Preferential flow paths are areas of substantially higher permeability than surrounding media. Macropores and soil pipes are a type of preferential flow path where conduit-like voids in the subsurface are typically greater than three millimeters in diameter. They are known to occur in agricultural and forest soils, often as a result of biological and physical processes. Macropores also exist in stream banks and have the potential to enhance the exchange of water and solutes between the channel and riparian groundwater, yet the geographic distribution of bank macropores is unknown. Here we determined the abundance, distribution, and geometry of naturally occurring surface-connected macropores in the banks of 20 streams across five physiographic provinces in the Eastern United States. We identified a total of 1,748 macropores, which were present in all 20 streams, with 3.8 cm average width, 3.3 cm average height, 11.5 cm average depth, and 27.9 cm average height above water surface elevation. Macropore abundance, distribution and geometry were statistically different between physiographic provinces, stream orders, and soil textures, with the latter being the most important. Macropores tended to be larger and more abundant in soils with a high cohesiveness and a low hydraulic conductivity compared to soils with a low cohesiveness and high hydraulic conductivity. As a result, streams with greater longitudinal heterogeneity of soil texture also had greater heterogeneity of macropore density. However, macropore size and height above baseflow water surface elevation also increased with stream order and therefore stream size. This work represents the first attempt to characterize macropores across a variety of riverine systems and presents evidence that macropores may play an important role in hyporheic exchange within stream banks. These results may have water quality implications, where macropores may enhance hyporheic exchange yet reduce the filtering capacity of riparian buffer zones. / MS / Preferential flow paths are soil cavities or areas of highly permeable porous media surrounded by media with a significantly lower permeability. Macropores are a type of preferential flow path where conduit-like voids in the subsurface are typically greater than three millimeters in diameter. Their formation is often the result of biological processes, such as animal burrows and plant roots, erosive action in subsurface flow, or cracks in the soil, and can enable rapid movement of water. Macropores are known to exist in stream banks and have the potential to enhance the exchange of water and solutes between the stream channel and riparian groundwater, yet the geographic distribution of bank macropores is unknown. This research examines the distribution, abundance, and geometry of naturally occurring macropores in the banks of 20 streams across five physiographic provinces in the eastern United States. Macropores were present in all 20 streams despite variations in physiographic province, stream order, and soil texture. However, soil texture appeared to have the greatest influence on the distribution, abundance, and geometry of macropores. For example, soils primarily containing silt and clay had more macropores than soils consisting of sand or gravel. We suspect this is due to differences in soil cohesiveness and/or hydraulic conductivity. This work represents the first attempt to characterize macropores across a variety of riverine systems and presents evidence that macropores may play an important role in surface water and groundwater exchange within stream banks. These results may have water quality implications, for example, how macropores affect the pollutant filtering capacity of riparian buffer zones.

Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes et jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des hydrosystèmes, tant en termes quantitatifs que qualitatifs. Ces deux compartiments interagissent à travers différentes interfaces emboitées depuis l’échelle locale, notamment la zone d’interface rivière-nappe, appelée zone hyporhéique (ZH) jusqu’à l’échelle régionale. La ZH se définit comme un buffer entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les variations des flux d’eau et de chaleur au niveau de cette zone modulent les processus biogéochimiques. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension du régime thermique et hydrologique de la ZH et de sa variation spatiale. Cette problématique est abordée par l’utilisation de stations de mesures haute fréquence des échanges nappe-rivière (MOLONARI) sur le bassin des Avenelles (sous bassin de la Seine (46 km2)) et de la modélisation. Le suivi haute fréquence a permis de réaliser une analyse des données expérimentales présentant le régime hydro-climatique du bassin ainsi que l’évolution spatiale et temporelle du fonctionnement des différents compartiments de l’hydrosystème. Un cas synthétique a été réalisé afin de caractériser les différents facteurs contrôlant le régime thermique de l’interface nappe rivière et la variation de stocks d’énergie au sein de la ZH. La démarche de modélisation suivie pour le cas synthétique fournit un cadre d’analyse des données des cinq stations MOLONARI. Les données acquises sur ces stations ont été utilisées afin de déterminer les propriétés hydrodynamiques et thermiques de la ZH ainsi que des couches géologiques sous-jacentes par inversion à l’aide du modèle METIS couplé à un script de balayage de l’espace des paramètres afin de quantifier les flux d’eau et de chaleur à l’interface nappe-rivière le long d'un corridor hydraulique. Les résultats du modèle mettent en lumière la variabilité spatio-temporelle des échanges de chaleur au niveau des cinq stations MOLONARI. La quantification des flux de chaleur a fourni un nouvel éclairage des interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines à l’interface nappe-rivière du bassin des Avenelles. / The river-aquifer interactions are complex and play a preponderant role in hydrosystems functioning, in both qualitative and quantitative terms. These two compartments interact through various nested interfaces from the local scale in particular the river aquifer interface called the Hyporheic Zone (HZ) to the regional scale. The HZ acts as a buffer between the stream and the groundwater. The water and heat fluxes variation at this zone modulates the biogeochemical processes.The aim of this thesis, is to improve the understanding of the thermal and hydrological regime of the HZ and its spatial variation. This problem is approached by the use of high frequency measurement stations of river-aquifer exchanges (LOMOS) in the Avenelles basin (sub-basin of the Seine basin (46 km2)) and by modeling. The high frequency monitoring allowed to realize an analysis of the experimental data characterizing the hydroclimatic regime of the Avenelles basin as well as the spatial and temporal evolution of the hydrosystem various compartments functioning.A synthetic case was realized to characterize the main factors controlling the thermal regime at the river aquifer interface and the energy storage variation within the ZH. The modeling approach followed by the synthetic case provides an analysis framework of the five LOMOS data.The acquired LOMOS data were used to determine the hydrogeological and thermal properties of the HZ and of the underlying aquifers by inversion by means of a 2D finite element thermo-hydrogeological model (METIS) coupled with a parameters screening script to quantify water and heat fluxes through the stream – aquifer interface over along the stream network.The model results highlight the spatiotemporal variability of the heat exchanges at the five LOMOS. The quantification of heat fluxes provided a new lighting of the stream-aquifer interactions of the Avenelles basin.

The feedbacks between hydrology and biogeochemical cycling of nitrogen (N) are of critical importance to global bioavailable N budgets. Human activities are dramatically increasing the amount of bioavailable N in the biosphere, which is causing increasingly frequent and severe impacts on ecosystems and human welfare. Streams are important features in the landscape for N cycling, because they integrate many sources of terrestrially derived N and control export to downgradient systems via internal source and sink processes. N transformations in stream ecosystems are typically very complex due to spatiotemporal variability in the factors controlling N biogeochemistry. Thus, it is difficult to predict if a particular stream system will function as a net source or sink of bioavailable N. A key location for N transformations in stream ecosystems is the hyporheic zone, where stream and ground waters mix. The hyporheic zone can be a source of bioavailable N via nitrification or a sink via denitrification. These N transformations are regulated by the physical and biogeochemical conditions of hyporheic zones. Natural heterogeneity in streams leads to unique combinations of both the physical and biogeochemical conditions which in turn result in unique N source and sink conditions. This dissertation investigates the relationships between physical and biogeochemical controls and the resulting fate of bioavailable N in hyporheic zones. The key physical factor investigated is the supply rate of solutes which is a function of transport processes - advection and dispersion, and transport conditions - hydraulic conductivity and flowpath length. Different physical conditions result in different characteristic residence times of water and solutes in hyporheic zones. The key biogeochemical factors investigated are the dynamics of oxygen (O₂), labile dissolved organic carbon (DOC), and inorganic bioavailable N (NH₄⁺ and NO₃⁻). This dissertation uses ¹⁵N isotope experiments, numerical modeling of coupled transport of the bioavailable N species, O₂ and DOC, and a suite of geophysical measurements to identify the key linkages between hydrological and biogeochemical controls on N transformations in hyporheic zones. Specifically, it was determined that the conditions governing the fate of hyporheic N are both the physical transport and reaction kinetics – the residence time of water and the O2 uptake rate. An important scaling relationship is developed by relating the characteristic timescales of residence time and O₂ uptake. The resulting dimensionless relationship, the Damköhler number for O₂, is useful for scaling different streams hyporheic zones and their role on stream N source – sink dynamics. More generally, these investigations demonstrate that careful consideration and quantification of hydrological processes can greatly inform the investigation of aquatic biogeochemical dynamics and lead to the development of process-based knowledge. In turn, this process-based knowledge will facilitate more robust approaches to quantifying and predicting biogeochemical cycles and budgets. / Graduation date: 2012 / Access restricted to the OSU Community at author's request from Sept. 21, 2011 - March 21, 2012

The conceptual subject of this study was to investigate the effects of microbial biofilms of the hyporheic zone of the river Elbe on nutrient dynamics and elimination. This resulted in four aspects, which were carried out separately. One aspect was the investigation of the dynamics of inorganic nitrogen compounds in the upper sediment layers, as highest microbial activity could be expected due to increased import of nutrients. Dissolved oxygen is suggested to control the nitrogen dynamics in the hyporheic zone, as dissolved oxygen in the flowing water varied seasonally and diurnally due to the photosynthetic activity of the algae and infiltrated in the hyporheic zone. The second aspect was the investigation of advective transport of algal cells through porous media. In laboratory columns the retention and retardation of morphological different algae was estimated. In the year 2001, it was possible to use the diving bell of the Office of Water and Navigation Magdeburg. Samples of the river bed at two different sites (Dresden-Übigau and Coswig near Lutherstadt-Wittenberg) were taken. Microbial activity rates, detrital and grain size parameters were detected. This sample material was also used for the detection of the microbial biocoenosis at the two sites. The microorganisms of the flowing water, the interstitial water and associated to the sediment were characterized by means of the fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. Multivariate statistical analysis was performed on the FISH data at different spatial and phylogenetic scales. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von mikrobiellen Biofilmen in hyporheischen Sedimenten der Elbe sowie deren Auswirkungen auf die Stoffdynamik und die Nährstoffelimination. Daraus ergaben sich vier Teilaspekte, die separat bearbeitet wurden. Ein Aspekt war die Untersuchung der Stickstoffdynamik in den obersten Sedimentschichten, da hier aufgrund des erhöhten Importes von Nährstoffen die höchste mikrobielle Aktivität zu erwarten ist. Wesentliche biologische Steuergröße ist hierbei vermutlich der Gelöstsauerstoff, der saisonal sowie diurnal durch die photosynthische Aktivität der Algen auch die biochemischen Umsätze im hyporheischen Interstitial beeinflußt. Der zweite Aspekt war die Untersuchung des advektiven Transportes von Algen durch poröse Medien. In Laborversuchen wurde die Retention und die Retardation von morphologisch unterschiedlichen Algen untersucht. Im Jahr 2001 konnte der Taucherschacht des Wasser- und Schiffahrtsamtes Magdeburg genutzt werden. Dadurch konnte Probenmaterial aus der Flußmitte an zwei unterschiedlichen Standorten (Dresden-Übigau und Coswig bei Lutherstadt-Wittenberg) entnommen werden. Es wurden mikrobielle Umsatzraten, Detritus- und Korngrößen- Kenngrößen bestimmt. Ebenfalls am Probenmaterial der Taucherschachtaktion wurde die Fluoreszenz in situ Hybridisierung angewendet. Dies ermöglichte eine Bestandsaufnahme der Bakterien sowohl im Freiwasser der beiden Standorte, als auch im Interstitialwasser und den Bakterien assoziiert ans Sediment. Die Ergebnisse wurden auf unterschiedlichen räumlichen und phylogenetischen Ebenen mit multivariaten statistischen Methoden ausgewertet.

