@book{Krause2005,
  author    = {Krause, Stefan},
  title     = {Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergepr{\"a}gten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel},
  series = {Brandenburgische Umweltberichte},
  volume    = {17},
  journal   = {Brandenburgische Umweltberichte},
  publisher = {Univ.-Verl.},
  address   = {Potsdam},
  isbn      = {3-935024-71-6},
  issn      = {1434-2375},
  pages     = {186 S., XXVI S.},
  year      = {2005},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Krause2005,
  author    = {Krause, Stefan},
  title     = {Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergepr{\"a}gten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-3487},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorg{\"a}nge innerhalb der grundwassergepr{\"a}gten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel besch{\"a}ftigen 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 Gew{\"a}sserstrukturszenarien. F{\"u}r 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 Grundwasserst{\"a}nde und Abfl{\"u}sse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse f{\"u}hrte zu einem verbesserten Verst{\"a}ndnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberfl{\"a}chennahe Grundwasser und die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sserdynamik beeinflussten Talauenzone. Dar{\"u}ber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen f{\"u}r 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 Ber{\"u}cksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberfl{\"a}chennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberfl{\"a}chenwasserst{\"a}nden auf den Wasserhaushalt, erm{\"o}glicht. 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 f{\"u}r verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel f{\"u}r Simulationszeitr{\"a}ume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle f{\"u}r Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der \&\#8221;Unteren Havel Niederung\&\#8220; kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte f{\"u}r das gesamte Einzugsgebiet der \&\#8221;Unteren Havel\&\#8220;. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden gepr{\"u}ft und die Limitierung der {\"U}bertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen f{\"u}hren einerseits zum erweiterten Prozessverst{\"a}ndnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits erm{\"o}glichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgr{\"o}ßen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gew{\"a}ssermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser 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 erm{\"o}glichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazit{\"a}t der Auenlandschaft w{\"a}hrend Hochwasserereignissen. Zur Absch{\"a}tzung des Einflusses ver{\"a}nderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche {\"A}nderungen der Landnutzung sowie der Gew{\"a}ssergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen erm{\"o}glichte die detaillierte Analyse sich {\"a}ndernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D f{\"u}r das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies erm{\"o}glichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateintr{\"a}ge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, erm{\"o}glichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungs{\"a}nderungen in Hinblick auf die Minimierung von Eintr{\"a}gen in Grundwasser und Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser.},
  subject      = {Grundwasser},
  language  = {de}
}
@article{KrauseBauerMorgneretal.2004,
  author    = {Krause, Stefan and Bauer, Andreas and Morgner, Markus and Bronstert, Axel},
  title     = {Wasserhaushaltsmodellierung als Beitrag zur Erstellung eines nachhaltigen Flusseinzugsgebietsmanagements an der Unteren Havel},
  isbn      = {3-937758-18-6},
  year      = {2004},
  language  = {de}
}
@article{KrauseBronstert2004,
  author    = {Krause, Stefan and Bronstert, Axel},
  title     = {Wasserhaushaltssimulationen unter Einbeziehung von Grundwasser - Oberfl{\"a}chenwasser - Kopplung zur Optimierung szenarienbasierter Handlungsoptionen f{\"u}r ein nachhaltiges Flussgebietsmanagement an der Unteren Havel},
  isbn      = {3-89958-072-9},
  year      = {2004},
  language  = {de}
}
@article{KrauseBronstert2004,
  author    = {Krause, Stefan and Bronstert, Axel},
  title     = {Approximation of Groundwater - Surface Water - Interactions in a Mesoscale Lowland River Catchment},
  year      = {2004},
  language  = {en}
}
@article{KrauseTecklenburgMunzetal.2013,
  author    = {Krause, Stefan and Tecklenburg, Christina and Munz, Matthias and Naden, Emma},
  title     = {Streambed nitrogen cycling beyond the hyporheic zone: Flow controls on horizontal patterns and depth distribution of nitrate and dissolved oxygen in the upwelling groundwater of a lowland river},
  series = {Journal of geophysical research : Biogeosciences},
  volume    = {118},
