Over the last decades, fast urban sprawl and accelerated land use change have drastically increased the pressure on water resources of the capital Brasília and its surrounding area. The water supply of the metropolitan region of Brasília depends largely on surface water collected in reservoirs. There are increasing concerns regarding water shortages due to sediment aggradations, and of water quality due to geochemical modification of sediments from human activities. The complexity of various socio-environmental problems, such as non-point source pollution, soil erosion or silting of water reservoirs within urban catchments evoked the need for more effective and sustainable strategies to use land and water resources. Accurate identification and management of sediment source areas, however, is hampered by the lack of reliable information on the primary sources of sediment and on sediment geochemistry. The fingerprinting approach and a multivariate mixing model have been proven to be a valuable sediment source tracing technique across the globe and for various environmental settings. A multi-component methodology, including geochemical and geophysical analyses of representative sediment source and alluvial sediment samples, statistical analyses and a multivariate mixing model, was utilized to obtain the impact of different anthropogenic activities on sediment and water quality and to identify the major sources of sediments within the Lago Paranoá catchment. However, sediment source appointment and geochemical signatures of sediments in urbanized tropical regions, such as the Lago Paranoá catchment in the DF, are hampered by severe challenges; (i) the presence of various types of land use and heavy urbanized areas, (ii) large differences between sub-catchments and (iii) model structural failures in representing the sediment source contribution within urban tropical river basins. The present cumulative thesis addresses the challenges in geochemical analyses of different types of source and alluvial sediments, and in sediment source appointment for the Lago Paranoá catchment and it´s five sub-catchments. The aim of the study was to assess the distribution of chemical elements and geochemical/physical properties of potential sediment sources in the Lago Paranoá catchment. Principal component analysis and hierarchical cluster analysis were used to investigate the influence of different land use types on the geochemistry of sediments. Geochemical fingerprints of anthropogenic activities were developed based on the results of the cluster analysis grouping. The anthropogenic input of land use specific geochemical elements was examined and quantified by the calculation of enrichment factors using the local geological background as reference. The existing findings suggest a strong relationship between land use and quantifiable features of sediment geochemistry, and identified the combined effects of specific anthropogenic activities and metal enrichment in source and alluvial sediments. Through comparison of the geochemical signature of potential sediment sources and alluvial sediments of the Lago Paranoá and sub-catchments, the relative contribution of land use specific sediment sources to the sediment deposition of the main water reservoir were estimated. This assessment indicated that urban land use had the greatest responsibility for recent silting in the Lago Paranoá. In fact, one of the most challenging issues within the scope of IWRM is to quantify the contribution of sediment sources within fast urbanizing, mixed used, tropical catchments. Therefore, statistically verified composite fingerprints and a modified multivariate mixing model have been used to identify the main land use specific sources of sediment deposited in the silting zones of the Lago Paranoá, Central Brazil. Because of the great variability of urban land use types within the Lago Paranoá sub-catchments, the fingerprinting approach was additionally undertaking for the Riacho Fundo sub-catchment. This sediment source tracing technique provides valuable information on the response of the main sediment sources in a fast growing agglomeration with respect to specific land uses and human activities and allowed to examine the uncertainty in model prediction. The main contributions from individual source types (i.e. surface materials from residential areas, constructions sites, road deposited sediment, cultivated areas, pasture, farm tracks, woodland and natural gullies) varied between the whole catchment and the Riacho Fundo sub-catchment, reflecting the different proportions of land uses. The sediments deposited in the silting zones of the Lago Paranoá originate largely from urban sources (85±4%). Areas with (semi-) natural vegetation and natural gullies contribute 10±2% of the sediment yield. Agricultural sites have only a minor sediment contribution of about 5±4 % within the whole catchment. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, e.g. phenological change of the vegetation between wet and dry season, or and temporal changes in land use, e.g. construction sites, which influence model estimates. Nevertheless, the study reveals that even 58 % of the land remains in (semi-) natural state, the main sediment source are urban areas. Beside the analyses of sediments, it was found that metal concentrations in surface water of the main tributaries to the Lago Paranoá are generally low, but show seasonal variability. Terrestrial inputs of metals occur during the rainy season and depend largely on the influence of urban land use. The present thesis shows the great influence of anthropogenic activities on sediment generation, and at least to some degree, on sediment associated pollution loads. It depicts region specific challenges, but also provides essential information to guide management responses towards more effective sediment source-reduction strategies. / Im Gebiet des Bundesdistrikts Brasilien ist ein erheblicher Druck auf die Wasserressourcen zu beobachten, der vorwiegend durch starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen innerhalb der letzten Jahrzehnte ausgeübt wird. Die Wasserversorgung der jungen Hauptstadt Brasília und seiner suburbanen Räume wird im Wesentlichen durch in Stauseen gesammeltes Oberflächenwasser gewährleistet. Durch die voranschreitende Ausdehnung von urbanen und landwirtschaftlichen Flächen spielen insbesondere Sedimenteinträge in die Stauanlagen sowie sedimentgebundene Stoffbelastungen durch anthropogene Aktivitäten für die verfügbare Wasserquantität und Wasserqualität eine bedeutende Rolle. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen sowie die daraus resultierenden sozioökonomische Konsequenzen erfordern daher dringend wirksame und nachhaltige Strategien im Land-und Wasserressourcenmanagement. Eine deutliche Minimierung der Sedimenteinträge und Stoffbelastungen in das Gewässernetz ist jedoch nur mit Kenntnis der Primärquellen von Sedimenten und der Sedimentgeochemie zu erreichen. Der "Fingerprinting"-Ansatz und der Einsatz eines "Multivariate Mixing-Modell", sind geeignete Werkzeuge um den Einfluss anthropogener Eingriffe in das landschaftsökologische Prozessgefüge der Sedimentgenerierung zu klären. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand der Anwendung einer Multikomponenten-Methodik. Diese beinhaltet sowohl geochemische und geophysikalische Analysen repräsentativer Sedimentproben der Sedimentquellen und der finalen Senken (Auenbereiche und Bereiche der Zuflüsse zum Lago Paranoá) als auch umfassende statistische Analysen sowie die Anwendung eines modifizierten "Multivariate Mixing-Modells". Der Einsatzder "Fingerprinting" Methodik in urbanen Einzugsgebieten der wechselfeuchten Tropen, wie das des Lago Paranoá in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft insbesondere die Heterogenität der Landnutzungstypen innerhalb einer Landnutzungsklasse (urban, landwirtschaftlich, semi-natürlich) und die Unterschiede der Landnutzungsanteile zwischen den einzelnen Teileinzugsgebieten als auch modelstruktureller Unzulänglichkeiten bei der Sedimentherkunftsberechnung für urbane Einzugsgebiete. Eine Hauptkomponentenanalyse und hierarchische Clusteranalyse wurden verwendet, um den Einfluss der verschiedenen Landnutzungstypen auf der Geochemie der Sedimente zu untersuchen. Geochemische Fingerprints verschiedener anthropogener Aktivitäten wurden auf der Grundlage der Ergebnisse der Clusteranalyse ("grouping") entwickelt. Die Berechnung von Anreicherungsfaktoren ("Enrichmentfactors") auf Basis der gemessenen Elementgehalte, mit dem lokalen geologischen Hintergrundwerten als Referenz, ermöglichte die Quantifizierung des Einflusses der verschiedenen Landnutzungen auf die Metalleinträge in die Sedimente. Die vorhandenen Ergebnisse legen nahe, dass eine direkte Beziehung zwischen Landnutzung und quantifizierbarer Merkmale der Sedimentgeochemie existiert. Ein Vergleich der geochemischen Signatur von potentiellen Sedimentquellen und mit jenen der alluvialen Sedimente unterstützt die Hypothese, dass urbane Gebiete einen beachtlichen Beitrag zur Sedimentgenerierung und letztendlich zur Sedimentablagerung in den Auen- und Zuflussbereichen des Lago Paranoá leisten. Da diese relative Betrachtung von Elementzusammensetzungen der Sedimente keine quantitativen Aussagen zur Bedeutung der einzelnen Sedimentquellen zulässt, wurden statistisch verifizierte "composite fingerprints" und ein an urbane Bedingungen modifiziertes multivariate mixing-Modell (Hybrid) entwickelt und angewendet. Die Modellberechnungen erfolgten für das gesamte Einzugsgebiet des Lago Paranoá und separat für das Riacho Fundo Teileinzugsgebiet, welches Die angepassten Modellschätzungen zeigten, dass die in den Verlandungszonen des Lago Paranoá abgelagerten Sedimente weitgehend aus urbane Räumen (85 ± 4%) generiert wurden. Dahingegen stammen nur 10 ± 2% der Sedimente aus Gebieten mit (semi-) natürlicher Vegetation, obwohl 58 % der gesamten Einzugsgebietsfläche des Lago Paranoá stets (semi-) natürliche Verhältnisse aufweist. Landwirtschaftliche Gebiete haben generell nur einen geringen Anteil von etwa 5 ± 4% am Sedimenteintrag. Die Unterschiede in den Sedimentbeträgen sowohl zwischen den verschiedenen Sedimentquelltypen als auch zwischen den einzelnen Teileinzugsgebieten scheinen maßgeblich von den Flächennutzungsanteilen (urban, landwirtschaftlich, semi-natürlich) in dem jeweiligen Teileinzugsgebiet abhängig zu sein. Trotz umfassender Probennahme, Probenanalytik, Modellanpassung und Unsicherheitsanalyse sind die Ergebnisse nur für den Beprobungszeitraum, für die analysierte Stoffgruppe (organische Stoffeinträge sind im Rahmen dieser Dissertation nicht erfasst) und für die ausgewählten Lokalitäten repräsentativ. Zeitliche Einflussgrößen wie die Saisonalität in den Tropen oder Änderungen der Landnutzung, wie z.B. temporäre Baustellen, konnten mit den hier verwendeten Methoden nicht erfasst werden. Um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der Sedimentdynamik und eine deutliche Minimierung der Sedimenteinträge in das Gewässernetz zu erzielen, sind demnach die Einrichtung und der Betrieb eines langfristigen Monitoring-Netzwerkes für Sedimente im Einzugsgebiet des Lago Paranoá von hoher Priorität. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der geochemischen Beeinflussung von Sedimenten durch anthropogene Aktivitäten und liefert erstmalig quantitative Aussagen zu den Sedimentquellgebieten im Einzugsgebiet des Lago Paranoá. Sie stellt regionsspezifische Herausforderungen heraus, liefert gleichzeitig aber auch wichtige Informationen zu Sedimentbelastungen und -Einträgen und damit einen wichtigen Beitrag als Entscheidungsunterstützung im Rahmen eines Sedimentmanagementplans.

