Die Modellierung von komplexen Systemen, wie dem Untergrund, ist ein Hilfsmittel zur Beschreibung der in der Realität ablaufenden Prozesse. Die Durchführung von Experimenten an einem Modell, um qualitative Aussagen über ein reales System zu erhalten, wird als Simulation bezeichnet. Dabei können vielfältige Modelle, wie z.B. physikalische und mathematische, zum Einsatz kommen. Die ungesättigte Bodenzone (vadose Zone) bezeichnet den Bereich zwischen der Landoberfläche und dem Grundwasserspiegel, innerhalb dessen der Wassergehalt geringer als bei Vollsättigung, und der Druck geringer als der Atmosphärendruck ist. Dieser Bodenbereich hat für die Landwirtschaft, Geobiologie, aerobe Abbauprozesse und Grundwasserneubildung eine große Bedeutung. Für die Nachbildung von Strömungs- und Stofftransportprozessen der ungesättigten Bodenzone existieren numerische Simulationsprogramme. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfangreiche Validierung des Programms PCSiWaPro® (entwickelt an der TU-Dresden, Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten) für unterschiedliche Anwendungsfälle. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung der Anwendbarkeit des aktuellen Stands des Simulationsprogramms PCSiWaPro® auf unterschiedliche Praxisfälle bei Kombination der ungesättigten Bodenzone mit technischen Anlagen. Vier Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Zielen wurden dafür im Rahmen dieser Arbeit untersucht: die Simulation von dezentraler Abwasserversickerung (Kleinkläranlage - KKA) anhand entsprechender Säulen- und Feldversuche, die Berechnung der Grundwasserneubildung am Beispiel von Lysimetern, der Wasserhaushalt von Erddämmen und die Modellierung von Deponieabdeckungssystemen. Die Anwendungsfälle unterscheiden sich durch den Zweck der Simulation, die Geometrie, die Größe, die festgelegten Anfangs- und Randbedingungen, die Simulationszeit, die Materialien, das Koordinatensystem sowie die Ein- und Ausgabewerte. Die Simulationsergebnisse konnten eindeutig zeigen, dass das Programm PCSiWaPro® für alle im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Fälle, mit unterschiedlichen Strömungsregimen, Stofftransport-Parametern, Randbedingungen, Koordinatensystemen sowie Raum- und Zeitdiskretisierungen anwendbar ist. Die Simulationsergebnisse der Säulenversuche am Beispiel dezentraler Abwasserversickerung zeigten eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und mittels PCSiWa-Pro® berechneten Werten des Wasser- und Stoffhaushaltes (Druckhöhe, Abfluss und Stoff-konzentration) der untersuchten Bodentypen B3 (schwachschluffiger Sand), B4 (Grobsand) und B5 (mittelschluffiger Sand). Die Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers (RMSE) betrug für die Berechnung der Druckhöhe 1,84 cm bei B5, 3,61 cm bei B3 und 1,27 cm bei B4. Die relative Abweichung betrug für die Berechnung der Druckhöhe 2,19 % bei B5, 1,3 % bei B3 und ca. 5,3 % bei B4. Die Durchführung der Sensitivitätsanalyse der für die Modellierung relevanten Parameter zeigte eine sehr hohe Sensitivität der VAN GENUCHTEN-Parameter und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens. Darüber hinaus führten die Parameter nach DIN 4220 und die mithilfe von Pedotransferfunktionen aus Siebanalysen genommenen Parameter zu unterschiedlichen Ergebnissen. Im Rahmen des am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten durchgeführten Projektes EGSIM wurden die Programme SENSIT und ISSOP (in Zusammenarbeit mit DUALIS GmbH IT Solution) entwickelt und zur Parameteridentifikation/-kalibrierung benutzt. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse konnten nachweisen, unter welchen Bedingungen eine Nachklärung des vollbiologisch gereinigten Abwassers innerhalb der Bodenzone möglich ist, so dass am Ort der Beurteilung (Grundwasseroberfläche) kein unzulässiger Schadstoffeintrag erfolgt. In Bezug auf die KKA-Feldmodelle ist die Anwendung des rotationssymmetrischen Koordinatensystems als Voraussetzung der Realität besser zu entsprechen und nicht als Option zu betrachten. Darüber hinaus wurden anhand der Feldmodelle verschiedene Szenarien mit kontinuierlicher und diskontinuierlicher Versickerung sowie zwei unterschiedlich großen Einleitflächen durchgeführt. Das Programm PCSiWaPro® ist sowohl für ungesättigte als auch für variabel-gesättigte porösen Medien anwendbar. Dies wurde im Rahmen der Simulation des Wasserhaushaltes eines Erddamms nachgewiesen. Die durchschnittliche relative Abweichung zwischen gemessenen und mittels PCSiWaPro® berechneten Wasserständen des entsprechenden Beobachtungspunkts im untersuchten Dammkörper lag bei 0,08 % (entspricht 5,8 cm bei einer Müchtigkeit von ca. 70 m) und das Bestimmtheitsmaß (R2) betrug 0,987. Die Simulation des Wasserhaushaltes unterschiedlicher Deponieabdichtungssystemen mittels PCSiWaPro® zeigte im Allgemeinen ein funktionierendes Ableiten des auf Deponien anfallenden Regenwassers (auch bei Starkregenereignissen). Darüber hinaus haben die durchgeführten Bewuchs-Modelle nachweisen können, dass die Vegetation der Deponieoberflächen den Wassergehalt, durch Pflanzenwurzelentzug bzw. Evapotranspiration, reduzieren können. Die Simulationsergebnisse der durchgeführten Szenarien des Wasserhaushaltes von Lysimetern zur prognostischen Berechnung der Grundwasserneubildung mittels PCSiWaPro® konnten nachweisen, dass das Programm für die Berechnung der Grundwasserneubildungsrate für diesen Zweck anwendbar ist. Die relativen Abweichungen der be-rechneten von den gemessenen Grundwasserneubildungsraten sind auf die verwendeten Materialparameter sowie auf Vernachlässigung der möglicherweise in Lysimetern sich befin-denden Makroporen (duale Porosität) zurückzuführen. / The modelling of complex systems such