Results and Discussion 5.4 Summary, Conclusion and Outlook 6 Gelation of a Dense Fluid 6.1 Motivation 6.2 Methods and Model Setup 6.3 Results and Conclusions 7 Delineating Double-Diffusive Rayleigh Regimes 7.1 Background and Motivation 7.2 Methods and Model Setup 7.3 Results 7.4 Conclusions and Outlook III Summary and Conclusions 8 Important Achievements 9 Conclusions and Outlook Bibliography Publications Acknowledgements Appendix