@phdthesis{Olaka2011,
  author    = {Olaka, Lydia Atieno},
  title     = {Hydrology across scales : sensitivity of East African lakes to climate changes},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-55029},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2011},
  abstract  = {The lakes of the East African Rift System (EARS) have been intensively studied to better understand the influence of climate change on hydrological systems. The exceptional sensitivity of these rift lakes, however, is both a challenge and an opportunity when trying to reconstruct past climate changes from changes in the hydrological budget of lake basins on timescales 100 to 104 years. On one hand, differences in basin geometrics (shape, area, volume, depth), catchment rainfall distributions and varying erosion-deposition rates complicate regional interpretation of paleoclimate information from lacustrine sediment proxies. On the other hand, the sensitivity of rift lakes often provides paleoclimate records of excellent quality characterized by a high signal-to-noise ratio. This study aims at better understanding of the climate-proxy generating process in rift lakes by parameterizing the geomorphological and hydroclimatic conditions of a particular site providing a step towards the establishment of regional calibrations of transfer functions for climate reconstructions. The knowledge of the sensitivity of a lake basin to climate change furthermore is crucial for a better assessment of the probability of catastrophic changes in the future, which bear risks for landscapes, ecosystems, and organisms of all sorts, including humans. Part 1 of this thesis explores the effect of the morphology and the effective moisture of a lake catchment. The availability of digital elevation models (DEM) and gridded climate data sets facilitates the comparison of the morphological and hydroclimatic conditions of rift lakes. I used the hypsometric integral (HI) calculated from Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data to describe the morphology of ten lake basins in Kenya and Ethiopia. The aridity index (AI) describing the difference in the precipitation/evaporation balance within a catchment was used to compare the hydroclimatic of these basins. Correlating HI and AI with published Holocene lake-level variations revealed that lakes responding sensitively to relatively moderate climate change are typically graben shaped and characterized by a HI between 0.23-0.30, and relatively humid conditions with AI >1. These amplifier lakes, a term first introduced but not fully parameterized by Alayne Street-Perrott in the early 80s, are unexceptionally located in the crest of the Kenyan and Ethiopian domes. The non-amplifier lakes in the EARS either have lower HI 0.13-0.22 and higher AI (>1) or higher HI (0.31-0.37) and low AI (<1), reflecting pan-shaped morphologies with more arid hydroclimatic conditions. Part 2 of this work addresses the third important factor to be considered when using lake-level and proxy records to unravel past climate changes in the EARS: interbasin connectivity and groundwater flow through faulted and porous subsurface lithologies in a rift setting. First, I have compiled the available hydrogeological data including lithology, resistivity and water-well data for the adjacent Naivasha and Elmenteita-Nakuru basins in the Central Kenya Rift. Using this subsurface information and established records of lake-level decline at the last wet-dry climate transitions, i.e., the termination of the African Humid Period (AHP, 15 to 5 kyr BP), I used a linear decay model to estimate typical groundwater flow between the two basins. The results suggest a delayed response of the groundwater levels of ca. 5 kyrs if no recharge of groundwater occurs during the wet-dry transition, whereas the lag is 2-2.7 kyrs only using the modern recharge of ca. 0.52 m/yr. The estimated total groundwater flow from higher Lake Naivasha (1,880 m a.s.l. during the AHP) to Nakuru-Elmenteita (1,770 m) was 40 cubic kilometers. The unexpectedly large volume, more than half of the volume of the paleo-Lake Naivasha during the Early Holocene, emphasizes the importance of groundwater in hydrological modeling of paleo-lakes in rifts. Moreover, the subsurface connectivity of rift lakes also causes a significant lag time to the system introducing a nonlinear component to the system that has to be considered while interpreting paleo-lake records. Part 3 of this thesis investigated the modern intraseasonal precipitation variability within eleven lake basins discussed in the first section of the study excluding Lake Victoria and including Lake Tana. Remotely sensed rainfall estimates (RFE) from FEWS NET for 1996-2010, are used for the, March April May (MAM) July August September (JAS), October November (ON) and December January February (DJF). The seasonal precipitation are averaged and correlated with the prevailing regional and local climatic mechanisms. Results show high variability with Biennial to Triennial precipitation patterns. The spatial distribution of precipitation in JAS are linked to the onset and strength of the Congo Air Boundary (CAB) and Indian Summer Monsoon (ISM) dynamics. while in ON they are related to the strength of Positive ENSO and IOD phases This study describes the influence of graben morphologies, extreme climate constrasts within catchments and basins connectivity through faults and porous lithologies on rift lakes. Hence, it shows the importance of a careful characterization of a rift lake by these parameters prior to concluding from lake-level and proxy records to climate changes. Furthermore, this study highlights the exceptional sensitivity of rift lakes to relatively moderate climate change and its consequences for water availability to the biosphere including humans.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wriedt2004,