as the underground is a means to describe the processes occurring in the reality. The conducting of experiments on a model to obtain qualitative evidence about a real system is referred to as a simulation. Thereby, various models (e.g. physical and mathematical models) can be used. The unsaturated zone (vadose zone) is the region between the land surface and the water table, in which the water content is less than full saturation, and the pressure is lower than the atmospheric pressure. The unsaturated zone is very significant for agriculture, geobiology, aerobic degradation processes and groundwater recharge. The processes of water flow and solute transport in the unsaturated zone can be described by means of numerical simulation programs. The aim of the present work is a comprehensive validation of the simulation program PCSiWaPro® (developed at the TU-Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment) for different applications. Another aim of this work is to investigate the applicability of the current version of PCSiWaPro® for different cases of a combination between the unsaturated zone and technical facilities. Four application cases with different objectives were investigated within the present work, which are: the simulation of decentralized wastewater infiltration with corresponding column and field experiments, the computation of groundwater recharge by means of lysimeters, the water balance of earth dams and the modelling of landfill covering systems. The application cases differ from each other by the objective of the simulation, the geometry, the size, the specified initial and boundary conditions, the simulation time, the applied materials, the coordinate system, the input and output data. The simulation results clearly showed that PCSiWaPro® is applicable for all investigated cases under consideration of different flow and solute transport regimes, parameters, boundary conditions, spatial and temporal discretization, and coordinate systems. The simulation results of the experimental soil columns for the decentralized treated wastewater infiltration case showed a very good agreement between measured and computed values of water and solute balance (pressure head, flow and solute concentration) of the investigated soil types B3 (slightly silty sand), B4 (coarse sand / gravel) and B5 (medium silty sand). The root of the mean squared error (RMSE) for the computation of the pressure head was 1,84 cm at B5, 3,61 cm at B3 and 1,27 cm at B4. The relative deviation in case of pressure head computation was 2,19 % at B5, 1,3 % at B3 and 5,3 % at B4. The implementation of the sensitivity analysis of the relevant parameters for the modelling showed a very high sensitivity of the VAN GENUCHTEN parameters and the saturated hydraulic conductivity of the soil. Moreover, the parameters according to DIN 4220 led to different results than the estimated ones according to pedotransfer methods based on sieve analysis. Within the project EGSIM, which was carried out at the Institute for waste management and contaminated sites treatment in collaboration with DUALIS GmbH IT Solution, the programs SENSIT and ISSOP were developed and used for parameter identification/ calibration. The results obtained in this Work showed under which conditions is a secondary treatment of full biologically treated wastewater in the soil possible, so that no unallowable pollutants entry in the groundwater occurs. With regard to the field models of this application the implementation of the rotationally symmetric coordinate system should be considered as a condition and not as an option for a better corresponding to the reality. Furthermore, different scenarios of the field models were carried out with continuous and discontinuous infiltration, as well as under different initiation areas. PCSiWaPro® could be applied for both unsaturated and variably-saturated porous media. This could be proven by the simulation of the water balance in an earth dam. The average relative deviation between measured and simulated water levels of the corresponding observation point in the investigated dam embankment was 0,08 % (corresponding to 5,8 cm at 70 m thickness) and the coefficient of determination (R2) was 0,987. In general, the simulation of the water balance using PCSiWaPro® of different landfill covering systems showed a successful draining of the falling rainwater (even under heavy rainfall). In addition, the implemented vegetation models have proven that the vegetation of the landfill surface can reduce the water content in the landfill by evapotranspiration and water uptake by roots. The water balance simulation results of the scenarios for the computation of groundwater recharge by means of lysimeters showed that the program is applicable for this case. The relative deviation of the simulated from the measured groundwater recharge rates occur due to the implemented material parameters as well as to the neglect of macro pores effects (dual porosity).

Der Maiszünsler zählt zu den wichtigsten tierischen Schaderregern im Mais. Zur Befallsminderung sind örtlich gezielte Bekämpfungsmaßnahmen notwendig. Für eine exakte Terminbestimmung kommen Lichtfallen zum Einsatz. In einer zweijährigen Studie wurde als alternative Lösung überprüft, ob verschiedene Pheromone Lockwirkung zeigen. Der Fang der Maiszünslerfalter erfolgte über Z- und E-Pheromone. Die Fängigkeit der Pheromonfallen war sehr unterschiedlich. Keines der eingesetzten Pheromone lieferte zuverlässige Daten für die Terminbestimmung. Die Untersuchung ergab, dass die derzeitig angebotenen Pheromone für einen großflächigen Einsatz nicht geeignet sind. Die Pheromonfallen stellen keine Alternative zur Lichtfalle dar.