Die Broschüre informiert über die Ergebnisse der Untersuchungen zu den geogenen Ursachen der Entstehung von Sauerwasser, einem der hauptsächlichen Wasserqualitätsprobleme in den Braunkohlenbergbaugebieten Nordsachsens. Das Vorhaben wurde vom LfULG gemeinsam mit Forschungspartnern von 2009 bis 2011 bearbeitet. Die angewendete Untersuchungsmethodik und die gewonnenen Erkenntnisse werden inzwischen schon in der mitteldeutschen Braunkohlenindustrie praktisch umgesetzt. Sie lassen sich auf andere in- und ausländische Kohlenreviere übertragen. Integrativer Ansatz des Vorhabens war die geochemische Charakteristik der tertiären Schichtenfolge durch die Analyse der Stoffeinträge in die Paläomoore (Braunkohlenflöze) und die geochemische Charakteristik der tertiären Zwischenmittelhorizonte und sonstiger Flözbegleitschichten. Das war die Basis für eine Paläo-Environment-Analyse. Aus der Analyse konnten die kausalen Ursachen der geochemischen Zusammensetzung der Braunkohlenbergbaukippen abgeleitet und hinsichtlich des Aciditätspotenzials aus der Pyritverwitterung für die Grundwasserversauerung (Acid Mine Drainage) quantifiziert werden.

The main goal of this thesis is the evaluation of the environmental contamination risk from the tailings materials. In order to achieve this task, hydrogeological, mineralogical, geochemical, hydrochemical, and isotope studies were conducted at the uranium tailings Schneckenstein. Four cores were taken at the tailing sites by drilling to different depths. Two borings were located in each tailing respectively. Samples were collected at an interval of 1 m. From the study, the cover layers has a coefficient of permeability of approximately 10-5 m/s, whereas for the tailings material, it ranges between 10-8 and 10-7 m/s except the last two intervals of the fourth borehole. The dry density is very low, whereas the grain density exceed 2.7 g/cm³ in almost all the materials. The total porosity is very high exceeding 30 % in almost all tailings. In addition, the infiltration rate in the tailings is low with a mean value approximately 8.8 cm/a. Muscovite and quartz dominate the mineralogy of the tailing sediments. For the analysed elements, the non residual fraction is in association with the iron and manganese oxides. Hence, the decrease of the oxygen contents in the environment will increase their solubility. Assuming an equilibrium between most of the radionuclides in the uranium chain before the ore processing and assuming that radium has not left the system e.g. as solute in water, not more than about 70 % of the total uranium content was removed during the ore processing. Also, the presence of organic matter and sulphur in the tailings material are the major factors controlling the solubility of elements in the areas. The hydrochemical model PHREEQC shows high solubility of most of elements. It also shows the change in chemical conditions between the heap materials and the tailing sediments which is characterised by a decrease of the Eh values with depth. This indicates the change of the medium to post aerobic or anaerobic conditions.

The concomitant occurrence and reported discrepant behavior of uranium and arsenic in water bodies is a major health and environmental concern. This study combined batch and column experiments, hydrogeochemical simulations and XAFS spectroscopy to uncover the exchange mechanisms governing uranium fate between water and scrap metallic iron, minerals and Shewanella putrefaciens surfaces in the presence of arsenic. The main results suggest that both water chemistry and the solid phase composition influence uranium fate in the presence of arsenic. The importance of uranyl-arsenate species as a major control of uranium behavior in the presence of arsenic is shown. The toxicity of arsenic and the presence of nitrate are interpreted as limiting factors of the enzymatic reduction of both toxins. Besides, XANES fingerprinting and EXAFS modeling have confirmed precipitation/co-precipitation of uranyl-arsenates as a major mechanism controlling uranium behavior in the presence of arsenic.