  author    = {Wriedt, Gunter},
  title     = {Modelling of nitrogen transport and turnover during soil and groundwater passage in a small lowland catchment of Northern Germany},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001307},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2004},
  abstract  = {Stoffumsatzreaktionen und hydraulische Prozesse im Boden und Grundwasser k{\"o}nnen in Tieflandeinzugsgebieten zu einer Nitratretention f{\"u}hren. 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 Ber{\"u}cksichtigung der potentiellen N-Zufuhr in die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser. 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 Verf{\"u}gbarkeit von Reaktionspartnern ber{\"u}cksichtigt werden. Dazu wurde ein Reaktionsmodul entwickelt, welches chemische Prozesse im Grundwasser simuliert. Hierzu geh{\"o}ren 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 km\&\#178;), in der N{\"a}he von Osterburg(Altmark) im Norden Sachsen-Anhalts. Die folgenden Einzelstudien wurden durchgef{\"u}hrt: 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) Fl{\"a}chenverteilte Modellierung von Grundwasserneubildung und Bodenstickstoffaustrag im Untersuchungsgebiet als Eingangsdaten f{\"u}r nachfolgende Grundwassersimulationen, und v) Untersuchung der Ausbreitung von Nitrat im Grundwasser und des Durchbruchs in die Oberfl{\"a}chengew{\"a}sser im Untersuchungsgebiet auf Basis einer 3D-Modellierung von Grundwasserstr{\"o}mung und reaktivem Stofftransport. Die Modellstudien zeigen, dass der Modellansatz geeignet ist, die Wechselwirkungen zwischen Stofftransport und \&ndash;umsatz und den hydraulisch-chemischen Gebietseigenschaften zu modellieren. Die Ausbreitung von Nitrat im Sediment wird wesentlich von der Verf{\"u}gbarkeit 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 Ber{\"u}cksichtigung von reaktivem Stofftransport f{\"u}hrt zu einer deutlichen Reduktion der Nitratkonzentrationen. Die Modellergebnisse zeigen, dass der Grundwasserzustrom die beobachtete Nitratbelastung im Grabensystem nicht erkl{\"a}ren kann, da der Großteil des Nitrates durch Denitrifikation verloren geht. Andere Quellen, wie direkte Eintr{\"a}ge oder Dr{\"a}nagenzufl{\"u}sse m{\"u}ssen ebenfalls in Betracht gezogen werden. Die Prognosef{\"a}higkeit des Modells f{\"u}r das Untersuchungsgebiet wird durch die Datenunsicherheiten und die Sch{\"a}tzung der Modellparameter eingeschr{\"a}nkt. Dennoch ist der Modellansatz eine wertvolle Hilfe bei der Identifizierung von belastungsrelevanten Teilfl{\"a}chen (Stoffquellen und -senken) sowie bei der Modellierung der Auswirkungen von Managementmaßnahmen oder Landnutzungsver{\"a}nderungen auf Grundlage von Szenario-Simulationen. Der Modellansatz unterst{\"u}tzt auch die Interpretation von Beobachtungsdaten, da so die lokalen Informationen in einen r{\"a}umlichen und zeitlichen Zusammenhang gestellt werden k{\"o}nnen.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Perillon2017,
  author    = {P{\´e}rillon, C{\´e}cile},
  title     = {The effect of groundwater on benthic primary producers and their interaction},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-406883},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {XVII, 180},
  year      = {2017},
  abstract  = {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.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wattenbach2008,
  author    = {Wattenbach, Martin},
  title     = {The hydrological effects of changes in forest area and species composition in the federal state of Brandenburg, Germany},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-27394},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2008},
