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Modelling of nitrogen transport and turnover during soil and groundwater passage in a small lowland catchment of Northern Germany

  • 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 variousChemical 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.show moreshow less
  • 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. HierzuStoffumsatzreaktionen 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Gunter Wriedt
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001307
Advisor:Helmut Geistlinger, Michael Rode, Axel Bronstert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2004/05/24
Release Date:2005/02/10
Tag:Denitrifikation; Einzugsgebiet; Grundwasser; Modellierung; Nitrat; Reaktiver Stofftransport; Stickstoff
Nitrate; Nitrogen; catchment; denitrification; groundwater; modelling; reactive transport
RVK - Regensburg Classification:RB 10345 , RG 80345
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geoökologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften