TY - JOUR A1 - Nguyen Le Duy, A1 - Nguyen Viet Du, A1 - Heidbüchel, Ingo A1 - Meyer, Hanno A1 - Weiler, Markus A1 - Merz, Bruno A1 - Apel, Heiko T1 - Identification of groundwater mean transit times of precipitation and riverbank infiltration by two-component lumped parameter models JF - Hydrological processes N2 - Groundwater transit time is an essential hydrologic metric for groundwater resources management. However, especially in tropical environments, studies on the transit time distribution (TTD) of groundwater infiltration and its corresponding mean transit time (mTT) have been extremely limited due to data sparsity. In this study, we primarily use stable isotopes to examine the TTDs and their mTTs of both vertical and horizontal infiltration at a riverbank infiltration area in the Vietnamese Mekong Delta (VMD), representative of the tropical climate in Asian monsoon regions. Precipitation, river water, groundwater, and local ponding surface water were sampled for 3 to 9 years and analysed for stable isotopes (delta O-18 and delta H-2), providing a unique data set of stable isotope records for a tropical region. We quantified the contribution that the two sources contributed to the local shallow groundwater by a novel concept of two-component lumped parameter models (LPMs) that are solved using delta O-18 records. The study illustrates that two-component LPMs, in conjunction with hydrological and isotopic measurements, are able to identify subsurface flow conditions and water mixing at riverbank infiltration systems. However, the predictive skill and the reliability of the models decrease for locations farther from the river, where recharge by precipitation dominates, and a low-permeable aquitard layer above the highly permeable aquifer is present. This specific setting impairs the identifiability of model parameters. For river infiltration, short mTTs (<40 weeks) were determined for sites closer to the river (<200 m), whereas for the precipitation infiltration, the mTTs were longer (>80 weeks) and independent of the distance to the river. The results not only enhance the understanding of the groundwater recharge dynamics in the VMD but also suggest that the highly complex mechanisms of surface-groundwater interaction can be conceptualized by exploiting two-component LPMs in general. The model concept could thus be a powerful tool for better understanding both the hydrological functioning of mixing processes and the movement of different water components in riverbank infiltration systems. KW - bank infiltration KW - groundwater KW - lumped parameter model KW - mean transit time KW - Mekong Delta KW - stable isotopes Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.13549 SN - 0885-6087 SN - 1099-1085 VL - 33 IS - 24 SP - 3098 EP - 3118 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Périllon, Cécile T1 - The effect of groundwater on benthic primary producers and their interaction T1 - Der Einfluss von Grundwasser auf benthische Primärproduzenten und ihre Interaktionen N2 - In littoral zones of lakes, multiple processes determine lake ecology and water quality. Lacustrine groundwater discharge (LGD), most frequently taking place in littoral zones, can transport or mobilize nutrients from the sediments and thus contribute significantly to lake eutrophication. Furthermore, lake littoral zones are the habitat of benthic primary producers, namely submerged macrophytes and periphyton, which play a key role in lake food webs and influence lake water quality. Groundwater-mediated nutrient-influx can potentially affect the asymmetric competition between submerged macrophytes and periphyton for light and nutrients. While rooted macrophytes have superior access to sediment nutrients, periphyton can negatively affect macrophytes by shading. LGD may thus facilitate periphyton production at the expense of macrophyte production, although studies on this hypothesized effect are missing. The research presented in this thesis is aimed at determining how LGD influences periphyton, macrophytes, and the interactions between these benthic producers. Laboratory experiments were combined with field experiments and measurements in an oligo-mesotrophic hard water lake. In the first study, a general concept was developed based on a literature review of the existing knowledge regarding the potential effects of LGD on nutrients and inorganic and organic carbon loads to lakes, and the effect of these loads on periphyton and macrophytes. The second study includes a field