Das betrachtete Einzugsgebiet der Neiße weist sowohl morphologisch als auch bezüglich der Landnutzung eine Zweiteilung auf, die sich in den hydrologischen Prozessen und auch in der Gewässergüte widerspiegelt. Morphologie, Bodeneigenschaften und Landnutzung steuern die hydrologischen Prozesse, besonders die Abflussbildung und damit den Stofftransport und die Gewässergüte. Das Projekt zeigt u.a. die Bedeutung der kombinierten Anwendung chemischer und isotopischer Verfahren, um die Unterschiede in der Abflussbildung und den Einfluss der Schneedecke auf den Abfluss zu erfassen. Die Wasserqualität in der Neiße und ihrer untersuchten Nebenflüsse ist bezüglich der betrachteten Parameter gut. Es gab nur wenige Überschreitungen von Grenzwerten, entweder in Trockenperioden bei Niedrigwasserabfluss oder nach starken Niederschlagsereignissen. Im Vergleich mit den langjährigen Daten des Standard-Monitorings ist für die letzte Periode eine Abnahme in der Konzentration für einige Stoffe festzustellen. Geringe Stoffkonzentrationen wurden im Bodenwasser unter unterschiedlich bewirtschaftetem Grünland unabhängig vom Management gemessen. Für Grünland wurde ein hohes Rückhaltevermögen konstatiert. Die Einleitungen aus Punktquellen (Kläranlagen) ändert die Gewässergüte besonders während der Niedrigwasserperioden. Während Hochwasserereignissen traten dagegen hohe Schwebstofffrachten auf, die auf den Eintrag aus diffusen Quellen (hauptsächlich von Ackerflächen) zurückzuführen sind. Die Herkunft der Schwermetalle in den Fließgewässern lässt sich nicht eindeutig zuordnen. Dafür müssten detailliertere Untersuchungen entlang der Fließgewässer unter Einbeziehung aller potenziellen Einleiter durchgeführt werden. Zink wird beispielsweise auch in wenig besiedelten Gebieten in erheblichem Maß über die Atmosphäre eingetragen, wie die Messungen zeigen. Werden die während der Projektlaufzeit erhobenen Daten für die 30 Probenahmestellen analysiert, so stellen sich entsprechend ihrer physiko-chemischen Signatur sechs Gruppen heraus. Jeder dieser Probenahmestellen kann ein Einzugsgebiet zugeordnet werden mit bestimmten Anteilen an den verschiedenen Landnutzungskategorien. Diese Gruppen weisen eine weitgehend ähnliche Landnutzungsstruktur auf. Bei der Analyse der Abflussbildungsprozesse im Gesamtgebiet werden auch hierfür die gleichen Teileinzugsgebiete statistisch zusammengefasst. Für das Einzugsgebiet wurden kritische Punkte bestimmt, an denen die Gefahr besteht, dass Stoffablagerung (Sedimente) bebaute Gebiete und Infrastruktur bedrohen. Es wurden vulnerable Flächen hinsichtlich der Bedrohung der Gewässergüte ausgewiesen.

The German Government’s Integrated Energy and Climate Programme (IEKP) and the National Biomass Action Plan set ambitious targets for the further development of bioenergy until 2020. The share of energy from biomass is supposed to reach 8 % and 9.7 % of the total power consumption and of the total heat usage, respectively. The share of biofuels on the total consumption of fuels for transportation should rise up to 12 % (energetic) by 2020. This project aims to assess the possibilities of achieving the IEKP targets for bioenergy in a regional and global context. On a regional as well as global level, the potentials of different biomasses were determined in different development scenarios until 2020. Furthermore, the extent to which remote sensing could contribute in improving the spatial specification of biomass resources and whether it could be used as a monitoring system for the early detection of land use changes was investigated. On the regional level, the spatial implications of energetic biomass use was analysed with regard to environmental impacts and land use conflicts. Depending on their significance of spatial impacts, instruments of spatial planning were assessed in order to steer the supply of bioenergy. [... from Executive Summary]

The informal sector is described as groups of persons who act in parallel to official waste management systems without official authorisation. Such informal activities can result in risks as well as benefits both to the environment and involved stakeholders, which explains the continuing lively discussions in politics, science and society. Transhipments of waste electrical and electronic equipment (WEEE) are increasingly focused in Germany. In addition to informal exports via the port of Hamburg to countries such as China, Ghana or Nigeria, informal transports to Eastern European countries have been recognised for decades. This paper describes investigations regarding the characteristics, transhipped amounts as well as the eco-efficiency of informal sector activities originating from Eastern European countries, while thereby highlighting transhipments of used appliances to destination countries and a corresponding sale for reuse. Investigations reveal that a majority of informal collectors originate from Poland, Czech Republic, Hungary and Romania and are recognised across Germany. A high WEEE specialisation was determined, whereby average annual transhipped amounts are estimated at 77,000 tons. Collected materials are transhipped and partially sold for reuse. A case study considers the example of Polish informal collectors. The ratio between economic and environmental performance reveal that informal sector reuse activities in Poland achieve a higher environmentally sound performance in comparison to further usage of appliances under consideration. The informal collection of a television in Germany (and subsequent reuse in Poland) causes 8.34 kg less specific CO2 emissions per spend-costs (€) than the production, usage and further use in Poland. Conversely, a further use of a television in Germany only results in 2.2 kg less CO2 emissions per spend-costs (€). These results demonstrate that reuse as a result of informal sector activities can have a positive effect. Future electrical and electronic products available for reuse will have lower energy consumptions. A positive contribution to resource protection is thereby achieved while extending already short life cycles. Taking into account a dependency on collections with respect to their income, a pure ban of informal sector activities would therefore be socially counterproductive. A structured and controlled accomplishment of informal collection processes would open up new opportunities to enlarge the (already existing) concept of reuse at an international level.

Due to a high population growth (approx. 2.5 % p.a) the food-sector in Syria is facing in-creasing problems. An enormous increase in population results in increased demand for food. This has adversely affected the socio-economic and ecological development in the country. Intensive use of various natural resources has led to significant changes in land use pattern, especially due to use of inappropriate methods in the agricultural sector. The increasing anthropogenic pressure on the sensitive ecological structure of the respective area causes environmental damages, in particular degradation of soil characteristics. In the semi-arid and arid eco-climatic zones vast areas are facing desertification. Soil erosion through water represents the main form of land degradation in the north-west of Syria. Particularly vulnerable are the soils with a shallow or no vegetation cover, such as the soils found in the Mediterranean hills, where olives are cultivated. For this research the Afrin region, located in the northwest of Syria, was selected as study area, in order to analyse and assess the extent of degradation. For estimation of erosion the relevant parameters of the “Universal Soil Loss Equation USLE” were used. These para-meters were adapted and integrated through remote sensing and GIS. LANDSAT TM and ASTER satellite imagery of the investigated area were used for this purpose. Data were acquired at the end of the dry season. In order to achieve an accurate evaluation and high-quality comparison of multi-temporal satellite data, imagery was firstly geometrically and atmospherically corrected and then analysed. The vegetation coverage and its current de-gradation level were investigated by spectral mixture analysis (SMA). The digital elevation model (DEM) derived from ASTER data was utilized to generate the slope gradient (S) and the slope length (L). In addition to the laboratory analysis, grain size index (GSI) and SMA were used for the characterization and mapping of soil erodibility. Land-use/land-cover classification and change detection were determined by using pixel-based classification procedures (maximum likelihood classification) and post classification methods respectively. Required samples for land cover classification of the remotely sensed data were collected during the field work, in addition to the soil samples for soil analysis. The results of this study show that advanced methods of remote sensing and GIS provide powerful tools not only for a better understanding of the land use changes, but also for an accurate assessment of land degradation and desertification. This knowledge, in turn, con-tributes highly towards developing effective and appropriate management strategies for sustainable use and conservation of natural resources in the north-west of Syria

The study took place in Vietnam at Hanoi University of Science in the framework of the DAAD (German Academic Exchange Service) – “An advancement of the German-Vietnamese University partnerships”. The research has been supported by the program: “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers” and belongs to its technical component. The present diploma thesis elaborates the current situation of sewage sludge management in Vietnam and is dealing with sludge characteristics from both domestic sewage treatment facilities and septic tanks. During the research, different treatment components and treatment facilities have been analyzed to carry out a comprehensive survey of sewage sludge types. In this thesis, a guideline (draft) was developed as a main result, which can be helpful to bridge the legislative gap for sewage sludge re-use in Vietnam. In conclusion, an integrated concept has been developed, which recommends the application of selected proceeding elements to treat sewage sludge and the further utilization of re-useable materials in agriculture in a controlled and environmentally-safe manner. / Die Diplomarbeit wurde im Rahmen des Deutsch-Vietnamesischem Auslandsaustauschprogramms an der „Hanoi University of Science“ verfasst. Dieses Vorhaben wurde unterstützt von dem DAAD (Deutschen Akademischen Austausch Dienst), und ist im technischem Bereich des Programms “Wastewater and Solid Waste Management in Provincial Centers“ einzugliedern. Die vorstehende Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem aktuellen Klärschlammmanagement in Vietnam und liefert dabei detaillierte Resultate zu verschiedenen Klarschlammtypen aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen. Bei den Untersuchungen wurden verschiedene Abwasser- und Klärschlammbehandlungsanlagen untersucht, um einen Überblick zu den gebräuchlichen Behandlungsmethoden in Vietnam zu erarbeiten. Zusätzlich wurden die institutionellen und rechtlichen Rahmenbedingungen überprüft. Der Entwurf einer Verordnung zur Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft wurde vorgelegt, um eine bestehende rechtliche Lücke in Vietnam zu schließen. Mit dieser Arbeit wurde ein integriertes Konzept entwickelt, welches mittels verschiedene verfahrenstechnische Elemente den Klärschlamm behandelt und darauffolgend das verwertbare Material in ausgewählten landwirtschaftlichen Flächen in einer kontrollierten und umweltschonenden Weise verwertet.

Die automatische Reinigung von Verarbeitungsmaschinen erfolgt industriell auf Basis von Erfahrungswissen oder empirisch ermittelter Daten. Ein grundsätzliches Verständnis komplexer Reinigungsprozesse würde diese momentane Praxis, die sowohl fehleranfällig ist als auch ein hohes Einsparpotential an wichtigen Ressourcen bietet, deutlich verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, durch die Untersuchung von Reinigungsvorgängen im immergierten System einen Beitrag zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und der Prozesssicherheit automatischer Reinigungsvorgänge in Verarbeitungsmaschinen zu leisten. Ausgehend davon werden in einem ersten Schritt sowohl Kenntnisstand als auch offene Fragen im Verständnis von Reinigungsvorgängen im immergierten System identifiziert. Darauf aufbauend erfolgt die Betrachtung vorhandener industrieller sowie labortechnischer Messmethoden zur Analyse von Reinigungsvorgängen. Auf Basis dieser rechercheorientierten Arbeit wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die Untersuchung der Wirkmechanismen der Reinigung im immergierten System auf der Betrachtung komplexer Strömungsgeometrien mit einem geeigneten Messsystem beruht. Die Konzeption eines solchen Messsystems sowie die Durchführung der Versuche stellen den ingenieurtechnischen Kern der vorliegenden Arbeit dar. Die Auswertung der gesammelten Erkenntnisse sowie die kritische Prüfung und Einordnung in den Stand der Forschung bilden den wissenschaftlichen Schwerpunkt. Im Ergebnis werden aus den somit gewonnenen Erkenntnissen zu den Wirkmechanismen der Reinigung Rückschlüsse auf die wissenschaftliche Weiterführung dieser Untersuchungen sowie auf die Anwendung in der industriellen Praxis gezogen.

