Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie schuf einen rechtlichen Rahmen, der die Mitgliedsstaaten zum Schutz der Wasserressourcen verpflichtete. Das Ziel ist das Erreichen eines guten ökologischen und chemischen Zustandes der europäischen Gewässer. Ein besonderes Augenmerk fiel in jüngerer Zeit auf die Rolle von Arzneimitteln als unerwünschte Chemikalien in der Umwelt. Arzneimittelwirkstoffe und ihre Rückstände konnten in vielen europäischen Gewässern nachgewiesen werden. Über die Auswirkung einer chronischen Exposition von Wasserorganismen auf Arzneimittelwirkstoffen ist nur wenig bekannt. Das künstliche Östrogen 17a-Ethinylestradiol (EE2) sorgt für Kontroversen, da es zur Aufnahme in die Liste der prioritären Stoffe der Wasserrahmenrichtlinie vorgeschlagen wurde. Der dazugehörige vorgeschlagene Grenzwert für Oberflächengewässer beträgt 35 pg/L als Jahresdurchschnitts-Umweltqualitätsnorm (JD-UQN). Einerseits gibt es Zweifel, ob der Grenzwert eingehalten werden kann und andererseits ist die Analytik bisher nicht in der Lage, EE2-Konzentrationen in dieser Größenordnung verlässlich messen zu können. Da keine Messwerte zur Gewässerbelastung durch EE2 existieren, hatte meine Arbeit das Ziel, den Einfluss der Abflussvarianz auf die EE2-Konzentration im Wasser zu untersuchen und zu prüfen, ob die Einhaltung des Grenzwerts möglich ist. Der Eintrag und Verbleib von EE2 wurde mittels des räumlich expliziten Modellsystems GREAT-ER in den deutschen Einzugsgebieten Ruhr und Main modelliert. Die damit berechneten EE2-Frachten im Gewässer wurden benutzt, um an ausgewählten Messstellen eine Simulation der Variabilität der EE2-Konzentrationen zu ermöglichen. Dazu wurde die Abflussvariabilität an den Messstellen anhand von langjährigen Pegeldatenreihen geschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere in den Hauptläufen der Flüsse mit deutlichen Überschreitungen der JD-UQN in den Monaten von Mai bis Oktober zu rechnen ist. Mittels Monte Carlo-Simulation wurde das Risiko quantifiziert, wie häufig die JD-UQN im Jahresmittel überschritten würde. Für die Messstellen im Hauptlauf des Mains und im Unterlauf der Ruhr wurde ermittelt, dass dort mit hoher Sicherheit die JD-UQN nicht eingehalten werden kann. Auch an Messstellen, die im Jahresmittel den Grenzwert nicht überschritten, konnten häufige Überschreitungen des Grenzwerts in den Sommermonaten beobachtet werden. Die Zeiträume waren dabei lang genug, um relevant für chronische Effekte auf Wasserorganismen zu sein. Die durch die Oberflächengewässerverordnung vorgegebene Überwachung der JD-UQN erscheint daher für EE2 nicht sinnvoll. In Deutschland werden große Mengen von jodhaltigen Röntgenkontrastmitteln (JRKM) verbraucht (rund 370 Tonnen in 2009), die unverändert und in gesamter Menge über das kommunale Abwasser in Oberflächengewässer gelangten. JRKM sind nach Stand der Forschung toxikologisch unbedenklich, stellen aber aufgrund der teilweise hohen Konzentrationen im Bereich von ug/L eine Gefahr für die Trinkwasserversorgung dar. Trotz der hohen Verbrauchsmenge war bisher wenig über Emissionsmuster und Verbrauch von JRKM bekannt. Ziel der Arbeit war es daher, Informationen über den Verbrauch in medizinischen Einrichtungen zu sammeln und ein geeignetes Modell zu identifizieren, mit dem der Eintrag von JRKM in die Umwelt modelliert werden kann. Zu diesem Zweck wurden Modellansätze aus der Literatur als auch ein selbstentwickelter Ansatz im Modellsystem GREAT-ER implementiert und in den Einzugsgebieten Main und Ruhr simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Computertomographen als Proxygrößen zur räumlichen Aufteilung von JRKM-Emissionen verwendet werden kann. Rund zwei Drittel der jährlichen in Deutschland verbrauchten JRKM entfallen dabei nach eigenen Abschätzungen auf Krankenhäuser. Außerdem wurde gezeigt, dass der Nachweis von JRKM mittels Stichprobenmessungen in Gewässern und Kläranlagen in vielen Fällen keine belastbaren Aussagen liefert, da der Eintrag von wenig genutzten JRKM stark ereignisgetriebenen ist. Darüber hinaus konnten regionale Unterschiede in den Verbrauchsmengen identifiziert werden, die vermutlich auf lokal vorherrschende Präferenzen für einzelne JRKM zurück zu führen sind.

