Der Zustrom von Grundwasser zu Seen (lacustrine groundwater discharge, LGD) kann signifikante Auswirkungen auf Qualität und Quantität des Seewassers haben. Viele Ansätze zur Identifikation und Quantifizierung von LGD basieren auf Temperaturunterschieden zwischen Grund- und Seewasser und der Messung des damit einhergehenden Wärmetransports. Ziel der Doktorarbeit ist es, Signalfortpflanzung und -ausbreitung des Grundwasserzustroms von der Punktskala an der Sediment-Wasser-Grenzfläche über den Wasserkörper bis zur Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre zu untersuchen. Getestet wird die Hypothese, dass das im Verhältnis zum Umgebungswasser wärmere und daher leichtere Grundwasser in der kalten Wassersäule aufsteigt und die Detektion von LGD an der Wasseroberfläche mit thermalen Infrarot Aufnahmen (TIR) erlaubt. Zunächst wird mit der hierarchical patch dynamics ein Konzept entwickelt, das eine angemessene Kombination multipler Techniken zur Erfassung von Wärme- und Wasserflüssen anbietet (Kap. 2). Dabei werden verschiedene räumliche Skalen und ökohydrologische Grenzflächen abgedeckt. Darauf basierend werden in einem Mesokosmos-Experiment unterschiedliche LGD-Raten durch den Zustrom von warmem Wasser am Grund eines Outdoor-Pools simuliert (Kap. 3 und 4). Ein Glasfaserkabel (fibre-optic distributed temperature sensing, FO-DTS) wird in verschiedenen Tiefen installiert, um das Wärmesignal des Grundwasserzustroms unter verschiedenen Bedingungen zu verfolgen. Mit einer TIR-Kamera wird die Temperatur des Oberflächenwassers aufgezeichnet. Die Aufnahmen werden mit FO-DTS-Temperaturen von 2 cm unter der Wasseroberfläche validiert. Die Anwendung von TIR und FO-DTS ermöglicht die Detektion von LGD in der Wassersäule und an der Grenzfläche Wasseroberfläche-Atmosphäre. Wolkenbedeckung und der Tagesgang der Netto-Strahlung kontrollieren den Auftrieb von LGD und die Zuverlässigkeit der TIR-Ergebnisse. Die besten Ergebnisse werden bei Bewölkung und nachts erzielt. / Lacustrine groundwater discharge (LGD) can have significant impacts on lake water quantity and quality. There is a need to understand LGD mechanisms and to improve measurement methods for LGD. Approaches to identify and quantify LGD are based on significant temperature differences between GW and lake water. The main goal of this PhD thesis is to trace heat signal propagation of LGD from the point scale at the sediment-water interface across the overlying water body to the water surface-atmosphere interface. The PhD thesis tests the hypothesis that the positive buoyancy of warm GW causes upwelling across the cold water column and allows detection of LGD at the water surface by thermal infrared imaging (TIR). First, a general conceptual framework is developed based on hierarchical patch dynamics (HPD). It guides researchers on adequately combining multiple heat tracing techniques to identify and quantify heat and water exchange over several spatial scales and ecohydrological interfaces (Chapter 2). Second, the conceptual framework is used for the design of a mesocosm experiment (Chapters 3 and 4). Different LGD rates were simulated by injecting relatively warm water at the bottom of an outdoor mesocosm. A fiber optic distributed temperature sensing (FO-DTS) cable was installed in a 3D setup in the water column to trace the heat signal of the simulated LGD under different weather conditions and over entire diurnal cycles. Finally, a TIR camera was mounted 4 meters above the mesocosm to monitor water surface temperatures. TIR images were validated using FO-DTS temperature data 2 cm below the water surface (Chapter 4). The positive buoyancy of relatively warm LGD allows the detection of GW across the water column and at the water surface-atmosphere interface by FO-DTS and TIR. Cloud cover and diurnal cycle of net radiation strongly control the upwelling of simulated LGD and the reliability of TIR for detection of LGD at the water surface-atmosphere interface. Optimal results are obtained under overcast conditions and during night.

Die Arbeit besteht aus mehreren Studien zur Quantifizierung des Grundwasserstroms in Seen (Exfiltration; engl.: lacustrine groundwater discharge, LGD) und damit verbundener Nährstoffeinträge. In zwei einleitenden Kapiteln dieser Arbeit werden eine Gründe für die Vernachlässigung der Grundwasserexfiltration (LGD) in Seen und der daran gekoppelten Nährstoffeinträge identifiziert. Diese Literaturstudien fassen den aktuellen Kenntnisstand zum Einfluss des Grundwassers auf die Hydrologie von Seen und ihre Nährstoffhaushalte zusammen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden zwei empirische Studien, die sich mit der Quantifizierung der grundwasserbürtigen Phosphor (P)-Fracht in den Arendsee in Deutschland befassen. Das Gesamtvolumen des Grundwasserzustroms wird basierend auf der Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet des Sees ermittelt. Lokale Muster der Grundwasserexfiltration werden anhand von Temperaturtiefenprofilen des Seesediments bestimmt. Eine Kombination der Ergebnisse ermöglicht es, die quantitativen Daten mit lokalen Informationen zu unterstützen. Die Untersuchung der Grundwasserqualität zeigt, dass die P-Konzentrationen im Grundwasser im besiedelten Bereich teilweise stark erhöht sind. Als Konsequenz daraus haben die grundwasserbürtigen P-Frachten einen Anteil von mehr als 50% an der gesamten externen P-Last des Arendsees. Das Grundwasser ist damit eine maßgebliche Ursache für die Eutrophierung des Gewässers. Drei weitere Studien widmen sich der Entwicklung und Optimierung von Ansätzen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Grundwasserexfiltration in Seen. Die kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen der Studien zeigt die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Verbesserung und Standardisierung der Methoden zur Bestimmung von LGD und damit verbundenen Stofftransporten auf. Der Fall des Arendsees sollte alle, Wissenschaftler und Praktiker, dazu motivieren, das Grundwasser als relevante Eutrophierungsquelle in Betracht zu ziehen. / The present work is a collection of studies on lacustrine groundwater discharge (LGD) and groundwater-borne phosphorus (P) loads. For a number of reasons, groundwater exfiltration (i.e., LGD) is often not considered in water and nutrient budgets of lakes. This is also and especially true for P which was often regarded to be immobile in groundwater until recently. Two chapters review the scientific literature regarding the impacts of groundwater on hydrology and nutrient budgets of lakes, respectively. They present mechanisms and processes of LGD as well as techniques and methods to measure LGD and related nutrient transports. Moreover, numbers of LGD volumes and loads reported in literature are presented. The core of the present work is represented by two case studies dealing with the quantification of P loads from LGD to a lake in Germany. A combination of different methods is applied to overcome the problem of quantitative large scale LGD determination without losing local spatial information. P concentrations in groundwater and LGD are investigated by detailed spatial water sampling. The results reveal that P is actually present in concentrations far above natural background concentrations in the urban groundwater. LGD-derived P loads account for more than 50% of the overall external P loads to the lake and by that contribute significantly to lake eutrophication. Three further studies are devoted to the development and improvement of approaches to determine LGD. Critical reviews of the above mentioned studies reveal the need for further research in order to standardize and improve methods for LGD and mass load determination. It is found that the appropriate method for LGD determination depends on the spatial scale of interest. The identification of P introduced by LGD as a main driver of lake eutrophication is an important finding which should encourage scientists, policy makers, and lake managers to consider groundwater as a relevant P source for lakes.