survey and experiment examining the effects of LGD on periphyton in an oligotrophic, stratified hard water lake (Lake Stechlin). This study shows that LGD, by mobilizing phosphorus from the sediments, significantly promotes epiphyton growth, especially at the end of the summer season when epilimnetic phosphorus concentrations are low. The third study focuses on the potential effects of LGD on submerged macrophytes in Lake Stechlin. This study revealed that LGD may have contributed to an observed change in macrophyte community composition and abundance in the shallow littoral areas of the lake. Finally, a laboratory experiment was conducted which mimicked the conditions of a seepage lake. Groundwater circulation was shown to mobilize nutrients from the sediments, which significantly promoted periphyton growth. Macrophyte growth was negatively affected at high periphyton biomasses, confirming the initial hypothesis. More generally, this thesis shows that groundwater flowing into nutrient-limited lakes may import or mobilize nutrients. These nutrients first promote periphyton, and subsequently provoke radical changes in macrophyte populations before finally having a possible influence on the lake’s trophic state. Hence, the eutrophying effect of groundwater is delayed and, at moderate nutrient loading rates, partly dampened by benthic primary producers. The present research emphasizes the importance and complexity of littoral processes, and the need to further investigate and monitor the benthic environment. As present and future global changes can significantly affect LGD, the understanding of these complex interactions is required for the sustainable management of lake water quality. N2 - Im Uferbereich von Seen bestimmen eine Vielzahl von Prozessen das ökologische Gefüge und die Wasserqualität. Grundwasserzustrom, welcher häufig im Uferbereich eines Sees auftritt, kann zum Import von Nährstoffen führen und so signifikant zur Eutrophierung eines Gewässers beitragen. Darüber hinaus bildet der Uferbereich von Seen das Habitat für benthische Primärproduzenten wie Makrophyten (Wasserpflanzen) und Periphyton (Aufwuchs), welche eine Schlüsselrolle im Nahrungsnetz von Seen einnehmen und deren Wasserqualität beeinflussen können. Der durch Grundwasser gesteuerte Eintrag von Nährstoffen kann sich unterschiedlich auf die um Licht und Nährstoffe konkurrierenden Makrophyten und Periphyton auswirken. Während Makrophyten häufig über Wurzeln verfügen und damit Nährstoffe aus dem Sediment aufnehmen, kann Periphyton zu einer Beschattung der Makrophyten beitragen. Grundwasserzustrom könnte deshalb durch Nährstoffzufuhr das Wachstum von Periphyton fördern und damit zu einer Abnahme der Makrophytenabundanz führen. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Forschungsergebnisse zeigen den Einfluss von einströmendem Grundwasser in Seen auf Makrophyten und Periphyton, und insbesondere die Interaktionen zwischen diesen beiden benthischen Primärproduzenten. Dafür wurden Laborexperimente, sowie Feldexperimente und Messungen in einem oligo-mesotrophen, kalkreichen See miteinander kombiniert. In der ersten Studie wurden im Rahmen einer Literaturrecherche die Auswirkungen des Einstroms von Grundwasser auf das Wachstum von Makrophyten und Periphyton untersucht. Dafür wurden Einträge von Nährstoffen sowie anorganischem und organischem Kohlenstoff berücksichtigt und abschließend ein Konzept entwickelt, das die Interaktion zwischen benthischen Primärproduzenten betrachtet. Die zweite Studie zeigt den Einfluss von Grundwasser auf das Wachstum von Periphyton im geschichteten, oligo-mesotrophen, kalkreichen Stechlinsee (Brandenburg) auf der Basis von Freilanduntersuchungen und -experimenten. Es konnte nachgewiesen werden, dass einströmendes Grundwasser Phosphor aus dem Sediment mobilisiert und so das Wachstum von Periphyton signifikant fördert. Dies war insbesondere am Ende des Sommers relevant, wenn Phosphor im Epilimnion nur noch in sehr geringer Konzentration vorlag. Der Fokus der dritten Studie liegt auf den potenziellen Auswirkungen des Einstroms von Grundwasser auf die Makrophyten in flachen Litoralbereichen des Stechlinsees. Die in den letzten Jahrzehnten beobachteten Veränderungen in der Abundanz und Artenzusammensetzung der Makrophyten, insbesondere der Rückgang der Armleuchteralgen, könnten auch auf Veränderungen im Einstrom von Grundwasser zurückzuführen sein. In der letzten Studie wurden in einem Laborexperiment der Grundwasserzustrom ins Litoral simuliert, um die kombinierte Auswirkung auf Makrophyten- und Periphytonentwicklung unter kontrollierten Umweltbedingungen zu testen. Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass die durch den Grundwasserzustrom mobilisierten Nährstoffe aus dem Sediment das Wachstum von Periphyton fördern. Oberhalb eines Grenzwertes der Periphytonbiomasse wird die Entwicklung von Makrophyten behindert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass einströmendes Grundwasser zur Mobilisierung und zum Import von Nährstoffen in Seen führen kann und damit weitreichende Konsequenzen für das ökologische Gefüge und die Wasserqualität haben kann. Die grundwassergesteuerte Nährstoffzufuhr fördert das Wachstum von Periphyton und führt bei genügend großer Periphytonbiomasse zu Änderungen der Makrophytenpopulation bis hin zum Verlust. Die Arbeit verdeutlicht die Relevanz und Komplexität von Prozessen im Litoral von Seen und zeigt zugleich die Notwendigkeit auf, diese benthische Habitate tiefgreifender zu untersuchen. Da globale Veränderungen des Klimas einen weitreichenden Einfluss auf den Grundwassereinstrom in Seen haben können, ist es von entscheidender Bedeutung, die komplexen Auswirkungen dieser Prozesse zu verstehen, um einen nachhaltigen Schutz dieser Ökosysteme zu gewährleisten. KW - groundwater KW - littoral eutrophication KW - benthic primary producers KW - asymmetric competition KW - macrophytes KW - periphyton KW - Grundwasser KW - Makrophyten KW - Periphyton KW - Eutrophierung KW - Litoral KW - benthische Primärproduzenten KW - asymmetrische Konkurrenz Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406883 ER - TY - JOUR A1 - Sen, Jaydip A1 - Bogin, Barry A1 - Mondal, Nitish A1 - Dey, Sima A1 - Roy, Shreysai ED - Scheffler, Christiane ED - Koziel, Slawomir ED - Hermanussen, Michael ED - Bogin, Barry T1 - Groundwater arsenic contamination in the Bengal Delta Plain is an important public health issue BT - a review T2 - Human Biology and Public Health N2 - There is a close association between human biology, epidemiology and public health. Exposure to toxic elements is one area of such associations and global concerns. The Bengal Delta Plain (BDP) is a region where contamination of ground water by arsenic has assumed epidemic proportions. Apart from dermatological manifestations, chronic exposure to arsenic causes a heavy toll through several carcinogenic and non-carcinogenic disorders. This article provides a global overview of groundwater arsenic contamination in the BDP region, especially the sources, speciation, and mobility of arsenic, and critically reviews the effects of arsenic on human health. The present review also provides a summary of comprehensive knowledge on various measures required for mitigation and social consequences of the problem of arsenic contaminated groundwater in the BDP region. KW - public health KW - arsenic KW - groundwater KW - India KW - Bangladesh KW - Bengal Delta Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.52905/hbph.v1.7 SN - 2748-9957 VL - 2021 IS - 1 SP - 1 EP - 31 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - JOUR A1 - Wang, Wei-shi A1 - Oswald, Sascha Eric A1 - Gräff, Thomas A1 - Lensing, Hermann Josef A1 - Liu, Tie A1 - Strasser, Daniel A1 - Munz, Matthias T1 - Impact of river reconstruction on groundwater flow during bank filtration assessed by transient three-dimensional modelling of flow and heat transport JF - Hydrogeology journal : official journal of the International Association of Hydrogeologists N2 - Bank filtration (BF) is an established indirect water-treatment technology. The quality of water gained via BF depends on the subsurface capture zone, the mixing ratio (river water versus ambient groundwater), spatial and temporal distribution of subsurface travel times, and subsurface temperature patterns. Surface-water infiltration into the adjacent aquifer is determined by the local hydraulic gradient and riverbed permeability, which could be altered by natural clogging, scouring and artificial decolmation processes. The seasonal behaviour of a BF system in Germany, and its development during and about 6 months after decolmation (canal reconstruction), was observed with a long-term monitoring programme. To quantify the spatial and temporal variation in the BF system, a transient flow and heat transport model was implemented and two model scenarios, 'with' and 'without' canal reconstruction, were generated. Overall, the simulated water heads and temperatures matched those observed. Increased hydraulic