@phdthesis{Hesse2018,
  author    = {Hesse, Cornelia},
  title     = {Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change},
  doi       = {10.25932/publishup-42295},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {ix, 217},
  year      = {2018},
  abstract  = {In einer sich {\"a}ndernden Umwelt sind Fließgew{\"a}sser{\"o}kosysteme vielf{\"a}ltigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gew{\"a}sser sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer G{\"u}te beeintr{\"a}chtigen k{\"o}nnen. Ein {\"u}berm{\"a}ßiger Eintrag von N{\"a}hrstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gew{\"a}ssern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) f{\"u}hren kann. In vielen europ{\"a}ischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten. W{\"a}hrend der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergest{\"u}tzte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden k{\"o}nnen. Sie helfen beim Verstehen der N{\"a}hrstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Absch{\"a}tzung m{\"o}glicher Folgen von Klima- und Landnutzungs{\"a}nderungen f{\"u}r die Wasserk{\"o}rper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualit{\"a}t komplexer und aufw{\"a}ndiger als eine reine hydrologische Modellierung. {\"O}kohydrologische Modelle zur Simulation der Gew{\"a}sserg{\"u}te, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bed{\"u}rfen auch h{\"a}ufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen. Aus diesen {\"U}berlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des N{\"a}hrstoffmoduls des {\"o}kohydrologischen Modells SWIM f{\"u}r Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterst{\"u}tzung eines anpassungsf{\"a}higen Wassermanagements im Hinblick auf m{\"o}gliche zuk{\"u}nftige {\"A}nderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf f{\"u}nf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften ver{\"o}ffentlicht wurden. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und N{\"a}hrstoffverh{\"a}ltnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverh{\"a}ltnisse und Algenwachstum im Fließgew{\"a}sser simuliert, haupts{\"a}chlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Absch{\"a}tzung m{\"o}glicher Folgen von Klimavariabilit{\"a}ten und ver{\"a}nderten anthropogenen Einfl{\"u}ssen f{\"u}r die Gew{\"a}sserg{\"u}te genutzt werden konnte. Das neue Fließgew{\"a}ssermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der N{\"a}hrstoffmodellierung in SWIM, vor allem f{\"u}r Stoffe, die haupts{\"a}chlich aus Punktquellen in die Gew{\"a}sser gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM f{\"u}r Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualit{\"a}tskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien k{\"o}nnen bei Entscheidungstr{\"a}gern und anderen Akteuren das Verst{\"a}ndnis f{\"u}r zuk{\"u}nftige Herausforderungen im Gew{\"a}ssermanagement erh{\"o}hen und dazu beitragen, ein angepasstes Management f{\"u}r das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln.},
  language  = {en}
}
@article{HattermannKrysanovaHabecketal.2006,
  author    = {Hattermann, Fred Fokko and Krysanova, Valentina and Habeck, Anja and Bronstert, Axel},
  title     = {Integrating wetlands and riparian zones in river basin modelling},
  series = {Ecological modelling : international journal on ecological modelling and engineering and systems ecolog},
  volume    = {199},
  journal   = {Ecological modelling : international journal on ecological modelling and engineering and systems ecolog},
  number    = {4},
  publisher = {Elsevier},
  address   = {Amsterdam},
  issn      = {0304-3800},
  doi       = {10.1016/j.ecolmodel.2005.06.012},
  pages     = {379 -- 392},
  year      = {2006},
  abstract  = {Wetlands, and in particular riparian wetlands, represent an interface between the catchment area and the aquatic environment. They control the exchange of water and related chemical fluxes from the upper catchment area to surface waters like streams and lakes. Their influence on water and nutrient balances has been investigated mainly at the patch scale. In this study an attempt was made (a) to integrate riparian zones and wetlands into eco-hydrological river basin modelling, and (b) to quantify the impacts of riparian wetland processes on water and nutrient fluxes in a meso-scale catchment located in the northeastern German lowland. The investigation was performed by analysing hydro-chemical field data and applying the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which was extended to reproduce the relevant water and nutrient flows and retention processes at the catchment scale in general, and in riparian zones and wetlands in particular. The main extensions introduced in the model were: (1) implementation of daily groundwater table dynamics at the hydrotope level, (2) implementation of water and nutrient uptake by plants from groundwater in riparian zones and wetlands, and (3) assessment of nutrient retention in groundwater and interflow. The simulation results indicate that wetlands, though they represent relatively small parts of the total catchment area, may have a significant impact on the overall water and nutrient balances of the catchment. The uncertainty of the simulation results is considerably high, with the main sources of uncertainty being the model parameters representing the geo-hydrology and the input data for land use management. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.},
  language  = {en}
}
@article{NathoTschikofBondarKunzeetal.2020,
  author    = {Natho, Stephanie and Tschikof, Martin and Bondar-Kunze, Elisabeth and Hein, Thomas},
  title     = {Modeling the effect of enhanced lateral connectivity on nutrient retention capacity in large river floodplains},
  series = {Frontiers in Environmental Science},
  volume    = {8},
  journal   = {Frontiers in Environmental Science},
  publisher = {Frontiers Media},
  address   = {Lausanne},
  issn      = {2296-665X},
  doi       = {10.3389/fenvs.2020.00074},
  pages     = {16},
  year      = {2020},
  abstract  = {Floodplains have been degraded in Central Europe for centuries, resulting in less dynamic and less diverse ecosystems than in the past. They provide essential ecosystem services like nutrient retention to improve overall water quality and thus fulfill naturally what EU legislation demands, but this service is impaired by reduced connectivity patterns. Along the second-longest river in Europe, the Danube, restoration measures have been carried out and are planned for the near future in the Austrian Danube Floodplain National Park in accordance with navigation purposes. We investigated nutrient retention capacity in seven currently differently connected side arms and the effects of proposed restoration measures using two complementary modeling approaches. We modeled nutrient retention capacity in two scenarios considering different hydrological conditions, as well as the consequences of planned restoration measures for side arm connectivity. With existing monitoring data on hydrology, nitrate, and total phosphorus concentrations for three side arms, we applied a statistical model and compared these results to a semi-empirical retention model. The latter was originally developed for larger scales, based on transferable causalities of retention processes and set up for this floodplain with publicly available data. Both model outcomes are in a comparable range for NO3-N (77-198 kg ha(-1)yr(-1)) and TP (1.4-5.7 kg ha(-1)yr(-1)) retention and agree in calculating higher retention in floodplains, where reconnection allows more frequent inundation events. However, the differences in the model results are significant for specific aspects especially during high flows, where the semi-empirical model complements the statistical model. On the other hand, the statistical model complements the semi-empirical model when taking into account nutrient retention at times of no connection between the remaining water bodies left in the floodplain. Overall, both models show clearly that nutrient retention in the Danube floodplains can be enhanced by restoring lateral hydrological reconnection and, for all planned measures, a positive effect on the overall water quality of the Danube River is expected. Still, a frequently hydrologically connected stretch of national park is insufficient to improve the water quality of the whole Upper Danube, and more functional floodplains are required.},
  language  = {en}
}