L’étude présentée a pour objectif de mieux comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur le transfert de produits phytosanitaires lors d’écoulement dans les fossés agricoles. Quatre paramètres ont plus particulièrement été étudiés : i) la vitesse de l’écoulement de surface ; ii) la submergence, définie comme le rapport moyen entre la hauteur des formes du lit et la hauteur d’eau ; iii) la forme du lit et iv) le degré de saturation en eau du lit avant la contamination par les produits phytosanitaires. L’influence de ces paramètres a été étudiée en conditions semicontrôlées à travers la mise en oeuvre d’expérimentations en canal expérimental, au fond duquel a été fixé pour chaque expérimentation un substrat type constitué d’un assemblage de fibres de chanvre utilisé pour approcher de manière simplifiée un système naturel relativement complexe et hétérogène (en considération des nombreux substrats rencontrés dans le lit des fossés naturels : herbes, feuilles mortes, végétation en décomposition, paille, sédiments, …). Les fibres de chanvre ont été choisies après une étude préliminaire en laboratoire visant à comparer les possibilités d’adsorption et de désorption des produits phytosanitaires sélectionnés sur diverses fibres couramment utilisées dans l’industrie géotextile (jute, lin, chanvre, polyamide, polypropylène et polyester). Les expérimentations en canal expérimental ont été menées de manière à tester l’influence spécifique des paramètres étudiés. La comparaison des différentes expérimentations indique qu’une augmentation de la vitesse de l’écoulement de surface augmente la quantité de produits phytosanitaires transférés de l’écoulement de surface vers le lit, ainsi que la cinétique de ce transfert. Le constat est le même lorsqu’on augmente la submergence, ou bien lorsqu’on passe d’une géométrie de petites formes en « dunes » à une géométrie de grandes formes en « créneau ». Enfin, le fait que le lit soit saturé en eau en début d’expérimentation réduit fortement le transfert de la lame d’eau vers le lit. On observe également que l’influence de chaque paramètre semble être interdépendante. Devant le coût en temps et en argent de ces expérimentations, un modèle a été sélectionné dans la littérature, codé et utilisé pour conforter et compléter l’interprétation des données expérimentales. / The aim of this work was to better understand the influence of hydrodynamics on the transfer of pesticides in water flows in agricultural ditches. Special attention was given to four parameters: i) the speed of the surface water flow, ii) the submergence, defined as the mean ratio between the height of the bedforms and the water depth, iii) the shape of the bedforms and iv) the water content of the bed substrate before contamination by pesticides. The influence of these various parameters was investigated with an experimental flume, using a standard of substrate made of hemp fibres. Hemp fibres were chosen as a simplified model of natural substrates such as grass, dead leaves, decaying vegetation, straw and sediments, which are rather complex and heterogeneous. Hemp fibres were selected from preliminary laboratory studies which allowed to compare the adsorption and desorption characteristics of various pesticides for different fibres often used in the geotextile industry (jute, linen, hemp, polyamide, polypropylene and polyester). The flume experiments were designed in order to assess the influence of the four parameters mentioned above. The comparison between the different experiments shows that an increase in surface water speed results in an increase in the amount of pesticides transferred from the water to the bed substrate and the transfer kinetics. A similar result is observed when increasing the submergence, or when going from small sinusoidal bedforms to larger rectangular bedforms. In addition, the data show that the transfer of pesticides from surface water to the bed substrate is strongly decreased when the substrate was saturated with water at the beginning of the experiments. Also, it appears that there is a link between the influence of the differents parameters. When considering the long time duration and the cost of the experiments, it was decided to use a model from the literature which was adapted and used to confirm and extend the interpretation of the experimental data.

Matter retention in streams and rivers is an ecosystem service of outstanding ecological as well as economic importance. Studying and monitoring instream nitrate dynamics is essential to reduce the tremendous consequences of eutrophication of freshwater systems and coastal zones. Moreover, the cycling of nitrate in lotic systems is a paradigm for the instream transport and transformation behavior of any other reactive substance subjected to human perturbation of its natural cycle. Identifying instream processes and drivers that dictate nitrate transport in rivers and quantifying the capacity of rivers to retain nitrate is therefore of scientific as well as political interest and was the motivation for this thesis. Even though understanding and monitoring of instream nitrate dynamics is advanced compared to most other emerging substances of concern (e.g. pharmaceuticals, synthetic and natural hormones), methodologies to directly assess nitrate dynamics are still limited, leaving a high degree of uncertainty to descriptive and predictive models. One major problem of common data acquisition is that the temporal and spatial variability of nitrate processing rates arising from the complex interactions of hydrological and biogeochemical drivers cannot be captured with traditional methods. For technical reasons, most studies have been conducted in small (and rather pristine) streams. Thus, particularly the functional behavior of larger rivers and anthropogenically modified systems is widely uncharacterized. In this work, two methodologies were developed which allow quantitatively assessing nitrate dynamics on two relevant scales: The reach scale (1), which is of particular interest for monitoring strategies and local hyporheic nutrient fluxes (2), with the hyporheic zone being a key compartment in instream solute cycling. In order to assess the seasonal fluctuation in nitrate dynamics (3), a primary demand on the methods was that they operate continuous or over longer time spans. On the reach scale, a combined two-station time-series and longitudinal profiling approach based on measurements from automated sensors, provided novel insights into seasonal variations of nitrogen processing and allowed quantitative comparison of the dynamics in a natural versus a heavily modified reach. Uptake was lower and the influence of season on uptake rates more marked in the modified reach. Continuous implementation of the proposed approach, fully covering the annual variations, can essentially improve existing monitoring practices by quantifying the effect of altered morphology and water chemistry on retention rates. Hyporheic passive flux meters are an efficient tool to quantify time integrative hyporheic nutrient fluxes. In combination with other measurements, the results from a field application unraveled an unexpected hyporheic source-sink behavior for nitrate at the study reach. Different to common observations, not the upper most layer of the hyporheic zone but the layer between 15 and 30 cm was most efficient in removing nitrate, assumedly because substrate limitation is irrelevant in agricultural (nutrient and DOC enriched) streams. Further, higher discharge did not increase hyporheic exchange, because the monotonous morphology and absence of bedforms reduced the usually dominating effect of increased drag resistance with higher flow. The studies presented here deliver empirical evidence that, on both investigated scales, anthropogenic modifications substantially impact instream nitrate dynamics. Alterations to channel morphology, riparian vegetation, hydrology and water quality change principal ecosystem functions relevant for solute retention in streams and rivers. The presented results show that anthropogenically modified systems may therefore behave unexpectedly if predictions are built on the driver-response correlations observed in natural systems. Worldwide a large proportion of rivers and streams are modified by humans. However, altered systems are not adequately represented in studies focusing on solute dynamics. Efficient management of such systems, including evaluation of measures to reduce the nitrogen burden on receiving water bodies, requires quantitative knowledge on instream processes and governing drivers. Continuous or time integrative observations are more representative for the solute cycling characteristics of a system than “snapshot”-like assessments. The new methodologies thereby also facilitate extrapolation of local measurements and linking the resulting data with catchment scale models. Overall synthesis of the presented results suggests that such measurements of nitrate dynamics in streams may be used as an indicator for the ecosystem integrity. / Der Rückhalt von Stoffen in Flüssen und Bächen ist eine Ökosystem-Dienstleistung von grösster ökologischer wie auch wirtschaftlicher Bedeutung. Um die negativen Auswirkungen durch Eutrophierung von Süsswasserkörpern und Küstengebieten zu reduzieren, ist es erforderlich, die Stickstoffdynamik in Fliessgewässern zu untersuchen und zu überwachen. Darüber hinaus, kann der Umsatz von Nitrat in lotischen Systemen als Paradigma für den Transport und die Transformation anderer reaktiver Substanzen von anthropogenem Ursprung gesehen werden. Die Prozesse zu identifizieren, die den Nitrattransport in Fliessgewässern und deren Kapazität Nitrat zurückzuhalten beeinflussen, ist somit von wissenschaftlichem wie auch von politischem Interesse und war die Motivation für diese Arbeit. Obwohl unser Wissen über das Verhalten von Nitrat in Fliessgewässern, im Vergleich zu vielen erst neuerdings an Bedeutung gewinnender Substanzen (z.B. Arzneimittelrückstände, synthetische und natürliche Hormone) fortgeschritten ist, fehlen Methoden um die Nitratdynamik im Fliessgewässer zu erfassen. Dadurch ist die Überwachung wie auch der Vorhersage des Nitratexports durch Fliessgewässer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Ein Hauptproblem bei der Datenerfassung ist, dass die Umsatzraten von Nitrat aufgrund der komplexen Zusammenspiele von biogeochemischen wie auch hydrologischen Einflussfaktoren, sowohl räumlich wie auch zeitlich stark schwanken. Ausserdem wurden aus technischen Gründen die meisten Studien bislang in kleinen (und eher unberührten) Flüssen durchgeführt. Deshalb bestehen insbesondere über das Exportverhalten grosser und anthropogen veränderter Systeme grosse Unsicherheiten. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden entwickelt, die es erlauben, die Nitratdynamiken auf zwei relevanten Grössenskalen zu erfassen: Einmal über eine Flussstrecke von einigen Kilometern und zum anderen lokal in der Hyporheischen Zone. Die erste Skala (Flusstrecke) ist insbesondere für die Entwicklung von Monitoring-Strategien wichtig. Die Hyporheische Zone ist als Schlüsselkompartiment für den Stoffumsatz in Fliessgewässern von Bedeutung. Da zeitliche (z.B. saisonale) Schwankungen im Nitratumsatz erfasst werden sollten, war eine primäre Herausforderung an die Methoden, dass sie für die kontinuierliche Aufzeichnung über länger Zeitspannen geeignet sind. Für die Fliessgewässerstrecke wurde eine Bilanzierung von Zeitreihen zwischen zwei Stationen mit Messungen über das Längsprofil kombiniert. Die Zeitreihen wurden mit automatisierten Sensoren aufgenommen. Der hier entwickelte Ansatz von Messung und Auswertung lieferte neue Erkenntnisse über die saisonale Variation des Stickstoffumsatzes und ermöglichte einen quantitativen Vergleich zwischen einem natürlichen und einem anthropogen überprägten Gewässerabschnitt. Der Nitratrückhalt im veränderten Abschnitt war niedriger und der Einfluss der Jahreszeit auf die Umsatzraten war stärker ausgeprägt. Eine dauerhafte Installierung des Messaufbaus, der die gesamten Jahresschwankungen abdeckt, könnte die existierenden Überwachungsverfahren erheblich verbessern, weil so der Effekt der Fliessgewässermorphologie und der Wasserchemie auf die Umsatzraten berücksichtigt werden können. Hyporheische Passive Flux Meter sind ein Instrument für die zeitlich gemittelte Quantifizierung von Nitratflüsse durch die Hyporheische Zone. In Kombination mit weiteren Messungen brachten die Ergebnisse einer Freilandmessung unerwartete Ergebnisse über die Entstehung und den Abbau von Nitrat in der Hyporheischen Zone des untersuchten Flusses zum Vorschau. Anders als üblicher Weise beobachtet, war der Abbau von Nitrat nicht in der obersten Schicht der Hyporheischen Zone, sondern in einer Tiefe von 15 bis 30 cm am effizientesten. Wahrscheinlich verhalten sich landwirtschaftlich beeinflusste Gewässer (die mit Nitrat und organischen Stoffen angereichert sind) diesbezüglich nicht laut Lehrbuchmeinung, weil es nicht zur Stofflimitierung in tieferen Schichten kommt. Ebenso unerwartet führten höhere Abflüsse nicht zu vermehrtem hyporheischen Austausch. Es zeigte sich, dass durch die Begradigung des Fliessgewässers, der normalerweise auftretende Austausch an Gewässerbettformen, der mit zunehmenden Abfluss steigt, nicht relevant ist. Die hier vorgestellten Studien liefern empirische Beweise, dass auf beiden untersuchten Skalen anthropogene Veränderungen die Nitratdynamik im Fliessgewässer erheblich beeinflussen. Eingriffe in die Morphologie, Ufervegetation, Hydrologie und Wasserqualität verändern wesentliche Ökosystem-Funktionen, die relevant für den Stoffrückhalt in Flüssen und Bächen sind. Die präsentierten Ergebnisse zeigen dass sich anthropogen veränderte Systeme überraschend verhalten, wenn Vorhersagen auf Aktio-Reaktio-Korrelationen getroffen werden, die aus Beobachtungen in natürlichen Systemen abgeleitet wurden. Weltweit ist ein grosser Anteil der Flüsse und Bäche durch Menschen verändert. Solche beeinträchtigten Fliessgewässer sind jedoch nicht angemessen in Studien über Stoffdynamiken vertreten untersuchen. Effizientes Management solcher Fliessgewässer, ebenso wie die Beurteilung von Massnahmen um die Nitratlast auf die empfangenden Fliessgewässer zu reduzieren, benötigen quantitative Aussagen über Prozesse und vorherrschende Auslöser. Kontinuierliche wie auch zeitlich integrierende Beobachtungen sind repräsentativer als Schnappschuss-Aufnahmen. Die neuen Methoden erleichtern damit auch die Übertragung lokaler Messungen und die Einbindung der gewonnenen Daten in Einzugsgebiet Modelle. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Nitratdynamik in einem Fliessgewässer als Indikator für die Intaktheit des Ökosystems verwendet werden kann.