connection between the canal and aquifer caused by the canal reconstruction led to an increase of similar to 23% in the already high share of BF water abstracted by the nearby waterworks. Subsurface travel-time distribution substantially shifted towards shorter travel times. Flow paths with travel times <200 days increased by similar to 10% and those with <300 days by 15%. Generally, the periodic temperature signal, and the summer and winter temperature extrema, increased and penetrated deeper into the aquifer. The joint hydrological and thermal effects caused by the canal reconstruction might increase the potential of biodegradable compounds to further penetrate into the aquifer, also by potentially affecting the redox zonation in the aquifer. KW - bank filtration KW - groundwater KW - surface-water relations KW - groundwater modelling Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1007/s10040-019-02063-3 SN - 1431-2174 SN - 1435-0157 VL - 28 IS - 2 SP - 723 EP - 743 PB - Springer CY - Berlin ; Heidelberg [u.a.] ER - TY - THES A1 - Wriedt, Gunter T1 - Modelling of nitrogen transport and turnover during soil and groundwater passage in a small lowland catchment of Northern Germany N2 - Stoffumsatzreaktionen und hydraulische Prozesse im Boden und Grundwasser können in Tieflandeinzugsgebieten zu einer Nitratretention führen. Die Untersuchung dieser Prozesse in Raum und Zeit kann mit Hilfe geeigneter Modelle erfolgen. Ziele dieser Arbeit sind: i) die Entwicklung eines geeigneten Modellansatzes durch Kombination von Teilmodellen zur Simulation des N-Transportes im Boden und Grundwasser von Tieflandeinzugsgebieten und ii) die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Gebietseigenschaften und N-Transport unter besonderer Berücksichtigung der potentiellen N-Zufuhr in die Oberflächengewässer. Der Modellansatz basiert auf der Kombination verschiedener Teilmodelle: das Bodenwasser- und -stickstoffmodell mRISK-N, das Grundwassermodell MODFLOW und das Stofftransportmodell RT3D. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen mit den Gebietseigenschaften muss die Verteilung und Verfügbarkeit von Reaktionspartnern berücksichtigt werden. Dazu wurde ein Reaktionsmodul entwickelt, welches chemische Prozesse im Grundwasser simuliert. Hierzu gehören die Mineralisation organischer Substanz durch Sauerstoff, Nitrat und Sulfat sowie die Pyritoxidation durch Sauerstoff und Nitrat. Der Modellansatz wurde in verschiedenen Einzelstudien angewandt, wobei jeweils bestimmte Teilmodelle im Vordergrund stehen. Alle Modellstudien basieren auf Daten aus dem Schaugrabeneinzugsgebiet (ca. 25 km²), in der Nähe von Osterburg(Altmark) im Norden Sachsen-Anhalts. Die folgenden Einzelstudien wurden durchgeführt: i) Evaluation des Bodenmodells anhand von Lysimeterdaten, ii) Modellierung eines Tracerexperimentes im Feldmaßstab als eine erste Anwendung des Reaktionsmoduls, iii) Untersuchung hydraulisch-chemischer Wechselwirkungen an einem 2D-Grundwassertransekt, iv) Flächenverteilte Modellierung von Grundwasserneubildung und Bodenstickstoffaustrag im Untersuchungsgebiet als Eingangsdaten für nachfolgende Grundwassersimulationen, und v) Untersuchung der Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser und des Durchbruchs in die Oberflächengewässer im Untersuchungsgebiet auf Basis einer 3D-Modellierung von Grundwasserströmung und reaktivem Stofftransport. Die Modellstudien zeigen, dass der Modellansatz geeignet ist, die Wechselwirkungen zwischen Stofftransport und –umsatz und den hydraulisch-chemischen Gebietseigenschaften zu modellieren. Die Ausbreitung von Nitrat im Sediment wird wesentlich von der Verfügbarkeit reaktiver Substanzen sowie der Verweilzeit im Grundwasserleiter bestimmt. Bei der Simulation des Untersuchungsgebietes wurde erst nach 70 Jahren eine der gegebenen Eintragssitutation entsprechende Nitratkonzentration im Grundwasserzustrom zum Grabensystem erreicht (konservativer Transport). Die Berücksichtigung von reaktivem Stofftransport führt zu einer deutlichen Reduktion der Nitratkonzentrationen. Die Modellergebnisse zeigen, dass der Grundwasserzustrom die beobachtete Nitratbelastung im Grabensystem nicht erklären kann, da der Großteil des Nitrates durch Denitrifikation verloren geht. Andere Quellen, wie direkte Einträge oder Dränagenzuflüsse müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Prognosefähigkeit des Modells für das Untersuchungsgebiet wird durch die Datenunsicherheiten und die Schätzung der Modellparameter eingeschränkt. Dennoch ist der