  abstract  = {This thesis aims to quantify the human impact on the natural resource water at the landscape scale. The drivers in the federal state of Brandenburg (Germany), the area under investigation, are land-use changes induced by policy decisions at European and federal state level. The water resources of the federal state are particularly sensitive to changes in land-use due to low precipitation rates in the summer combined with sandy soils and high evapotranspiration rates. Key elements in landscape hydrology are forests because of their unique capacity to transport water from the soil to the atmosphere. Given these circumstances, decisions made at any level of administration that may have effects on the forest sector in the state are critical in relation to the water cycle. It is therefore essential to evaluate any decision that may change forest area and structure in such a sensitive region. Thus, as a first step, it was necessary to develop and implement a model able to simulate possible interactions and feedbacks between forested surfaces and the hydrological cycle at the landscape scale. The result is a model for simulating the hydrological properties of forest stands based on a robust computation of the temporal and spatial LAI (leaf area index) dynamics. The approach allows the simulation of all relevant hydrological processes with a low parameter demand. It includes the interception of precipitation and transpiration of forest stands with and without groundwater in the rooting zone. The model also considers phenology, biomass allocation, as well as mortality and simple management practices. It has been implemented as a module in the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model). This model has been tested in two pre-studies to verify the applicability of its hydrological process description for the hydrological conditions typical for the state. The newly implemented forest module has been tested for Scots Pine (Pinus sylvestris) and in parts for Common Oak (Quercus robur and Q. petraea) in Brandenburg. For Scots Pine the results demonstrate a good simulation of annual biomass increase and LAI in addition to the satisfactory simulation of litter production. A comparison of the simulated and measured data of the May sprout for Scots pine and leaf unfolding for Oak, as well as the evaluation against daily transpiration measurements for Scots Pine, does support the applicability of the approach. The interception of precipitation has also been simulated and compared with weekly observed data for a Scots Pine stand which displays satisfactory results in both the vegetation periods and annual sums. After the development and testing phase, the model is used to analyse the effects of two scenarios. The first scenario is an increase in forest area on abandoned agricultural land that is triggered by a decrease in European agricultural production support. The second one is a shift in species composition from predominant Scots Pine to Common Oak that is based on decisions of the regional forestry authority to support a more natural species composition. The scenario effects are modelled for the federal state of Brandenburg on a 50m grid utilising spatially explicit land-use patterns. The results, for the first scenario, suggest a negative impact of an increase in forest area (9.4\% total state area) on the regional water balance, causing an increase in mean long-term annual evapotranspiration of 3.7\% at 100\% afforestation when compared to no afforestation. The relatively small annual change conceals a much more pronounced seasonal effect of a mean long-term evapotranspiration increase by 25.1\% in the spring causing a pronounced reduction in groundwater recharge and runoff. The reduction causes a lag effect that aggravates the scarcity of water resources in the summer. In contrast, in the second scenario, a change in species composition in existing forests (29.2\% total state area) from predominantly Scots Pine to Common Oak decreases the long-term annual mean evapotranspiration by 3.4\%, accompanied by a much weaker, but apparent, seasonal pattern. Both scenarios exhibit a high spatial heterogeneity because of the distinct natural conditions in the different regions of the state. Areas with groundwater levels near the surface are particularly sensitive to changes in forest area and regions with relatively high proportion of forest respond strongly to the change in species composition. In both cases this regional response is masked by a smaller linear mean effect for the total state area. Two critical sources of uncertainty in the model results have been investigated. The first one originates from the model calibration parameters estimated in the pre-study for lowland regions, such as the federal state. The combined effect of the parameters, when changed within their physical meaningful limits, unveils an overestimation of the mean water balance by 1.6\%. However, the distribution has a wide spread with 14.7\% for the 90th percentile and -9.9\% for the 10th percentile. The second source of uncertainty emerges from the parameterisation of the forest module. The analysis exhibits a standard deviation of 0.6 \% over a ten year period in the mean of the simulated evapotranspiration as a result of variance in the key forest parameters. The analysis suggests that the combined uncertainty in the model results is dominated by the uncertainties of calibration parameters. Therefore, the effect of the first scenario might be underestimated because the calculated increase in evapotranspiration is too small. This may lead to an overestimation of the water balance towards runoff and groundwater recharge. The opposite can be assumed for the second scenario in which the decrease in evapotranspiration might be overestimated.},
  language  = {en}
}
@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}
}