Obwohl der Bedeutung von hyporheischen Zonen als Übergangsbereiche zwischen Flüssen und angrenzenden alluvialen Aquiferen eine wachsende Anerkennung zuteilwird, sind dynamische hyporheische Reaktionen auf instationäre hydrologische Bedingungen weiterhin signifikant untererforscht. Um diese Lücke zu schließen, liegt der Fokus dieser Doktorarbeit insbesondere auf den Effekten transienter Abflussverhalten und Temperaturschwankungen in Flüssen auf die raumzeitliche Variabilität von hyporheischen Austauschprozessen. Unter Beachtung dieser Ziele wird ein neues physikalisch basiertes numerisches Modell vorgeschlagen und schließlich angewandt, um systematisch die hyporheischen, durch Sedimentoberflächenstrukturen ausgelösten Reaktionen auf eine Reihe von künstlichen und natürlichen Abflussregimen abzuschätzen. Parameter wie das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone, hyporheische Austauschrate, mittlere Aufenthaltszeit, Temperatur des hyporheischen Flusses sowie das Denitrifikationspotenzial werden definiert, um den Einfluss der Antriebskräfte und Regulatoren auf dynamische hyporheische Reaktionen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmendem Abfluss generell das räumliche Ausmaß der hyporheischen Zone vergrößert wird; jedoch bestimmen geomorphologische Bedingungen und Grundwasserflüsse erheblich das Ausdehnen und Zusammenziehen hyporheischer Zonen zusammen mit Strömungen, Wärme- und Stoffaustausch zwischen Fluss und Grundwasser. Temperaturvariabilität, ein wichtiger Faktor, welcher oft in hydrodynamischen Studien vernachlässigt wird, zeigt direkte kontrollierende Effekte beim Bestimmen hyporheischer Austauschraten und mittlerer Aufenthaltszeiten. Weiterhin spielt die Dynamik von Grundwasserständen eine entscheidende Rolle bei hyporheischen Austauschprozessen. Das Optimieren der Terminierung von Grundwasserförderung ist ausschlaggebend für die Regulierung von Wasserqualität, Nährstoffkreisläufen und der Entstehung thermischer hyporheischer Refugien. / Although there is a growing recognition of the importance of hyporheic zones as transitional areas connecting rivers and adjacent alluvial aquifers, the dynamic hyporheic responses to unsteady hydrological conditions are still significantly understudied. To bridge this gap, the present PhD thesis primarily focuses on the effects of transient river discharge and temperature fluctuations on the spatiotemporal variability of hyporheic exchange processes. With these objectives in mind, a novel physically based numerical model is proposed and then applied to systematically evaluate bedform-induced hyporheic responses to a series of synthetic and natural hydrological regimes. Metrics including spatial hyporheic extent, hyporheic exchange rate, mean residence time, temperature of hyporheic flux, and denitrification potential are defined to quantify the impact of drivers and modulators of dynamic hyporheic responses. Results indicate that increasing river discharge generally enlarges the spatial hyporheic extent; however, geomorphological settings and groundwater fluxes substantially modulate the expansion and contraction of hyporheic zones along with flow, heat and solute exchange between river and groundwater. Temperature variability, an important factor which is often neglected in hydrodynamic studies, displays direct controlling effects in determining hyporheic exchange rates and mean residence times. Groundwater table dynamics also play a critical role in hyporheic exchange processes. Optimizing the timing of aquifer pumping is crucial for regulation of water quality, nutrient cycling, and the formation of thermal hyporheic refugia. The findings largely advanced our mechanistic understandings of dynamic hyporheic responses to varying transient flow and temperature conditions, and therefore shed lights on improving river management and restoration strategies.