The discharge of groundwater into surface water bodies is a hidden, but significant pathway for the input of water and matter into lakes, rivers, estuaries and the coastal sea. Since groundwater is most often characterized by higher levels of nutrients or heavy metals, its discharge has often a crucial effect on the surface water body´s chemistry and the ecosystem health as well as on the related ecosystem service supply. For instance, groundwater-derived nutrient inputs are essential to fuel primary productivity, but if critical thresholds are exceeded groundwater-derived nutrient inputs can cause eutrophication, which may trigger harmful algal blooms or the creation of oxygen minimum zones – a serious threat to aquatic life. This thesis focuses on quantifying submarine and lacustrine groundwater discharge by applying environmental tracer based methods with emphasis on radionuclide (radon and radium isotopes) and stable water isotope (δ18O, δ2H) techniques. These tracers are suitable for determining groundwater discharge as they show distinct concentration and isotope ratio gradients between groundwater and the receiving surface water. Four studies are presented in this thesis: (1) The quantification of the response delay of the mobile radon detector RAD7 applied for radon-in-water mapping. The response delay of the mobile radon-in-air detector RAD7 is determined for two detection set-ups (radon extraction via RADaqua and via a membrane module) as well as for a range of water flow rates. For the membrane module the response delay is less pronounced compared to the RADaqua. For instance, at a water flow rate of 1 l min-1 the peaks of the instruments recordings lag behind the radon-in-water concentrations by ~10 min for the membrane module and by ~18 min for the RADaqua. Further, it was demonstrated that faster water flow rates decrease the response delay. An algorithm is presented that allows the inverse calculation of radon-in-water concentrations from RAD7 records for the described detection set-ups and water flow rates. Thus, it allows a more precise localization of radon-in-water anomalies and, consequently a more precise localization of groundwater discharge areas. (2) Determination of submarine groundwater discharge into a large coastal bay (False Bay, South Africa) SGD consists generally of two components: (a) fresh terrestrial SGD (FSGD) driven by the inland hydraulic gradient and (b) seawater re-circulation (RSGD) through the coastal aquifer driven by seaward effects such as tidal pumping. A bay-wide radon mapping resulted in identification of a SGD site, where subsequently detailed investigations were conducted. At this SGD site a salt and a radon mass balance were applied consecutively for determining FSGD and total SGD, respectively. RSGD was inferred from the difference between FSGD and total SGD. For the radon mass balance, new approaches for calculating the radon degassing and mixing loss were proposed. The tracer mass balance revealed median FSGD of 2,300 m³ d-1 or 0.9 m³ d-1 per m coastline and median RSGD of 6,600 m³ d-1 or 2.7 m³ d-1 per m coastline. The FSGD rate was validated using (a) a hydrological model for calculating the groundwater recharge rate and (b) a groundwater flow model for delineating the subsurficial FSGD capture zone. This validation supported the tracer based findings. The relevance of this study is foremost the presentation of new methodological approaches regarding the radon mass balance as well as the validation of FSGD under consideration of hydrological and hydrogeological information. (3) Differentiation of fresh and re-circulated submarine groundwater discharge in an estuary (Knysna Estuary, South Africa) Knysna Estuary is a more complex system than False Bay since besides seawater, FSGD and RSGD also river water mixes within the estuary. Both FSGD and RSGD were differentiated by applying a mixing analysis of the estuary water. For this purpose, an end-member mixing analysis (EMMA) was conducted that simultaneously utilizes radon and salinity time series of estuary water to determine fractions of the end-members seawater, river water, FSGD and RSGD. End-member mixing ratio uncertainty was quantified by stochastic modelling (Monte Carlo simulation) under consideration of end-member characterization uncertainty. Results revealed highest FSGD and RSGD fractions in the estuary during peak low tide. Median fractions of FSGD and RSGD were 0.2 % and 0.8 % of the estuary water near the mouth over a 24 h time-series. In combi-nation with a radon mass balance median FSGD of 46,000 m³ d-1 and median RSGD of 150,000 m³ d-1 were determined. By comparison to other sources, this implies that the SGD is a significant source of dissolved inorganic nitrogen (DIN) fluxes into the estuary. This study demonstrates the ability of EMMA to determine end-member fractions in a four end-member system under consideration of end-member uncertainty. Further, the