  journal   = {Journal of geophysical research : Biogeosciences},
  number    = {1},
  publisher = {American Geophysical Union},
  address   = {Washington},
  issn      = {0148-0227},
  doi       = {10.1029/2012JG002122},
  pages     = {54 -- 67},
  year      = {2013},
  abstract  = {Biogeochemical turnover in hyporheic zones is known to have the potential to affect the chemical signature of surface water cycling through shallow streambed sediments. This study investigates the impact of streambed physical properties on the fate of nitrate and dissolved oxygen in groundwater upwelling through the streambed of a lowland river. For analyzing depth-dependent patterns and zonation of nitrogen concentrations, diffuse gel probes in shallow (top 15 cm) streambed sediments have been deployed in a nested setup together with multilevel minipiezometers for streambed sediments of 15-150 cm. Spatial heterogeneity of groundwater upwelling was controlled by patterns of low-conductivity peat and clay strata that caused locally confined conditions, suggesting increased streambed residence times. Nitrate concentrations in the upwelling groundwater changed by up to 68.06 mg L-1 within the top 15 cm of streambed sediments and by up to 107.47 mg L-1 at depths of 15-150 cm, indicating that significant nitrogen turnover was not restricted to shallow streambed sediments. Intensive reduction of nitrate concentrations was found, in particular, in vicinity of low-conductivity streambed strata. The coincidence of confined groundwater upwelling and reduced oxygen concentrations at these locations suggests that increased residence times and associated depletion of dissolved oxygen create conditions favorable for nitrate reduction. Our results highlight that increased nitrogen turnover at aquifer-river interfaces is not necessarily limited to shallow streambed zones, where surface water is mixing with groundwater, but can affect upwelling groundwater in reactive hot spots that extend to greater streambed depths and beyond hyporheic mixing zones. Citation: Krause, S., C. Tecklenburg, M. Munz, and E. Naden (2013), Streambed nitrogen cycling beyond the hyporheic zone: Flow controls on horizontal patterns and depth distribution of nitrate and dissolved oxygen in the upwelling groundwater of a lowland river,},
  language  = {en}
}
@article{MunzKrauseTecklenburgetal.2011,
  author    = {Munz, Matthias and Krause, Stefan and Tecklenburg, Christina and Binley, Andrew},
  title     = {Reducing monitoring gaps at the aquifer-river interface by modelling groundwater-surface water exchange flow patterns},
  series = {Hydrological processes},
  volume    = {25},
  journal   = {Hydrological processes},
  number    = {23},
  publisher = {Wiley-Blackwell},
  address   = {Malden},
  issn      = {0885-6087},
  doi       = {10.1002/hyp.8080},
  pages     = {3547 -- 3562},
  year      = {2011},
  abstract  = {This study investigates spatial patterns and temporal dynamics of aquifer-river exchange flow at a reach of the River Leith, UK. Observations of sub-channel vertical hydraulic gradients at the field site indicate the dominance of groundwater up-welling into the river and the absence of groundwater recharge from surface water. However, observed hydraulic heads do not provide information on potential surface water infiltration into the top 0-15 cm of the streambed as these depths are not covered by the existing experimental infrastructure. In order to evaluate whether surface water infiltration is likely to occur outside the 'window of detection', i.e. the shallow streambed, a numerical groundwater model is used to simulate hydrological exchanges between the aquifer and the river. Transient simulations of the successfully validated model (Nash and Sutcliff efficiency of 0.91) suggest that surface water infiltration is marginal and that the possibility of significant volumes of surface water infiltrating into non-monitored shallow streambed sediments can be excluded for the simulation period. Furthermore, the simulation results show that with increasing head differences between river and aquifer towards the end of the simulation period, the impact of streambed topography and hydraulic conductivity on spatial patterns of exchange flow rates decreases. A set of peak flow scenarios with altered groundwater-surface water head gradients is simulated in order to quantify the potential for surface water infiltration during characteristic winter flow conditions following the observation period. The results indicate that, particularly at the beginning of peak flow conditions, head gradients are likely to cause substantial increase in surface water infiltration into the streambed. The study highlights the potential for the improvement of process understanding of hyporheic exchange flow patterns at the stream reach scale by simulating aquifer-river exchange fluxes with a standard numerical groundwater model and a simple but robust model structure and parameterization. Copyright},
  language  = {en}
}