Modellansatz eine wertvolle Hilfe bei der Identifizierung von belastungsrelevanten Teilflächen (Stoffquellen und -senken) sowie bei der Modellierung der Auswirkungen von Managementmaßnahmen oder Landnutzungsveränderungen auf Grundlage von Szenario-Simulationen. Der Modellansatz unterstützt auch die Interpretation von Beobachtungsdaten, da so die lokalen Informationen in einen räumlichen und zeitlichen Zusammenhang gestellt werden können. N2 - Chemical transformations and hydraulic processes in soil and groundwater often lead to an apparent retention of nitrate in lowland catchments. Models are needed to evaluate the interaction of these processes in space and time. The objectives of this study are i) to develop a specific modelling approach by combining selected modelling tools simulating N-transport and turnover in soils and groundwater of lowland catchments, ii) to study interactions between catchment properties and nitrogen transport. Special attention was paid to potential N-loads to surface waters. The modelling approach combines various submodels for water flow and solute transport in soil and groundwater: The soil-water- and nitrogen-model mRISK-N, the groundwater flow model MODFLOW and the solute transport model RT3D. In order to investigate interactions of N-transport and catchment characteristics, the distribution and availability of reaction partners have to be taken into account. Therefore, a special reaction-module is developed, which simulates various chemical processes in groundwater, such as the degradation of organic matter by oxygen, nitrate, sulphate or pyrite oxidation by oxygen and nitrate. The model approach is applied to different simulation, focussing on specific submodels. All simulation studies are based on field data from the Schaugraben catchment, a pleistocene catchment of approximately 25 km², close to Osterburg(Altmark) in the North of Saxony-Anhalt. The following modelling studies have been carried out: i) evaluation of the soil-water- and nitrogen-model based on lysimeter data, ii) modelling of a field scale tracer experiment on nitrate transport and turnover in the groundwater as a first application of the reaction module, iii) evaluation of interactions between hydraulic and chemical aquifer properties in a two-dimensional groundwater transect, iv) modelling of distributed groundwater recharge and soil nitrogen leaching in the study area, to be used as input data for subsequent groundwater simulations, v) study of groundwater nitrate distribution and nitrate breakthrough to the surface water system in the Schaugraben catchment area and a subcatchment, using three-dimensional modelling of reactive groundwater transport. The various model applications prove the model to be capable of simulating interactions between transport, turnover and hydraulic and chemical catchment properties. The distribution of nitrate in the sediment and the resulting loads to surface waters are strongly affected by the amount of reactive substances and by the residence time within the aquifer. In the Schaugraben catchment simulations, it is found that a period of 70 years is needed to raise the average seepage concentrations of nitrate to a level corresponding to the given input situation, if no reactions are considered. Under reactive transport conditions, nitrate concentrations are reduced effectively. Simulation results show that groundwater exfiltration does not contribute considerably to the nitrate pollution of surface waters, as most nitrate entering soils and groundwater is lost by denitrification. Additional sources, such as direct inputs or tile drains have to be taken into account to explain surface water loads. The prognostic value of the models for the study site is limited by uncertainties of input data and estimation of model parameters. Nevertheless, the modelling approach is a useful aid for the identification of source and sink areas of nitrate pollution as well as the investigation of system response to management measures or landuse changes with scenario simulations. The modelling approach assists in the interpretation of observed data, as it allows to integrate local observations into a spatial and temporal framework. KW - Stickstoff KW - Nitrat KW - Modellierung KW - Grundwasser KW - Einzugsgebiet KW - Reaktiver Stofftransport KW - Denitrifikation KW - Nitrogen KW - Nitrate KW - modelling KW - groundwater KW - catchment KW - reactive transport KW - denitrification Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001307 ER -