Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien.<br><br> Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel&#8220;. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer. / For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions.<br><br> For experimental investigation of runoff generation and water balance processes within the floodplains of the Havel river an extensive measurement campaign was installed at several testsites of the 198 km2 catchment of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. These testsites include stations and gauges for the observation of meteorological parameters, soil moisture, groundwater depths and river runoff. Analysis of the observed data led to an improved understanding of water balance processes within the specific part of the floodplain which is influenced by the dynamics of the uppermost groundwater and by the surface water dynamics. Furthermore the implementation of the observed data within the model concept realised the consistent definition of time variable, spatial distributed initial and boundary conditions. The IWAN model was developed as a tool which implements the speci- fic hydrological characteristics of floodplains within the concept of modelling water balance and nutrient dynamics. It is based on the coupling of the distributed deterministic hydrological model WASIM-ETH with the three-dimensional finite difference based numerical groundwater model MODLFOW. Simulation of the metabolism of nitrogen within the groundwater passage was realised by the nutrient transport model MT3D which was coupled with the groundwater model. For model based simulation of the water balance within lowland river floodplains the IWAN model was applied for different scaled subcatchments of the Havel river with varying sizes from 2 to 1000 km2 and simulation periods from 2 weeks up to 13 years. Calibration of the model was performed for two different sized subcatchments of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. The subsequent validation of the model focused on the entire &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. Uncertainties of the model approach and the limited applicability and transferability for further groundwater influenced floodplain landscapes were analysed. The results of the water balance simulations led to an improved understanding of the processes and dynamics within floodplains. It furthermore enabled the quantification and impact analysis of certain processes and interactions. Based on local simulation results and on the analysis of surface and groundwater morphology an algorithm was developed which was used for delineation of the direct catchment of the Havel river. This direct catchment is specified as the part of the floodplain which is characterised by the direct interaction between river and adjacent catchment. Water balance simulations with the IWAN model in the direct catchment led to the quantification of interaction processes between river and floodplain. This enabled the assessment of the runoff fraction from the direct catchment during the ecologically sensitive low flow periods in summer and of the retention capacity of the floodplain during flood events. For the evaluation of the influences of alternative landuse management on the water balance within floodplains, complex scenarios were developed which implemented alterations of landuse or changes of surface water geometries and drainage structures. Simulation of water balances for each scenario allowed the detailed analysis of changing boundary conditions on the floodplain water balance and on the interaction processes between groundwater and river. Modelling nitrogen metabolism within the groundwater: For investigation of the nitrogen metabolism within the groundwater of floodplains the nutrient transport and dynamics model MT3D, which considers also interactions between groundwater and surface waters, was integrated in the IWAN concept. The model was applied for the simulation of nitrate dynamics within the direct catchment of the Havel river.With this approach, the nitrate loads between groundwater and river could be quantified. In addition, nitrate concentrations within the groundwater were analised in dependence of surface water dynamics. Scenario simulations, assuming a decrease of incoming nitrate loads from the root zone, caused by landuse techniques, led to the quantification of the efficiency of landuse changes and advanced management strategies to inhibit pollution of groundwater and surface waters.

Die mit dem Sommer 2018 einsetzende Grundwasserdürre in Sachsen führte zum Trockenfallen von Brunnen und Quellen, aber gleichzeitig auch zu einer steigenden Nachfrage an der Nutzung der Grundwasserressource. Weiterhin projizieren Klima- und Wasserhaushaltsmodelle für Sachsen regional-spezifische Rückgänge der mittleren Grundwasserneubildung. Um die langfristigen Planungen der Wasserversorgung sowie die nachhaltige Bewirtschaftung des Grundwassers zu qualifizieren, wurden Anforderungen und methodische Grundlagen zur Erstellung von Dargebotsnachweisen für Grundwasserentnahmen aktualisiert. Leitfadenbestandteile zur Auswertung und Darstellung beobachteter und modellierter Wasserhaushaltsdaten sollen Antragstellern von Grundwasserentnahmen und wasserrechtlichen Vollzugsbehörden bei der Abschätzung prognostischer Grundwasserdargebote unterstützen. Redaktionsschluss: 18.08.2021

Gereinigte Abwässer aus kommunalen Kläranlagen in Sachsen tragen mit einem hohen Anteil zur Belastung der Gewässer mit Phosphor bei. Vor allem die etwa 200 größeren Kläranlagen ab 2.000 Einwohnerwerte (EW) Anschlusskapazität können ihren Phosphoreintrag vermindern, wenn die Fällungsanlagen optimiert oder neugebaut werden. In dem Projekt „Minderung von Phosphoreinträgen“ wurde für jede dieser Klärlagen der Handlungsbedarf ermittelt. Das Konzept soll die Tätigkeit der Wasserbehörden im Bereich der Phosphoreliminierung unterstützen. Es soll helfen, den guten ökologischen Zustand in den sächsischen Gewässern zu erreichen. Redaktionsschluss: 31.07.2023

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.