importance of SGD for the water and DIN budget of Knysna Estuary was shown. (4) Quantification of groundwater discharge and water residence time into a groundwa-ter-fed lake (Lake Ammelshainer See, Germany). The presented approach utilizes the stable isotopes of water (δ18O, δ2H) and radon for determining long-term average and short-term trends in groundwater discharge rates. The calculations were based on measurements of isotope inventories of lake and groundwater in combination with climatic and isotopic monitoring data (in precipita-tion). The results from steady-state annual isotope mass balances for both δ18O and δ2H are consistent and reveal an overall long-term average groundwater discharge that ranges from 2,800 to 3,350 m³ d-1. These findings were supported by the good agree-ment of the simulated annual cycles of δ18O and δ2H lake inventories utilizing the de-termined groundwater discharge rates with the observed lake isotope inventories. However, groundwater discharge rates derived from radon mass balances were signifi-cantly lower, which might indicate a distinct seasonal variability of the groundwater discharge rate. This application shows the benefits and limitations of combining δ18O/δ2H and radon isotope mass balances for the quantification of groundwater con-nectivity of lakes based on a relatively small amount of field data accompanied by good quality and comprehensive long-term meteorological and isotopic data (precipitation). This thesis presents important methodological achievements with respect to radon and stable water isotope mass balances, uncertainty quantification, geochemical differentia-tion between FSGD and RSGD and validation of FSGD. Further, first SGD estimates are reported for False Bay and Knysna Estuary in South Africa. / Der Austritt von Grundwasser in Oberflächengewässer stellt einen unsichtbaren Ein-tragspfad von Wasser und Stoffen in Seen, Flüsse, Ästuare und das küstennahe Meer dar. Die Konzentrationen vieler Stoffe wie beispielsweise von Nährstoffen und Schwermetallen ist im Grundwasser im Allgemeinen signifikant höher als in Oberflächengewässern. Daher können selbst volumetrisch verhältnismäßig kleine Grundwasseraustritte entscheidenden Einfluss auf Wasserchemie und den Gesundheitszustand des aquatischen Ökosystems haben, womit Auswirkungen auf die Bereitstellung von Ökosystemleistungen verbunden sein können. Beispielsweise sind grundwasserbürtige Nährstoffeinträge eine entscheidende Steuergröße für die Primärproduktivität. Überschreiten diese grundwasserbürtigen Nährstoffeinträge jedoch einen Schwellenwert, kann es zur Eutrophierung des Oberflächengewässers kommen. Dies wiederum kann toxische Algenblüten oder die Entstehung von Sauerstoffminimumzonen zur Folge haben und das aquatische Leben bedrohen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Methoden zur Quantifizierung von Grundwas-sereinträgen in den küstennahen Ozean, Ästuare und in Seen. Dabei stützt sich diese Arbeit primär auf Umwelttracer, vor allem auf Radionuklide (Radon- und Radium-Isotope) sowie die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H). Diese Umwelttracer sind für die untersuchten Systeme in besonderer Weise geeignet, da zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ein ausgeprägter Gradient hinsichtlich Konzentration bzw. Isotopensignatur besteht. Vier Einzelstudien stellen den Kern dieser Arbeit dar: (1) Die Quantifizierung der Antwortverzögerung des mobilen Radon-Detektors RAD7, an-gewendet für die Radon-in-Wasser-Kartierung. Die Antwortverzögerung des mobilen Radon-in-Luft-Detektors RAD7 wurde für zwei Messanordnungen (Radonextraktion via RADaqua und via Membranmodul) sowie für einen Bereich von Wasserdurchflussraten bestimmt. Für die Radonextraktion via RADaqua ist die Antwortverzögerung stärker ausgeprägt als für das Membranmodul. Bei einer Wasserdurchflussrate von 1 l min-1 treten die Peaks der aufgezeichneten Werte ~10 min nach den Radon-in-Wasser Peaks auf, während die Verzögerung bei Radonextraktion via RADaqua ~18 min beträgt. Weiterhin wurde eine Reduktion der Antwortverzögerung mit zunehmenden Wasserdurchflussraten beobachtet. Der vorgestellte Algorithmus ermöglicht in Kombination mit den berechneten Radontransfer-Koeffizienten die inverse Modellierung der Radon-in-Wasser-Konzentrationen, basierend auf den RAD7-Messwerten. Dies ermöglicht beispielsweise eine genauere Lokalisierung von räumlichen Radon-in-Wasser Anomalien und folglich eine präzisere Bestimmung von Grundwasseraustrittsstellen. (2) Quantifizierung untermeerischer Grundwasseraustritte in eine große Meeresbucht (False Bay, Südafrika) Untermeerische Grundwasseraustritte (“Submarine Groundwater Discharge” – SGD) bestehen aus zwei Komponenten: (a) Süßwasser-SGD (“Fresh SGD” – FSGD) angetrieben durch den meerwärtsgerichteten hydraulischen Gradienten, und (b) re-zirkuliertem SGD („re-circulated SGD“ – RSGD), verursacht durch Prozesse wie gezeitengesteuerte Infiltration