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

In dieser Dissertation wurden das Auftreten und die ökologische Bedeutung Vivianits in Süßwassersedimenten erforscht. Vivianit ist das am weitensten verbreitete reduzierte Eisenphosphatmineral, das sich in Gewässersedimenten bildet. Über die Mechanismen der Vivianitbildung in Sedimenten und die quantitative Rolle des Minerals für die Speicherung von Phosphor ist bisher wenig bekannt. Die neuen Erkenntnisse dieser Arbeit basieren auf der Entwicklung einer neuartigen Methode, die eine direkte Identifikation Vivianits mittels Röntgendiffraktometrie in Sedimenten erlaubte. Es gelang erstmalig, Vivianit in Oberflächensedimenten zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Vivianit signifikant, mit 10-40 %, zur Phosphorretention in Süßwassersedimenten beitragen kann. Die Untersuchung der Bildungsbedingungen Vivianits in unterschiedlichen Gewässersedimenten Norddeutschlands zeigte, dass das molare Schwefel zu Eisen Verhältnis des Sediments als ein wichtiger Indikator für die Bedingungen identifiziert, welche die Triebkräfte für die An- und Abwesenheit Vivianits darstellen. Eine Eutrophierung von Gewässern und der damit verbundene Anstieg der Sulfidproduktion kann dabei die Bildung Vivianits beeinträchtigen, und eine Abnahme des Phosphorbindungsvermögens des Sediments zur Folge haben. Die vorliegende Arbeit macht deutlich, dass eine artifizielle Erhöhung des Eisengehaltes des Sediments im Rahmen einer Seenrestaurierung eine Vivianitbildung induzieren kann und so langfristig zu einem erhöhten Phosphorrückhalt führt. Sättigungsberechnungen ergaben, dass ein hinsichtlich Vivianits übersättigtes Porenwasser kein sicheres Indiz für die Anwesenheit des Minerals ist. Die Berechnungen sind nicht in der Lage die kleinskaligen chemischen Bedingungen im Porenraum des Sediments abzubilden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Bildung von Vivianit einen wichtigen Prozess der Phosphorbindung in Gewässersedimenten darstellt, der bislang jedoch weitestgehend vernachlässigt wurde. / In this thesis, the occurrence and environmental relevance of vivianite in freshwater sediments were explored. Vivianite is the most common reduced iron phosphate mineral which forms in sedimentary environments. Not much is known about the mechanisms which lead to vivianite formation in surface sediments, and about the quantitative role of vivianite in phosphorus sequestration. The development of a novel sediment preparation technique allowed the direct identification of vivianite by powder X-ray diffraction. Notably, for the first time, vivianite was quantified in surface freshwater sediments. The study examplifies that vivianite can significantly contribute to the phosphorus retention in surface freshwater sediments, accounting for 10-40 % of total sedimentary phosphorus. The exploration of vivianite in different surface freshwater sediments located in northern Germany revealed that the sedimentary sulphur to iron ratio is a valuable indicator for the conditions that are important drivers behind the formation or absence of vivianite. It has been demonstrated that eutrophication and the accompanied increase in sulphide production hampers vivianite formation, leading to a decreased phosphorus binding capacity of sediments through increased sediment sulphidization. The present study also revealed, that an iron addition as a measure of lake restoration can trigger vivianite formation, and significantly increases the long-term phosphorus retention of sediments. Pore water equilibrium calculations demonstrated that supersaturated pore water is not sufficient to predict the occurrence of the mineral in situ. Those calculations often fail to predict the occurrence of vivianite because they do not adequately represent chemical conditions within sediment microenvironments. In summary, the formation of vivianite in aquatic sediments constitutes an important process in phosphorus sequestration which has so far largely been ignored.