Die Arbeit beinhalted verschiedene Studien, die die Grundwasser (GW)-Oberflächenwasser (OW)-Interaktion im Norddeutschen Tiefland untersuchen. Dabei werden zwei Ansätze verfolgt: der hydrogeologische und der limnologische Ansatz. Ersterer betrachtet die Interaktionen aus dem Blickpunkt der unterirdischen Wasserbewegung. Diese ist hauptsächlich gesteuert durch die Verteilung der hydraulische Leitfähigkeit (Sediment) und des hydraulischen Gradienten. Es ist immer noch eine Herausforderung beide Steuerungsgrößen richtig abzuschätzen. Mit neuen Ansätzen, welche auf der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Landschafskomponenten basieren (Wasserstände, Topographie, Vegetation, Nährstoffe), wurde klein- bis mesoskalige Sedimentverteilungen in einer Aue untersucht und beschrieben. Des Weiteren konnte mit einem einfachen Grundwassermodell gezeigt werden, das verschiedene Grundwasserstonckwerke (regionale Skala) die Interaktion zwischen GW und einem See beeinflussen können. Der limnologische Ansatz basiert auf der Annahme, dass Bereiche in einem See identifiziert werden können an denen Grundwasser zutritt. In der vorliegenden Arbeit, wurden eine Methode getestet, die auf der unterschiedlichen Temperatur von beiden Wasserkörpern basiert: Im Frühjahr ist das GW wärmer als das Seewasser und sollte sich an der Seeoberfläche einschichten. Mittels thermalen Luftbildaufnahmen sollten somit Grundwasserzutritte identifizierbar sein. Die Studien aber zeigten, dass dies nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist und seeinterne Prozesse bei der Interpretation der Temperaturverteilung an der Seeoberfläche berücksichtigt werden müssen. Somit besteht noch ein erhöhter Forschungsbedarf bezüglich des limnologischen Ansatzes. Dennoch birgt dieser ein großes Potential, denn er eröffnet die Möglichkeit kurzfristig auf grundwasserbürtige Einträge in OW direkt an der Sediment-Wasser-Grenze zu reagieren und verschafft somit Zeit für aufwändigere hydrogeologische Untersuchungen. / The thesis constists of different studies, which are investigating groundwater-surface water interaction in North-German-Lowlands. Therefore, two different approaches were used: the hydrogeological and the limnological one. The former is based on the classical hydrogeological point of view: the subsurface water movement is mainly driven by hydraulic conductivity (sediment) and the hydraulic gradient. However, the characterisation of both is still a challange. Different methods were used to characterize small- and meso-scale sediment distributions within a lowland floodplain. These are based on the interactions of different landscape components (water level fluctuations, topography, vegetation, nutrient distributions). Furthermore, a simple groundwater model was set up to illustrate how regional groundwater flow impacts local groundwater-lake interactions. The limnological approach is based on the assumption that areas of groundwater exfiltration into a lake are detectable directly at the sediment-water interface. For this purpuse, it was assuemed that temperature differences between both water bodies could be used as follows: in spring the groundwater temperature is higher than that of lakes. Hence, the warmer groundwater float on the lake surface. That should be detectable by thermal infrared imaging. However, the studies could illustrate, that this is only true for specific conditions. Furthermore, lake internal processes need to be considered for interpreting temperature distributions at the lake surface. As a consequence, the limnological approach requires more research activities, since it gives the opportunity to initate short-term measures on groundwater inputs in surface waters. This would also guarantee larger time spans for time-consuming hydrogeological studies.

Am 22.12.2021 sind die aktualisierten Bewirtschaftungspläne (§ 83 Wasserhaushaltsgesetz) der Flussgebietseinheiten Elbe und Oder in Kraft getreten. Sie sind die wichtigsten Instrumente, um die anspruchsvollen Ziele der Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen. In dem Bericht ist ausgehend von einer Belastungs- und Zustandsanalyse die sächsische Herangehensweise bei der Gewässerbewirtschaftung für die nächsten sechs Jahre detailliert dokumentiert. Redaktionsschluss: 17.12.2021