Matter retention in streams and rivers is an ecosystem service of outstanding ecological as well as economic importance. Studying and monitoring instream nitrate dynamics is essential to reduce the tremendous consequences of eutrophication of freshwater systems and coastal zones. Moreover, the cycling of nitrate in lotic systems is a paradigm for the instream transport and transformation behavior of any other reactive substance subjected to human perturbation of its natural cycle. Identifying instream processes and drivers that dictate nitrate transport in rivers and quantifying the capacity of rivers to retain nitrate is therefore of scientific as well as political interest and was the motivation for this thesis. Even though understanding and monitoring of instream nitrate dynamics is advanced compared to most other emerging substances of concern (e.g. pharmaceuticals, synthetic and natural hormones), methodologies to directly assess nitrate dynamics are still limited, leaving a high degree of uncertainty to descriptive and predictive models. One major problem of common data acquisition is that the temporal and spatial variability of nitrate processing rates arising from the complex interactions of hydrological and biogeochemical drivers cannot be captured with traditional methods. For technical reasons, most studies have been conducted in small (and rather pristine) streams. Thus, particularly the functional behavior of larger rivers and anthropogenically modified systems is widely uncharacterized. In this work, two methodologies were developed which allow quantitatively assessing nitrate dynamics on two relevant scales: The reach scale (1), which is of particular interest for monitoring strategies and local hyporheic nutrient fluxes (2), with the hyporheic zone being a key compartment in instream solute cycling. In order to assess the seasonal fluctuation in nitrate dynamics (3), a primary demand on the methods was that they operate continuous or over longer time spans. On the reach scale, a combined two-station time-series and longitudinal profiling approach based on measurements from automated sensors, provided novel insights into seasonal variations of nitrogen processing and allowed quantitative comparison of the dynamics in a natural versus a heavily modified reach. Uptake was lower and the influence of season on uptake rates more marked in the modified reach. Continuous implementation of the proposed approach, fully covering the annual variations, can essentially improve existing monitoring practices by quantifying the effect of altered morphology and water chemistry on retention rates. Hyporheic passive flux meters are an efficient tool to quantify time integrative hyporheic nutrient fluxes. In combination with other measurements, the results from a field application unraveled an unexpected hyporheic source-sink behavior for nitrate at the study reach. Different to common observations, not the upper most layer of the hyporheic zone but the layer between 15 and 30 cm was most efficient in removing nitrate, assumedly because substrate limitation is irrelevant in agricultural (nutrient and DOC enriched) streams. Further, higher discharge did not increase hyporheic exchange, because the monotonous morphology and absence of bedforms reduced the usually dominating effect of increased drag resistance with higher flow. The studies presented here deliver empirical evidence that, on both investigated scales, anthropogenic modifications substantially impact instream nitrate dynamics. Alterations to channel morphology, riparian vegetation, hydrology and water quality change principal ecosystem functions relevant for solute retention in streams and rivers. The presented results show that anthropogenically modified systems may therefore behave unexpectedly if predictions are built on the driver-response correlations observed in natural systems. Worldwide a large proportion of rivers and streams are modified by humans. However, altered systems are not adequately represented in studies focusing on solute dynamics. Efficient management of such systems, including evaluation of measures to reduce the nitrogen burden on receiving water bodies, requires quantitative knowledge on instream processes and governing drivers. Continuous or time integrative observations are more representative for the solute cycling characteristics of a system than “snapshot”-like assessments. The new methodologies thereby also facilitate extrapolation of local measurements and linking the resulting data with catchment scale models. Overall synthesis of the presented results suggests that such measurements of nitrate dynamics in streams may be used as an indicator for the ecosystem integrity.:Acknowledgments i List of Tables vii List of figures viii List of Abbreviations and acronyms ix Summary xi 1. Introduction 1 1.1. Goals and questions 3 1.1.1. Reach scale quantification of nitrate dynamics 4 1.1.2. Quantifying hyporheic nitrate fluxes 5 1.1.3. Hyporheic nitrate dynamics in an anthropogenically modified stream 6 2. High frequency measurements of reach scale nitrogen uptake in a 4th order river with contrasting hydromorphology and variable water chemistry (Weiße Elster, Germany) 8 2.1. Abstract 8 2.2. Introduction 9 2.3. Methods and Materials 12 2.3.1. Study site 12 2.3.2. Two stations time-series 14 2.3.3. Longitudinal Profiling 17 2.4. Results 19 2.4.1. Two stations time-series 19 2.4.2. Longitudinal profiling 23 2.5. Discussion 26 2.5.1. Diel variation 26 2.5.2. Comparison between sampling periods 28 2.5.3. Inter-reach comparison 29 2.5.4. Comparison of the Weiße Elster and other rivers 30 2.6. Conclusions 31 2.7. References 33 3. Quantifying nutrient fluxes with a new Hyporheic Passive Flux Meter (HPFM) 39 3.1. Abstract 39 3.2. Introduction 40 3.3. Methods 44 3.3.1. Construction and materials 44 3.3.2. Selection and characterization of resin 45 3.3.3. Preparation of activated carbon with alcohol tracers 47 3.3.4. Deployment and retrieval procedure 49 3.3.5. Analysis and data treatment 49 3.3.6. Field testing of hyporheic passive flux meters (HPFMs) 51 3.4. Results 56 3.4.1. Laboratory experiments 56 3.4.2. Field testing 56 3.5. Discussion 63 3.6. Conclusion and Outlook 69 3.7. References 70 4. Hyporheic passive flux meters reveal unexpected source-sink behavior of nitrogen in an anthropogenically modified stream (Holtemme, Germany) 79 4.1. Abstract 79 4.2. Introduction 80 4.3. Methods 82 4.3.1. Study site 83 4.3.2. Instrumental set-up 84 4.3.3. Deriving hyporheic denitrification rates 89 4.2. Results 92 4.2.1. Hyporheic