Objective: National and supranational directives (EU-bathing water directiv, WHO directives) exist to examine the bathing-water quality with concern to public health criteria. E.coli, Intestinal enterococci and Enteroviruses serve as indicators for the contamination of a water with pathogenic bacteria and viruses. As an valuable indicators for the viral contamination bacteriophages are discussed. The aim of this work is the evaluation of somatic and F+ RNA coliphages as indicators of a contamination with enteric viruses considering a lignite mining lake as example. Approach: In weekly intervals, the concentration of bacterial and viral indicators, as well as the presence or absence of enteric viruses in the mining lake "Werbeliner See" (central German lignite mining area), in the flooding water and in the sewage plant Leipzig-Rosental, which significantly influences the flooding water, was examined. The paramters E.coli, Intestinal enterococci and spores of Clostridium perfringens serve as indicators for the hygienic state. As possible indicators of a viral contamination, somatic and F+ RNA coliphages were examined. Several hygienic relevant enteric viruses (Entero-, Noro-, Astro-, Adeno-, Rota- and Hepatitis A-viruses) were detected by means of adequate molecular biological methods and enumerated. Results: 1. The sewage plant Leipzig-Rosental eliminated fecal bacteria and bacteriophages very efficiently (about two logs), however the reduction of E.coli and enterococci was significant higher then the reduction of Cl.perfringens-spores and bacteriophages. The purification capacity benefits from the application of chemical precipitants (Fe (III) cloride / sulfate). 2. The reduction of genomes of Noro-, Astro- and Enteroviruses by the sewage plant was in the range of one to two logs. 3. All examined viruses could be detected in the inflow and the outflow of the sewage plant during the time of examination. 4. The concentration of fecal bacteria in the lake Werbeliner See was very low. The requirements by the EU-bathing water directive (76/160/EWG) with 2000 . (100 ml)-1 (E.coli, imperial value) and 100 . (100 ml)-1 (enterococci, guide value), respectively, were under-run clearly, also concerning the individual sampling days. 81 % and 92 % of the samples of the lake Werbeliner See (except the inflow site) were below the detection limit of 0,1 PFU . ml-1 for somatic and F+ RNA coliphages, respectively. 5. In contrast, DNA and RNA of all examined virus could be found in the lake. Quantitative PCR reveald a virus load between 0 und 105 Gen.equiv. . l-1 for Entero-, Noro- and Astroviruses. 6. The detection of infectious Enteroviruses on BGM cell lines yielded one positve sample (=1,2%). Since the concentration of Enterovirus genomes in the quantitative PCR was three to four log-steps lower then this of the Noro- and Astroviruses, one could specualte, that the concentration of infectious Noro- and Astroviruses in the lake was quite high. 7. The low rate of positive infectious Enteroviruses in the lake reflects the low concentration of bacteriophages. But the direct comparison of the concentration of bacteriophages with the concentration of infectious Enteroviruses in the flooding water casts doubt on the indicatior value of bacteriophages regarding Enteroviruses. In conclusion, this finding suggests that an exclusive indication of bacteriophages concerning a contamination with Enteroviruses is not possible. 