Modellierung, Analyse und Bewertung des chemischen Gewässerzustandes in Flussgebieten Der Schwerpunkt der chemischen Belastungen von Oberflächengewässern durch Abwasseremissionen verlagert sich in jüngerer Zeit, durch die Ertüchtigung der Abwasserreinigungsanlagen, von biologisch leicht abbaubaren organischen Substanzen hin zu Mikroverunreinigungen. Die Expositionsanalyse von Gewässersystemen gegen xenobiotische Substanzen mit dem Ziel einer Steuerung der Belastungen rückt immer mehr in den Vordergrund des Interesses (EG 2000, EG 2001). Am Beispiel des nordrhein-westfälischen Rheineinzugsgebiets wird in der vorliegenden Arbeit eine Analyse und Bewertung des chemischen Gewässerzustandes durch georeferenzierte Modellierung von Flussgebieten durchgeführt. Eingesetzt wird das Modellsystem GREAT-ER (Georeferenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers). Der methodische Teil der Arbeit beschreibt die Kalibrierung des Modellsystems für das Einzugsgebiet des Rheins in Nordrhein-Westfalen. Weiter werden die für die Modellierung notwendigen Eingangsparameter verschiedener beispielhafter Substanzen aus verschiedenen Quellen hergeleitet. In den Anwendungsstudien werden Simulationsergebnisse für die Stoffe Bor, EDTA, HHCB, und Diclofenac sowie Diuron und Ammoniumstickstoff dargestellt und mit Messwerten der Gewässerkonzentrationen verglichen. Die Emissionsmengen für Bor und EDTA aus dem Gebrauch im Haushalt sind gut quantifizierbar. Beide Substanzen verhalten sich in den Gewässern konservativ und konnten deshalb für die Kalibrierung des Modellsystems genutzt werden. HHCB und Diclofenac sind Substanzen, die typischerweise über Haushaltsabwässer in die Gewässer gelangen, aus diesen jedoch gut eliminiert werden. Das Pestizid Diuron gelangt mit dem Oberflächenabfluss von versiegelten Flächen in das Abwasser und die Gewässer. Die Elimination aus den Gewässern ist gering. In der Arbeit wird eine Quantifizierung der Emissionsmengen auf Basis der versiegelten Flächen durchgeführt und damit eine räumliche Zuordnung der Eintragsmengen erreicht. Mit Ammoniumstickstoff wird schließlich die Gewässerexposition einer Substanz berechnet, die auch über diffuse Quellen in die Gewässer gelangt. Grundannahme ist hier, dass die Frachten aus Punktquellen die diffusen Einträge überlagern. In Abhängigkeit von der jeweiligen Substanz und Lage der Messstellen zeigen die Ergebnisse sowohl gute Übereinstimmung als auch stellenweise große Abweichungen zu den gemessenen Substanzkonzentrationen in den Gewässern. Für die auftretenden Abweichungen ergeben sich Erklärungsansätze, aber auch weiterer Untersuchungsbedarf wird deutlich. Die Ergebnisse der Arbeit belegen, dass das mit GREAT-ER entwickelte Werkzeug zur georeferenzierten Modellierung von Substanzkonzentrationen in Gewässern auf dem Gebiet der zeitlichen und räumlichen Analyse von realen Messwerten und im Rahmen eines Immissions- und Belastungsmanagements einsetzbar ist. Es können aus den Umgebungsparametern begründete Hypothesen zu lokalen Substanzkonzentrationen in Gewässern entwickelt werden, deren Informationsgehalt gegenüber Messung und generischer Modellierung höher ist.