von Meerwasser in den Aquifer. Eine Radon-Kartierung entlang der gesamten Küstenlinie der Bucht führte zur Lokalisierung von SGD, woraufhin dort vertiefende Untersuchungen durchgeführt wurden. In diesem Bilanzgebiet wurden eine Salz- und eine Radon-Massenbilanz durchgeführt, um FSGD bzw. Gesamt-SGD zu bestimmen. RSGD wurde aus der Differenz von FSGD und SGD abgleitet. Für die Radon-Massenbilanz wurden neue Ansätze für die Berechnung der Radon-Entgasung in die Atmosphäre und des Radon-Mischungsverlustes mit küstenfernerem Wasser präsentiert. Die Tracer-Massenbilanzen ergaben einen FSGD-Median von 2.300 m³ d-1 bzw. 0,9 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie und einen RSGD-Median von 6.600 m³ d-1 bzw. 2,7 m³ d-1 pro Meter Küstenlinie. Die FSGD-Rate wurde mit Hilfe eines hydrologischen Modells zur Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate und eines Grundwasserströmungsmodells zur Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebiets des Bilanzraums bestimmt. Diese unabhängige Methode bestätigte die Tracer-basierten Ergebnisse. Die Bedeutung dieser Studie besteht zuvorderst in der Vorstellung neuer methodischer Ansätze bei der Radon-Massenbilanzierung sowie in der Validierung von FSGD unter Berücksichtigung hydrologischer und hydrogeologischer Daten. (3) Unterscheidung von FSGD und RSGD in einem Ästuar (Knysna Ästuar, Südafrika). Das Knysna-Ästuar ist hinsichtlich der Bestimmung von SGD im Vergleich zur False Bay ein komplexeres System, da sich neben Meerwasser, FSGD und RSGD auch Flusswasser in signifikanten Mengen im Ästuar mischt. FSGD- und RSGD-Anteile wurden anhand der chemischen Zusammensetzung des Ästuarwassers unterschieden. Für diesen Zweck wurde eine End-Member-Mischungsanalyse (EMMA) auf Grundlage von Radon- und Salinitätszeitreihen des Ästuarwassers durchgeführt. Durch ein Optimierungsverfahren wurde die Mischung der End-member Meerwasser, Flusswasser, FSGD und RSGD für jeden Zeitschritt mit dem Ziel der bestmöglichen Übereinstimmung mit den gemessenen Radon- und Salinitätszeitreihen bestimmt. Die Unsicherheit in der Bestimmung der End-member-Anteile wurde durch stochastische Modellierung (Monte-Carlo-Simulation) quantifiziert. Die höchsten Anteile von FSGD und RSGD traten bei Niedrigwasser auf. Die mittleren Anteile von FSGD und RSGD betrugen in der Nähe der Ästuarmündung 0,2 % und 0,8 % während einer 24-stündigen Zeitreihenmessung. Diese Informationen führten in Kombination mit einer Radon-Massenbilanz zur Bestimmung eines mittleren FSGD von 46.000 m³ d-1 sowie eines mittleren RSGD von 150.000 m³ d-1. Diese Ergebnisse implizieren unter Einbeziehung weiterer Daten, dass SGD ein bedeutender Pfad für den Eintrag von gelöstem anorganischem Stickstoff (DIN) in das Knysna-Ästuar darstellt. Diese Studie zeigt das Potenzial einer EMMA für die Bestimmung der Anteile von vier End-membern unter Nutzung von zwei gemessenen Variablen und unter Berücksichtigung der End-member-Unsicherheit. Außerdem wurde die Bedeutung von SGD für das Wasser- und DIN-Budget des Knysna-Ästuars aufgezeigt. (4) Quantifizierung von Grundwasseraustrittsrate und Wasserverweilzeit eines grundwas-sergespeisten Sees (Ammelshainer See, Deutschland). Der vorgestellte Ansatz nutzt die stabilen Isotope des Wassers (δ18O, δ2H) und von Ra-don für die Bestimmung des mittleren langfristigen sowie der aktuellen Grundwas-seraustrittsrate. Die Berechnungen beruhen auf Abschätzungen des Isotopeninventars anhand von Feldmessungen, der Isotopensignatur des Grundwassers sowie ergänzen-den Klima- und Isotopen-Daten (Niederschlag). Die Ergebnisse einer stationären Isoto-pen-Massenbilanz für δ18O und δ2H sind übereinstimmend und ergaben einen langfristigen mittleren Grundwasseraustritt von 2.800 bis 3.350 m³ d-1. Dieses Ergebnis wurde für die Modellierung des jährlichen Zyklus des Isotopeninventars im See benutzt, welches mit den gemessenen Isotopenwerten konsistent ist. Die auf Grundlage einer Radon-Massenbilanz abgeleiteten aktuellen Grundwasserzutrittsraten lagen im Gegensatz dazu deutlich niedriger, was jedoch nicht notwendigerweise einen Widerspruch darstellen muss, sondern vielmehr ein Hinweis auf eine möglicherweise ausgeprägte saisonale Variabilität des Grundwasseraustritts darstellen kann. Diese Studie zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von einer Kombination aus δ18O/δ2H- und Radon-Massenbilanzen für die Bestimmung der Grundwasseranbindung von Seen mit einem vergleichsweise geringen Messaufwand unter Nutzung qualitativ hochwertiger und umfangreicher Klima-und Isotopen-Daten (Niederschlag). Diese Dissertation präsentiert wichtige methodische Fortschritte hinsichtlich der An-wendung von Radon- und stabilen Isotopen-Massenbilanzen, der Quantifizierung von Unsicherheit, der Unterscheidung von FSGD und RSGD anhand geochemischer Daten und der Validierung von FSGD. Außerdem wurden erstmals SGD-Raten für Standorte in Südafrika (False Bay und Knysna-Ästuar) vorgestellt.

This study addresses the regulation of large river phytoplankton by climate-related drivers with the help of three different approaches, i.e. analyses of long-term data and spatial dynamics (longitudinal samplings) as well as mathematical modeling. The central hypothesis is that discharge has a dominant role among climate-related variables which strongly alters phytoplankton biomass development. A multi-factorial statistical analysis on the basis of long-term data (1990 – 2009; 1994 – 2009) from two measuring stations of the rivers Rhine and Elbe revealed that discharge conditions and light availability were the main driving forces regulating phytoplankton spring bloom dynamics. For the Rhine, a trend towards an earlier occurrence of the spring bloom event and a decrease in seasonal mean phytoplankton biomass could be detected, whereas for the Elbe no shift in the timing of the spring bloom and a tendency towards increasing seasonal mean phytoplankton biomass was found. Longitudinal sampling campaigns served to analyze the spatial plankton development on a short-term scale. River-internal growth and loss processes, as well as import mediated by tributaries were examined. Four longitudinal profiles were realized at different seasons in recent years (2009 – 2011) and it was revealed that tributaries mainly had a diluting impact on plankton densities in the Elbe and provided an additional import of phyto- and zooplankton densities in the Rhine. In the present study, high bivalve abundances were detected in the Rhine, probably leading to river-internal losses of phytoplankton which could compensate phytoplankton production resulting in low phytoplankton concentrations. In the Elbe, low abundances of bivalves and a low benthic grazing pressure prevailed. On the other hand, an unusually low discharge event in spring 2011 in the Rhine demonstrated that loss processes can at times be superimposed by strong phytoplankton production leading to extremely high phytoplankton biomasses and chlorophyll a values. Hence, despite the observed long-term trend of decreasing chlorophyll values in the last two decades, extreme environmental conditions can provoke regime shifts with exceptional phytoplankton mass developments. To assess the potential impacts of future climate change on water quality, the water quality simulation model QSim was used to establish a model for the free-flowing part of the Rhine. The modeling approach was implemented by changing the hydrological and climatologic input data according to different climate projections for the near (2021 – 2050) and the far future (2071 – 2100). The model results indicated a weak response of phytoplankton biomass in the Rhine towards altered climatic conditions, including discharge reductions and water temperature increases. The study suggests that changes in discharge rather than water temperature mediate climate change effects on large river phytoplankton. However, the effects are river specific as a consequence of system specific differences in main control mechanisms (e.g. ‘bottom-up’ versus ‘top-down’). / Anhand von drei verschiedenen Ansätzen analysiert die vorliegende Arbeit die Regulierung von Phytoplankton in großen Flüssen durch klimabedingte Faktoren: Auswertung von Langzeitdaten, räumliche Dynamik (fließzeitkonforme, longitudinale Beprobungen) und mathematische Modellierung. Die zentrale Hypothese ist, dass Abfluss eine dominante Rolle unter den klimabedingten Faktoren spielt und die Phytoplanktonbiomasse stark beeinflusst. Eine multifaktorielle statistische Analyse basierend auf Langzeitdaten (1990 – 2009; 1994 –2009) von zwei Stationen der Flüsse Rhein und Elbe zeigten, dass hauptsächlich Abflussbedingungen und Lichtverfügbarkeit die Antriebskräfte bei der Regulierung der Phytoplanktonfrühjahrsblüte darstellten. Während sich am Rhein ein Trend hin zu einem früheren Auftreten der Frühjahrsblüte und einer Abnahme der mittleren Phytoplankton-biomasse während der Vegetationsperiode zeigte, konnte für die Elbe keine zeitliche Verschiebung der Frühjahrsblüte festgestellt werden und mittlere Phytoplanktonbiomassen zeigten hier eine steigende Tendenz. Longitudinale Fließzeitbeprobungen dienten zur Analyse der kurzfristigen räumlichen Entwicklung des Planktons. Interne Produktions- und Verlustprozesse, sowie der Eintrag durch Zuflüsse wurden untersucht. Vier longitudinale Profile wurden zu unterschiedlichen Jahreszeiten der letzten Jahre (2009 – 2011) realisiert und es wurde gezeigt, dass die Nebenflüsse der Elbe vorwiegend einen Verdünnungseffekt auf die Planktondichten des Hauptstromes hatten, während sie für den Rhein einen wichtigen zusätzlichen Eintrag von Phyto- und Zooplankton darstellten. In der vorliegenden Arbeit wurden hohe Muscheldichten im Rhein gefunden, die möglicherweise zu hohen internen Planktonverlusten durch Fraß beigetragen haben, und somit zu niedrigen Phytoplankton-konzentrationen geführt haben könnten. In der Elbe waren die Muscheldichten dagegen gering und somit war auch der benthische Fraßdruck niedriger. Auf der anderen Seite zeigte ein ungewöhnlich niedriges Abflussereignis im Frühjahr 2011 am Rhein, dass diese Verlustprozesse zeitweise von starker Phytoplanktonproduktion überlagert werden können und dadurch extrem hohe Phytoplanktonbiomassen und Chlorophyllwerte entstehen können. Demzufolge können trotz der Beobachtung eines langfristigen abnehmenden Trends in den Chlorophyllgehalten während der letzen zwei Jahrzehnte extreme Umweltbedingungen einen Regime-shift mit außergewöhnlichen Massenentwicklungen des Phytoplanktons hervorrufen. Um den möglichen Einfluss des zukünftigen Klimawandels auf die Gewässergüte abzuschätzen, wurde mithilfe des Gewässergütesimulationsmodells QSim ein Modell für den frei fließenden Abschnitt des Rheins erstellt. Für den Modellierungsansatz wurden die hydrologischen und klimatologischen Eingangsdaten entsprechend der verschiedenen Klimaprojektionen für die nahe (2021 – 2050) und ferne Zukunft (2071 – 2100) verändert. Die Modellergebnisse zeigten, dass sich Änderungen in den klimatischen Bedingungen, einschließlich Abflussreduktion und Wassertemperaturanstieg, nur geringfügig auf die Phytoplankton¬biomasse des Rheins auswirkten. Die vorliegende Arbeit deutet darauf hin, dass Klimawandeleffekte eher durch Änderungen der Abflussverhältnisse auf das Phytoplankton in großen Flüssen wirken als durch Änderungen der Wassertemperatur. Der Effekt ist jedoch flusssystemspezifisch, da die Auswirkungen von systemspezifischen Unterschieden in den Hauptkontrollmechanismen gesteuert werden (z.B. ‚Bottom-up’ versus ‚Top-down’).