nutrient fluxes and Darcy velocities 92 4.2.2. Nutrient concentrations in pore water 94 4.2.3. O2 and temperature 94 4.2.4. Hyporheic residence time and denitrification 95 4.5. Discussion 97 4.5.1.Darcy velocities and angle of hyporheic flow 97 4.5.2. Biotic activity 98 4.5.3. Extent of active hyporheic zone 98 4.5.4. The effect of redox conditions and residence time on the NO3 source-sink function of the Hyporheic zone 99 4.5.5. Anthropogenic influence on water quality 101 4.6. Conclusions 102 4.7. References 104 5. Discussion 110 5.1. Evaluation of the new methodology 110 5.1.1. High frequency measurements of nitrogen removal in rivers 110 5.1.2. Hyporheic passive flux meter for the quantification of nutrient fluxes 113 5.2. Results from the field studies and scientific implications 115 5.2.1. Nitrogen processing in aquatic ecosystems 115 5.2.2. Reach scale nitrogen dynamics in the Weiße Elster 117 5.2.3. Hyporheic nutrient fluxes at the Holtemme 120 5.3. Moving beyond and Outlook 123 5.3.1. Scaling and representability 124 5.3.2. Modified ecosystems 128 6. References 130 Note on the commencement of the doctoral procedure 151 Curriculum Vitae 152 / Der Rückhalt von Stoffen in Flüssen und Bächen ist eine Ökosystem-Dienstleistung von grösster ökologischer wie auch wirtschaftlicher Bedeutung. Um die negativen Auswirkungen durch Eutrophierung von Süsswasserkörpern und Küstengebieten zu reduzieren, ist es erforderlich, die Stickstoffdynamik in Fliessgewässern zu untersuchen und zu überwachen. Darüber hinaus, kann der Umsatz von Nitrat in lotischen Systemen als Paradigma für den Transport und die Transformation anderer reaktiver Substanzen von anthropogenem Ursprung gesehen werden. Die Prozesse zu identifizieren, die den Nitrattransport in Fliessgewässern und deren Kapazität Nitrat zurückzuhalten beeinflussen, ist somit von wissenschaftlichem wie auch von politischem Interesse und war die Motivation für diese Arbeit. Obwohl unser Wissen über das Verhalten von Nitrat in Fliessgewässern, im Vergleich zu vielen erst neuerdings an Bedeutung gewinnender Substanzen (z.B. Arzneimittelrückstände, synthetische und natürliche Hormone) fortgeschritten ist, fehlen Methoden um die Nitratdynamik im Fliessgewässer zu erfassen. Dadurch ist die Überwachung wie auch der Vorhersage des Nitratexports durch Fliessgewässer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Ein Hauptproblem bei der Datenerfassung ist, dass die Umsatzraten von Nitrat aufgrund der komplexen Zusammenspiele von biogeochemischen wie auch hydrologischen Einflussfaktoren, sowohl räumlich wie auch zeitlich stark schwanken. Ausserdem wurden aus technischen Gründen die meisten Studien bislang in kleinen (und eher unberührten) Flüssen durchgeführt. Deshalb bestehen insbesondere über das Exportverhalten grosser und anthropogen veränderter Systeme grosse Unsicherheiten. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden entwickelt, die es erlauben, die Nitratdynamiken auf zwei relevanten Grössenskalen zu erfassen: Einmal über eine Flussstrecke von einigen Kilometern und zum anderen lokal in der Hyporheischen Zone. Die erste Skala (Flusstrecke) ist insbesondere für die Entwicklung von Monitoring-Strategien wichtig. Die Hyporheische Zone ist als Schlüsselkompartiment für den Stoffumsatz in Fliessgewässern von Bedeutung. Da zeitliche (z.B. saisonale) Schwankungen im Nitratumsatz erfasst werden sollten, war eine primäre Herausforderung an die Methoden, dass sie für die kontinuierliche Aufzeichnung über länger Zeitspannen geeignet sind. Für die Fliessgewässerstrecke wurde eine Bilanzierung von Zeitreihen zwischen zwei Stationen mit Messungen über das Längsprofil kombiniert. Die Zeitreihen wurden mit automatisierten Sensoren aufgenommen. Der hier entwickelte Ansatz von Messung und Auswertung lieferte neue Erkenntnisse über die saisonale Variation des Stickstoffumsatzes und ermöglichte einen quantitativen Vergleich zwischen einem natürlichen und einem anthropogen überprägten Gewässerabschnitt. Der Nitratrückhalt im veränderten Abschnitt war niedriger und der Einfluss der Jahreszeit auf die Umsatzraten war stärker ausgeprägt. Eine dauerhafte Installierung des Messaufbaus, der die gesamten Jahresschwankungen abdeckt, könnte die existierenden Überwachungsverfahren erheblich verbessern, weil so der Effekt der Fliessgewässermorphologie und der Wasserchemie auf die Umsatzraten berücksichtigt werden können. Hyporheische Passive Flux Meter sind ein Instrument für die zeitlich gemittelte Quantifizierung von Nitratflüsse durch die Hyporheische Zone. In Kombination mit weiteren Messungen brachten die Ergebnisse einer Freilandmessung unerwartete Ergebnisse über die Entstehung und den Abbau von Nitrat in der Hyporheischen Zone des untersuchten Flusses zum Vorschau. Anders als üblicher Weise beobachtet, war der Abbau von Nitrat nicht in der obersten Schicht der Hyporheischen Zone, sondern in einer Tiefe von 15 bis 30 cm am effizientesten. Wahrscheinlich verhalten sich landwirtschaftlich beeinflusste Gewässer (die mit Nitrat und organischen Stoffen angereichert sind) diesbezüglich nicht laut Lehrbuchmeinung, weil es nicht zur Stofflimitierung in tieferen Schichten kommt. Ebenso unerwartet führten höhere Abflüsse nicht zu vermehrtem hyporheischen Austausch. Es zeigte sich, dass durch die Begradigung des Fliessgewässers, der normalerweise auftretende Austausch an Gewässerbettformen, der mit zunehmenden Abfluss steigt, nicht relevant ist. Die hier vorgestellten Studien liefern empirische Beweise, dass auf beiden untersuchten Skalen anthropogene Veränderungen die Nitratdynamik im Fliessgewässer erheblich beeinflussen. Eingriffe in die Morphologie, Ufervegetation, Hydrologie und Wasserqualität verändern wesentliche Ökosystem-Funktionen, die relevant für den Stoffrückhalt in Flüssen und Bächen sind. Die präsentierten Ergebnisse zeigen dass sich anthropogen veränderte Systeme überraschend verhalten, wenn Vorhersagen auf Aktio-Reaktio-Korrelationen getroffen werden, die aus Beobachtungen in natürlichen Systemen abgeleitet wurden. Weltweit ist ein grosser Anteil der Flüsse und Bäche durch Menschen verändert. Solche beeinträchtigten Fliessgewässer sind jedoch nicht angemessen in Studien über Stoffdynamiken vertreten untersuchen. Effizientes Management solcher Fliessgewässer, ebenso wie die Beurteilung von Massnahmen um die Nitratlast auf die empfangenden Fliessgewässer zu reduzieren, benötigen quantitative Aussagen über Prozesse und vorherrschende Auslöser. Kontinuierliche wie auch zeitlich integrierende Beobachtungen sind repräsentativer als Schnappschuss-Aufnahmen. Die neuen Methoden erleichtern damit auch die Übertragung lokaler Messungen und die Einbindung der gewonnenen Daten in Einzugsgebiet Modelle. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Nitratdynamik in einem Fliessgewässer als Indikator für die Intaktheit des Ökosystems verwendet werden kann.:Acknowledgments i List of Tables vii List of figures viii List of Abbreviations and acronyms ix Summary xi 1. Introduction 1 1.1. Goals and questions 3 1.1.1. Reach scale quantification of nitrate dynamics 4 1.1.2. Quantifying hyporheic nitrate fluxes 5 1.1.3. Hyporheic nitrate dynamics in an anthropogenically modified stream 6 2. High frequency measurements of reach scale nitrogen uptake in a 4th order river with contrasting hydromorphology and variable water chemistry (Weiße Elster, Germany) 8 2.1. Abstract 8 2.2. Introduction 9 2.3. Methods and Materials 12 2.3.1. Study site 12 2.3.2. Two stations time-series 14 2.3.3. Longitudinal Profiling 17 2.4. Results 19 2.4.1. Two stations time-series 19 2.4.2. Longitudinal profiling 23 2.5. Discussion 26 2.5.1. Diel variation 26 2.5.2. Comparison between sampling periods 28 2.5.3. Inter-reach comparison 29 2.5.4. Comparison of the Weiße Elster and other rivers 30 2.6. Conclusions 31 2.7. References 33 3. Quantifying nutrient fluxes with a new Hyporheic Passive Flux Meter (HPFM) 39 3.1. Abstract 39 3.2. Introduction 40 3.3. Methods 44 3.3.1. Construction and materials 44 3.3.2. Selection and characterization of resin 45 3.3.3. Preparation of activated carbon with alcohol tracers 47 3.3.4. Deployment and retrieval procedure 49 3.3.5. Analysis and data treatment 49 3.3.6. Field testing of hyporheic passive flux meters (HPFMs) 51 3.4. Results 56 3.4.1. Laboratory experiments 56 3.4.2. Field testing 56 3.5. Discussion 63 3.6. Conclusion and Outlook 69 3.7. References 70 4. Hyporheic passive flux meters reveal unexpected source-sink behavior of nitrogen in an anthropogenically modified stream (Holtemme, Germany) 79 4.1. Abstract 79 4.2. Introduction 80 4.3. Methods 82 4.3.1. Study site 83 4.3.2. Instrumental set-up 84 4.3.3. Deriving hyporheic denitrification rates 89 4.2. Results 92 4.2.1. Hyporheic nutrient fluxes and Darcy velocities 92 4.2.2. Nutrient concentrations in pore water 94 4.2.3. O2 and temperature 94 4.2.4. Hyporheic residence time and denitrification 95 4.5. Discussion 97 4.5.1.Darcy velocities and angle of hyporheic flow 97 4.5.2. Biotic activity 98 4.5.3. Extent of active hyporheic zone 98 4.5.4. The effect of redox conditions and residence time on the NO3 source-sink function of the Hyporheic zone 99 4.5.5. Anthropogenic influence on water quality 101 4.6. Conclusions 102 4.7. References 104 5. Discussion 110 5.1. Evaluation of the new methodology 110 5.1.1. High frequency measurements of nitrogen removal in rivers 110 5.1.2. Hyporheic passive flux meter for the quantification of nutrient fluxes 113 5.2. Results from the field studies and scientific implications 115 5.2.1. Nitrogen processing in aquatic ecosystems 115 5.2.2. Reach scale nitrogen dynamics in the Weiße Elster 117 5.2.3. Hyporheic nutrient fluxes at the Holtemme 120 5.3. Moving beyond and Outlook 123 5.3.1. Scaling and representability 124 5.3.2. Modified ecosystems 128 6. References 130 Note on the commencement of the doctoral procedure 151 Curriculum Vitae 152

The conceptual subject of this study was to investigate the effects of microbial biofilms of the hyporheic zone of the river Elbe on nutrient dynamics and elimination. This resulted in four aspects, which were carried out separately. One aspect was the investigation of the dynamics of inorganic nitrogen compounds in the upper sediment layers, as highest microbial activity could be expected due to increased import of nutrients. Dissolved oxygen is suggested to control the nitrogen dynamics in the hyporheic zone, as dissolved oxygen in the flowing water varied seasonally and diurnally due to the photosynthetic activity of the algae and infiltrated in the hyporheic zone. The second aspect was the investigation of advective transport of algal cells through porous media. In laboratory columns the retention and retardation of morphological different algae was estimated. In the year 2001, it was possible to use the diving bell of the Office of Water and Navigation Magdeburg. Samples of the river bed at two different sites (Dresden-Übigau and Coswig near Lutherstadt-Wittenberg) were taken. Microbial activity rates, detrital and grain size parameters were detected. This sample material was also used for the detection of the microbial biocoenosis at the two sites. The microorganisms of the flowing water, the interstitial water and associated to the sediment were characterized by means of the fluorescence in situ hybridization (FISH) technique. Multivariate statistical analysis was performed on the FISH data at different spatial and phylogenetic scales. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von mikrobiellen Biofilmen in hyporheischen Sedimenten der Elbe sowie deren Auswirkungen auf die Stoffdynamik und die Nährstoffelimination. Daraus ergaben sich vier Teilaspekte, die separat bearbeitet wurden. Ein Aspekt war die Untersuchung der Stickstoffdynamik in den obersten Sedimentschichten, da hier aufgrund des erhöhten Importes von Nährstoffen die höchste mikrobielle Aktivität zu erwarten ist. Wesentliche biologische Steuergröße ist hierbei vermutlich der Gelöstsauerstoff, der saisonal sowie diurnal durch die photosynthische Aktivität der Algen auch die biochemischen Umsätze im hyporheischen Interstitial beeinflußt. Der zweite Aspekt war die Untersuchung des advektiven Transportes von Algen durch poröse Medien. In Laborversuchen wurde die Retention und die Retardation von morphologisch unterschiedlichen Algen untersucht. Im Jahr 2001 konnte der Taucherschacht des Wasser- und Schiffahrtsamtes Magdeburg genutzt werden. Dadurch konnte Probenmaterial aus der Flußmitte an zwei unterschiedlichen Standorten (Dresden-Übigau und Coswig bei Lutherstadt-Wittenberg) entnommen werden. Es wurden mikrobielle Umsatzraten, Detritus- und Korngrößen- Kenngrößen bestimmt. Ebenfalls am Probenmaterial der Taucherschachtaktion wurde die Fluoreszenz in situ Hybridisierung angewendet. Dies ermöglichte eine Bestandsaufnahme der Bakterien sowohl im Freiwasser der beiden Standorte, als auch im Interstitialwasser und den Bakterien assoziiert ans Sediment. Die Ergebnisse wurden auf unterschiedlichen räumlichen und phylogenetischen Ebenen mit multivariaten statistischen Methoden ausgewertet.

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