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

Ongoing development of modern society, based on consumption of goods and services, leads to the increase of compulsoriness of economic agents to face market requirements by increasing the degree of local and regional industrialization. Establishment of new economic activities generates negative pressures on the environment and surface waters, generating increased pollution, manifested by vulnerability of aquatic ecosystems to stressors. Preliminary studies carried out within the doctoral thesis entitled 'Research on the evolution, magnitude and complexity of the impact of economic activities on the East Jiu' include information on characteristic elements of the East Jiu River basin, in accordance with the Water Framework Directive 2000/60/CE. The objectives of the field research aimed to identify economic activities in the eastern Jiu Valley generating an impact on the environment (especially the mining industry, but also timber exploitation and processing, local agriculture, animal husbandry and waste storage), establishing a quarterly monitoring program of the river basin, identification of flora and fauna species and identification of areas vulnerable to potential pollution. Based on observations made in situ and on information obtained from the evolution process of the monitoring program, the appropriate methodologies for assessing physical-chemical and ecological quality of the water were selected. Study of the evolution of the impact generated by economic activities on the East Jiu was carried out by mathematical modelling, with finite volumes, of the East Jiu River basin and plotting of pollutant dispersion maps. The magnitude and complexity of impact generated by economic activities was studied by using a complex system based on fuzzy logic, designed based on interactions between natural and artificial systems, between physical-chemical indicators of water and ecosystem. The research carried out substantiates in development of necessary technical measures to reduce the impact generated by economic activities located in eastern Jiu Valley, without significantly changing the hydrodynamics of the river basin. Following research, during different research stages, methods, techniques and tools were designed and accomplished with the help of which, water and aquatic ecosystems’ quality can be assessed, as well as the impact generated by human activity on the Jiu River, at a given moment and/or continuously.:CONTENT ACKNOWLEDGEMENTS SUMMARY LIST OF FIGURES LIST OF TABLES ABBREVIATIONS INTRODUCTION PURPOSE OF THE THESIS AND RESEARCH METHODOLOGY CHAPTER 1 THE EAST JIUL RIVER HYDROGRAPHIC BASIN 1.1. Soil and subsoil of the Eastern part of Jiu Valley 1.2. Climate description of the Eastern part of Jiu Valley 1.3. Geology particularities of the Eastern part of Jiu Valley 1.4. Groundwater features of the Eastern part of Jiu Valley 1.5. Flora and fauna of the Eastern part of Jiu Valley CHAPTER 2 SOURCES OF IMPACT ON THE QUALITY OF WATER, RIPARIAN, TERRESTRIAL AND AQUATIC ECOSYSTEMS 2.1. Mining industry 2.2. Wood processing industry in the Eastern part of Jiu Valley 2.3. Urban agriculture and local animal husbandry 2.4. Inappropriate urban household waste storage CHAPTER 3 MONITORING PROGRAM AND METHODS OF EVALUATION OF THE QUALITY OF THE EAST JIUL RIVER 3.1. Establishment of monitoring (control) sections 3.2. Monitoring program of the East Jiu River basin 3.3. Sampling, transport and analysis of water samples 3.4. Methodology used to establish the water quality CHAPTER 4 QUALITY ASSESSMENT OF WATER IN THE EASTERN JIU HYDROGRAPHIC BASIN 4.1. Section 1 - Jieț River - upstream of household settlements (blank assay) 4.2. Section 2 - East Jiu River - in the area of Tirici village 4.3. Section 3 - Răscoala brook - before the confluence with East Jiu River 4.4. Section 4 - East Jiu River - after the confluence with the Răscoala brook 4.5. Section 5 - Taia River - upstream of the confluence with East Jiu River 4.6. Section 6 - East Jiu River - before the confluence with the Taia River 4.7. Section 7 - East Jiu River - after the confluence with the Taia River 4.8. Section 8 - Jiet River downstream of household settlements 4.9. Section 9 - East Jiu River - after the confluence with the Jieț River 4.10. Section 10 - East Jiu River - before the confluence with Banița River 4.11. Section 11 - Roşia River - upstream of household settlements 4.12. Section 12 - Bănița River - after the confluence with the Roșia River 4.13. Section 13 - East Jiu River - after the confluence with the Banița River 4.14. Section 14 - Maleia River - before the confluence with East Jiu River 4.15. Section 15 - Slătioara River - before the confluence with East Jiu River 4.16. Section 16 – East Jiu River - before the confluence with West Jiu River CHAPTER 5 INFLUENCES OF PHYSICAL-CHEMICAL FACTORS ON AQUATIC ICHTHYOFAUNA IN THE EAST JIU RIVER BASIN 5.1. Total suspended solids and aquatic ecosystems 5.2. Acidity or basicity reaction of surface watercourses 5.3. Aquatic ecosystem requirements for gas oversaturation 5.4. Nitrogenous compounds in watercourse 5.5. Phenols, aquatic ecosystems and water quality CHAPTER 6 ANALYSIS OF THE IMPACT GENERATED BY ECONOMIC ACTIVITIES IN THE EASTERN PART OF JIU VALLEY 6.1. Impact analysis of mining industry in the Eastern Part of Jiu Valley 6.2. The general impact of Eastern Jiu Valley dumps to water quality 6.3. Research on effective infiltration in the Eastern part of Jiu Valley 6.4. Research on groundwater quality in the Eastern part of Jiu Valley 6.5. Analysis of the impact generated by local micro-agriculture 6.6. Analysis of the impact generated by deforestation and wood processing 6.7. Analysis of the impact generated by non-compliant landfilling of waste CHAPTER 7 EVOLUTION OF THE IMPACT GENERATED BY ECONOMIC ACTIVITIES IN THE EASTERN JIU VALLEY 7.1. Analysis of the dynamic elements of the watercourse - RMA2 mode 7.2. Analysis of pollutants concentration evolution in the water course - RMA4 module 7.3. Computational field and composition of the energy model of the East Jiu River 7.4. Extension and evolution of the impact generated by economic activities on the East Jiu River 7.5. Extension and evolution of the impact caused by organic pollution of the East Jiu River CHAPTER 8 MAGNITUDE AND COMPLEXITY OF THE IMPACT GENERATED BY ECONOMIC ACTIVITIES IN THE EASTERN JIU VALLEY 8.1. Definition of input linguistic variables 8.2. Linguistic outputs of the fuzzy interference system 8.3. Defining the Black Box set of rules 8.4. Proficiency testing of complex systems based on fuzzy logic 8.5. While it is all about the wheel do not forget about the cube CONCLUSIONS AND PERSONAL CONTRIBUTIONS REFERENCES

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.