8. The use of bacteriophages as indicators of a wider range of enteric viruses could attenuate this discrepancy by the epidemiological more frequent appearance of enteric viruses as a sum. 9. In this context bacteriophages could, due to their comparatively high resistence, have a key function in the assesment of the hygienic quality of a water sample. / Problemstellung: Um die hygienische Qualität von Badegewässern zu beurteilen existieren nationale und übernationale Richtlinien (EU-Badegewässerrichtlinie, WHO-Richtlinien). E.coli, Intestinale Enterokokken und Enteroviren dienen dabei als Indikatoren für die Belastung des Gewässers mit humanpathogenen Keimen bzw. Viren. Als Indikatoren für die virale Belastung sind in diesem Zusammenhang unter anderem Bakteriophagen im Gespräch. Gegenstand dieser Arbeit sind die Evaluierung von Somatischen und F+ RNA Coliphagen als Indikatoren für die Kontamination mit enteralen Viren am Beispiel eines Tagebausee sowie die Dokumentation der hygienischen Wasserqualität des Tagebausees unter Berücksichtigung des Flutungswassers. Vorgehensweise: In wöchentlichen Routineuntersuchungen wurden die Konzentrationen bakterieller und viraler Indikatoren, sowie die An- oder Abwesenheit enteraler Viren im Tagebausee "Werbeliner See" untersucht. Verschiedene, hygienische relevante enterale Viren (Entero-, Noro-, Astro-, Adeno-, Rotaviren, sowie Hepatitis A-Viren) wurden mittels geeigneter molekularbiologischer und zellkultureller Methoden detektiert und quantifiziert. Ergebnisse: 1. Die Kläranlage Leipzig-Rosental eliminierte sehr effizient (ca. zwei Größenordnungen) fäkale Bakterien und Bakteriophagen, wobei die Reduktion von E.coli und Enterokokken signifikant höher war als die von Cl.perfringens-Sporen und Bakteriophagen. Die Reinigungsleistung wird durch den Einsatz von chemischen Fällmitteln (Eisen-(III)-Chlorid / -Sulfat-Salze) begünstigt. 2. Noro-, Astro- und Enteroviren, für die quantitative Untersuchungen durchgeführt worden, konnten durch die Kläranlage um ein bis zwei Größenordnungen reduziert werden. 3. Alle untersuchten Viren konnten in Zu- und Ablauf der Kläranlage molekularbiologisch nachgewiesen werden. 4. Die Konzentration fäkaler Bakterien im Werbeliner See war sehr gering. Die Vorgaben der EU-Badegewässerrichtlinie (76/160/EWG) von 2000 . (100 ml)-1 (E.coli, Grenzwert) bzw. 100 . (100 ml)-1 (Enterokokken, Leitwert) wurden dabei, auch bezogen auf die einzelnen Probenahmetage, deutlich unterschritten. 81 % bzw. 92 % der Seeproben (außer Einleitungsstelle) lagen unterhalb der Nachweisgrenze von 0,1 PFU . ml-1 für Somatische- bzw. F+ RNA Coliphagen. 5. Im Kontrast dazu konnte DNA bzw. RNA aller untersuchten Viren im See gefunden werden. Die genomische Viruslast der mittels real-time-PCR detektierten Entero-, Noro- und Astroviren lag zwischen 0 und 105 Gen.äquiv. . l-1. 6. Der Nachweis infektiöser Enteroviren auf BGM-Zellen im Werbeliner See ergab ein einzelnes positives Ergebnis im Untersuchungszeitraum (= 1,2 %). Allerdings lag die Konzentration detektierter Enteroviren-Genome im Mittel drei bis vier Größenordnungen unter der Konzentration von Noro- und Astroviren. Es kann deshalb spekuliert werden, dass für diese Viren ebenfalls ein hoher Anteil infektiöser Proben zu erwarten gewesen wäre. 7. Die niedrige Nachweisrate infektiöser Enteroviren im Werbeliner See spiegelte sich in der sehr niedrigen Konzentration an Bakteriophagen wider. Allerdings lässt der direkte Vergleich der Bakteriophagenkonzentration mit dem Nachweis infektiöser Enteroviren im Flutungswasser Zweifel am Indikatorwert von Bakteriophagen für eine Kontamination mit Enteroviren aufkommen. Eine exklusive Indikation von Bakteriophagen bezüglich einer Kontamination mit Enteroviren scheint anhand dieser Befunde nicht möglich. 8. E.coli und Enterokokken wurden in Laborversuchen unter verschiedenen Versuchsbedingungen signifikant schneller inaktiviert als Somatische Coliphagen und Noroviren. Gleiches galt im Vergleich zu Cl. perfringens-Sporen, Astroviren und F+ RNA Coliphagen. 9. Bakteriophagen könnten deshalb auf Grund ihrer vergleichsweise hohen Resistenz eine wichtige Schlüsselfunktion für die Beurteilung der hygienischen Qualität einer Wasserprobe spielen.

Objective: National and supranational directives (EU-bathing water directiv, WHO directives) exist to examine the bathing-water quality with concern to public health criteria. E.coli, Intestinal enterococci and Enteroviruses serve as indicators for the contamination of a water with pathogenic bacteria and viruses. As an valuable indicators for the viral contamination bacteriophages are discussed. The aim of this work is the evaluation of somatic and F+ RNA coliphages as indicators of a contamination with enteric viruses considering a lignite mining lake as example. Approach: In weekly intervals, the concentration of bacterial and viral indicators, as well as the presence or absence of enteric viruses in the mining lake "Werbeliner See" (central German lignite mining area), in the flooding water and in the sewage plant Leipzig-Rosental, which significantly influences the flooding water, was examined. The paramters E.coli, Intestinal enterococci and spores of Clostridium perfringens serve as indicators for the hygienic state. As possible indicators of a viral contamination, somatic and F+ RNA coliphages were examined. Several hygienic relevant enteric viruses (Entero-, Noro-, Astro-, Adeno-, Rota- and Hepatitis A-viruses) were detected by means of adequate molecular biological methods and enumerated. Results: 1. The sewage plant Leipzig-Rosental eliminated fecal bacteria and bacteriophages very efficiently (about two logs), however the reduction of E.coli and enterococci was significant higher then the reduction of Cl.perfringens-spores and bacteriophages. The purification capacity benefits from the application of chemical precipitants (Fe (III) cloride / sulfate). 2. The reduction of genomes of Noro-, Astro- and Enteroviruses by the sewage plant was in the range of one to two logs. 3. All examined viruses could be detected in the inflow and the outflow of the sewage plant during the time of examination. 4. The concentration of fecal bacteria in the lake Werbeliner See was very low. The requirements by the EU-bathing water directive (76/160/EWG) with 2000 . (100 ml)-1 (E.coli, imperial value) and 100 . (100 ml)-1 (enterococci, guide value), respectively, were under-run clearly, also concerning the individual sampling days. 81 % and 92 % of the samples of the lake Werbeliner See (except the inflow site) were below the detection limit of 0,1 PFU . ml-1 for somatic and F+ RNA coliphages, respectively. 5. In contrast, DNA and RNA of all examined virus could be found in the lake. Quantitative PCR reveald a virus load between 0 und 105 Gen.equiv. . l-1 for Entero-, Noro- and Astroviruses. 6. The detection of infectious Enteroviruses on BGM cell lines yielded one positve sample (=1,2%). Since the concentration of Enterovirus genomes in the quantitative PCR was three to four log-steps lower then this of the Noro- and Astroviruses, one could specualte, that the concentration of infectious Noro- and Astroviruses in the lake was quite high. 7. The low rate of positive infectious Enteroviruses in the lake reflects the low concentration of bacteriophages. But the direct comparison of the concentration of bacteriophages with the concentration of infectious Enteroviruses in the flooding water casts doubt on the indicatior value of bacteriophages regarding Enteroviruses. In conclusion, this finding suggests that an exclusive indication of bacteriophages concerning a contamination with Enteroviruses is not possible. 8. The use of bacteriophages as indicators of a wider range of enteric viruses could attenuate this discrepancy by the epidemiological more frequent appearance of enteric viruses as a sum. 9. In this context bacteriophages could, due to their comparatively high resistence, have a key function in the assesment of the hygienic quality of a water sample. / Problemstellung: Um die hygienische Qualität von Badegewässern zu beurteilen existieren nationale und übernationale Richtlinien (EU-Badegewässerrichtlinie, WHO-Richtlinien). E.coli, Intestinale Enterokokken und Enteroviren dienen dabei als Indikatoren für die Belastung des Gewässers mit humanpathogenen Keimen bzw. Viren. Als Indikatoren für die virale Belastung sind in diesem Zusammenhang unter anderem Bakteriophagen im Gespräch. Gegenstand dieser Arbeit sind die Evaluierung von Somatischen und F+ RNA Coliphagen als Indikatoren für die Kontamination mit enteralen Viren am Beispiel eines Tagebausee sowie die Dokumentation der hygienischen Wasserqualität des Tagebausees unter Berücksichtigung des Flutungswassers. Vorgehensweise: In wöchentlichen Routineuntersuchungen wurden die Konzentrationen bakterieller und viraler Indikatoren, sowie die An- oder Abwesenheit enteraler Viren im Tagebausee "Werbeliner See" untersucht. Verschiedene, hygienische relevante enterale Viren (Entero-, Noro-, Astro-, Adeno-, Rotaviren, sowie Hepatitis A-Viren) wurden mittels geeigneter molekularbiologischer und zellkultureller Methoden detektiert und quantifiziert. Ergebnisse: 1. Die Kläranlage Leipzig-Rosental eliminierte sehr effizient (ca. zwei Größenordnungen) fäkale Bakterien und Bakteriophagen, wobei die Reduktion von E.coli und Enterokokken signifikant höher war als die von Cl.perfringens-Sporen und Bakteriophagen. Die Reinigungsleistung wird durch den Einsatz von chemischen Fällmitteln (Eisen-(III)-Chlorid / -Sulfat-Salze) begünstigt. 2. Noro-, Astro- und Enteroviren, für die quantitative Untersuchungen durchgeführt worden, konnten durch die Kläranlage um ein bis zwei Größenordnungen reduziert werden. 3. Alle untersuchten Viren konnten in Zu- und Ablauf der Kläranlage molekularbiologisch nachgewiesen werden. 4. Die Konzentration fäkaler Bakterien im Werbeliner See war sehr gering. Die Vorgaben der EU-Badegewässerrichtlinie (76/160/EWG) von 2000 . (100 ml)-1 (E.coli, Grenzwert) bzw. 100 . (100 ml)-1 (Enterokokken, Leitwert) wurden dabei, auch bezogen auf die einzelnen Probenahmetage, deutlich unterschritten. 81 % bzw. 92 % der Seeproben (außer Einleitungsstelle) lagen unterhalb der Nachweisgrenze von 0,1 PFU . ml-1 für Somatische- bzw. F+ RNA Coliphagen. 5. Im Kontrast dazu konnte DNA bzw. RNA aller untersuchten Viren im See gefunden werden. Die genomische Viruslast der mittels real-time-PCR detektierten Entero-, Noro- und Astroviren lag zwischen 0 und 105 Gen.äquiv. . l-1. 6. Der Nachweis infektiöser Enteroviren auf BGM-Zellen im Werbeliner See ergab ein einzelnes positives Ergebnis im Untersuchungszeitraum (= 1,2 %). Allerdings lag die Konzentration detektierter Enteroviren-Genome im Mittel drei bis vier Größenordnungen unter der Konzentration von Noro- und Astroviren. Es kann deshalb spekuliert werden, dass für diese Viren ebenfalls ein hoher Anteil infektiöser Proben zu erwarten gewesen wäre. 7. Die niedrige Nachweisrate infektiöser Enteroviren im Werbeliner See spiegelte sich in der sehr niedrigen Konzentration an Bakteriophagen wider. Allerdings lässt der direkte Vergleich der Bakteriophagenkonzentration mit dem Nachweis infektiöser Enteroviren im Flutungswasser Zweifel am Indikatorwert von Bakteriophagen für eine Kontamination mit Enteroviren aufkommen. Eine exklusive Indikation von Bakteriophagen bezüglich einer Kontamination mit Enteroviren scheint anhand dieser Befunde nicht möglich. 8. E.coli und Enterokokken wurden in Laborversuchen unter verschiedenen Versuchsbedingungen signifikant schneller inaktiviert als Somatische Coliphagen und Noroviren. Gleiches galt im Vergleich zu Cl. perfringens-Sporen, Astroviren und F+ RNA Coliphagen. 9. Bakteriophagen könnten deshalb auf Grund ihrer vergleichsweise hohen Resistenz eine wichtige Schlüsselfunktion für die Beurteilung der hygienischen Qualität einer Wasserprobe spielen.

Durch die Flutung stillgelegter Tagebaue entstehen zahlreiche Seen in den ostdeutschen Braunkohlerevieren. Sie sind überwiegend groß, oligo- bis mesotroph, und ihr Litoral ist nur in geringem Umfang durch Makrophyten strukturiert. Viele von ihnen sind versauert oder versauerungsgefährdet. In einer Feldstudie wurden (1) die Auswirkung von Seemorphologie und Habitatstruktur auf die Fischgemeinschaft des Senftenberger Sees, eines 1050 ha großen mesotrophen Tagebausees, und (2) die Säuretoleranz einheimischer Fischarten unter den hydrochemischen Bedingungen der geogen versauerten Tagebauseen untersucht. Die Fischgemeinschaft des Senftenberger Sees wurde von Barschen (Perca fluviatilis) und Plötzen (Rutilus rutilus) dominiert, wobei die verschiedenen Barsch- und Plötzengrößenklassen ihre Habitate durch Nutzung verschiedener Tiefenbereiche des Litorals segregierten. Innerhalb der flachen Litoralbereiche waren juvenile Plötzen und juvenile Güstern deutlich stärker auf die wenigen Makrophytenbestände fixiert als juvenile Barsche. Die Habitatwahl der Barsche zeigt, dass diese in mesotrophen Seen wahrscheinlich eher von den guten Sichtverhältnissen als von der strukturellen Komplexität submerser Makrophytenbestände profitieren. Als Ursache für die unterschiedliche Habitatwahl juveniler Barsche, Plötzen und Güstern wird postuliert, dass diese generell verschiedene Habitatwahlstrategien verfolgen. Während der entscheidende Parameter für die Habitatwahl juveniler Barsche die Optimierung der Energieaufnahme ist, folgen juvenile Plötzen und Güstern vorrangig einer Räubervermeidungsstrategie und sind daher sehr viel stärker auf strukturreiche Bereiche angewiesen. Die kritischen pH-Untergrenzen für die einzelnen Fischarten entsprachen weitgehend den publizierten Ergebnissen aus regenversauerten Weichwasserseen. Vermutlich wurde in den Tagebauseen der Säurestress, den die erhöhte Al-Konzentration von bis zu 0,6 mg/L verursachte, durch die ebenfalls erhöhte Ca-Konzentration kompensiert. / Numerous post-mining lakes are created by flooding the pits remaining from open-cast lignite mining in eastern Germany. They are typically large, oligo- or mesotrophic and only sparsely structured by macrophytes. Many of them are acidified or at risk of acidification. The aim of this study was (1) to determine the effects of lake morphology and habitat structure on the fish community of Lake Senftenberg, a large mesotrophic post-mining lake, and (2) to determine the acid tolerance of indigenous fish species under the hydrochemical conditions of geogenically acidified post-mining lakes. The most abundant fish species in Lake Senftenberg were Eurasian perch (Perca fluviatilis) and roach (Rutilus rutilus). Different size classes of both species segregated along a depth gradient within the littoral zone. Unvegetated shallow littoral areas (depth 1-3 m) were mainly used by juvenile perch, whereas juvenile roach and juvenile white bream (Blicca bjoerkna) preferred macrophyte stands. This indicates that the structural complexity of submersed macrophytes is not the key factor favouring perch over roach under mesotrophic conditions. Instead, low turbidity is probably the most important factor. The habitat choice of juvenile perch, roach and white bream is suggested to reflect different habitat selection strategies. Whereas habitat selection of juvenile perch is predominantly driven by maximisation of food consumption rates, juvenile roach and juvenile white bream aim at minimising predation risk. Consequently, they are much more dependent on structurally complex habitats. The critical lower pH-thresholds of the fish species investigated in this study were similar to the values derived from soft water lakes affected by acid rain. The deleterious effects of elevated Al-concentrations (up to 0.6 mg/L) in the post-mining lakes were probably mitigated by high Ca-concentrations.

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.