TY - JOUR A1 - Munz, Matthias A1 - Krause, Stefan A1 - Tecklenburg, Christina A1 - Binley, Andrew T1 - Reducing monitoring gaps at the aquifer-river interface by modelling groundwater-surface water exchange flow patterns JF - Hydrological processes N2 - 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 KW - hyporheic zone KW - aquifer-river interface KW - groundwater-surface water exchange KW - MODFLOW Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1002/hyp.8080 SN - 0885-6087 VL - 25 IS - 23 SP - 3547 EP - 3562 PB - Wiley-Blackwell CY - Malden ER - TY - JOUR A1 - Krause, Stefan A1 - Tecklenburg, Christina A1 - Munz, Matthias A1 - Naden, Emma T1 - 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 JF - Journal of geophysical research : Biogeosciences N2 - 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, Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1029/2012JG002122 SN - 0148-0227 VL - 118 IS - 1 SP - 54 EP - 67 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Krause, Stefan A1 - Bauer, Andreas A1 - Morgner, Markus A1 - Bronstert, Axel T1 - Wasserhaushaltsmodellierung als Beitrag zur Erstellung eines nachhaltigen Flusseinzugsgebietsmanagements an der Unteren Havel Y1 - 2004 SN - 3-937758-18-6 ER - TY - JOUR A1 - Krause, Stefan A1 - Bronstert, Axel T1 - Wasserhaushaltssimulationen unter Einbeziehung von Grundwasser - Oberflächenwasser - Kopplung zur Optimierung szenarienbasierter Handlungsoptionen für ein nachhaltiges Flussgebietsmanagement an der Unteren Havel Y1 - 2004 SN - 3-89958-072-9 ER - TY - JOUR A1 - Krause, Stefan A1 - Bronstert, Axel T1 - Approximation of Groundwater - Surface Water - Interactions in a Mesoscale Lowland River Catchment Y1 - 2004 ER - TY - BOOK A1 - Krause, Stefan T1 - Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergeprägten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel T3 - Brandenburgische Umweltberichte Y1 - 2005 SN - 3-935024-71-6 SN - 1434-2375 VL - 17 PB - Univ.-Verl. CY - Potsdam ER - TY - BOOK A1 - Krause, Stefan T1 - Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergeprägten Landschaften am Beispiel der unteren Havel N2 - Voraussetzung für die nachhaltige Bewirtschaftung von Tieflandflusseinzugsgebieten ist ein umfassendes Verständnis der Wasserhaushalts- und Stofftransportprozesse in der Flussaue. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen 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 Gewässerstrukturszenarien. N2 - For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions. T3 - Brandenburgische Umwelt-Berichte - 17 Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-12518 SN - 978-3-937786-71-6 SN - 1434-2375 SN - 1611-9339 IS - 17 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Krause, Stefan T1 - Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergeprägten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel T1 - Experimental and model based investigations of water balance and nutrient dynamics of groundwater influenced floodplains - the example of the Lower Havel River N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen 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 Gewässerstrukturszenarien. Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der ”Unteren Havel Niederung“ ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für 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 Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. 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 für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der ”Unteren Havel Niederung“ kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der ”Unteren Havel“. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer 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 ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer. N2 - For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions. For experimental investigation of runoff generation and water balance processes within the floodplains of the Havel river an extensive measurement campaign was installed at several testsites of the 198 km2 catchment of the “Lower Havel river basin“. These testsites include stations and gauges for the observation of meteorological parameters, soil moisture, groundwater depths and river runoff. Analysis of the observed data led to an improved understanding of water balance processes within the specific part of the floodplain which is influenced by the dynamics of the uppermost groundwater and by the surface water dynamics. Furthermore the implementation of the observed data within the model concept realised the consistent definition of time variable, spatial distributed initial and boundary conditions. The IWAN model was developed as a tool which implements the speci- fic hydrological characteristics of floodplains within the concept of modelling water balance and nutrient dynamics. It is based on the coupling of the distributed deterministic hydrological model WASIM-ETH with the three-dimensional finite difference based numerical groundwater model MODLFOW. Simulation of the metabolism of nitrogen within the groundwater passage was realised by the nutrient transport model MT3D which was coupled with the groundwater model. For model based simulation of the water balance within lowland river floodplains the IWAN model was applied for different scaled subcatchments of the Havel river with varying sizes from 2 to 1000 km2 and simulation periods from 2 weeks up to 13 years. Calibration of the model was performed for two different sized subcatchments of the “Lower Havel river basin“. The subsequent validation of the model focused on the entire “Lower Havel river basin“. Uncertainties of the model approach and the limited applicability and transferability for further groundwater influenced floodplain landscapes were analysed. The results of the water balance simulations led to an improved understanding of the processes and dynamics within floodplains. It furthermore enabled the quantification and impact analysis of certain processes and interactions. Based on local simulation results and on the analysis of surface and groundwater morphology an algorithm was developed which was used for delineation of the direct catchment of the Havel river. This direct catchment is specified as the part of the floodplain which is characterised by the direct interaction between river and adjacent catchment. Water balance simulations with the IWAN model in the direct catchment led to the quantification of interaction processes between river and floodplain. This enabled the assessment of the runoff fraction from the direct catchment during the ecologically sensitive low flow periods in summer and of the retention capacity of the floodplain during flood events. For the evaluation of the influences of alternative landuse management on the water balance within floodplains, complex scenarios were developed which implemented alterations of landuse or changes of surface water geometries and drainage structures. Simulation of water balances for each scenario allowed the detailed analysis of changing boundary conditions on the floodplain water balance and on the interaction processes between groundwater and river. Modelling nitrogen metabolism within the groundwater: For investigation of the nitrogen metabolism within the groundwater of floodplains the nutrient transport and dynamics model MT3D, which considers also interactions between groundwater and surface waters, was integrated in the IWAN concept. The model was applied for the simulation of nitrate dynamics within the direct catchment of the Havel river.With this approach, the nitrate loads between groundwater and river could be quantified. In addition, nitrate concentrations within the groundwater were analised in dependence of surface water dynamics. Scenario simulations, assuming a decrease of incoming nitrate loads from the root zone, caused by landuse techniques, led to the quantification of the efficiency of landuse changes and advanced management strategies to inhibit pollution of groundwater and surface waters. KW - Grundwasser KW - Oberflächenwasser KW - Aue KW - Tiefland KW - Wasserhaushalt KW - Stoffhaushalt KW - Nitratdynamik KW - Grundwasserdynamik KW - Interaktionen KW - Ökohydrologie KW - floodplain KW - water balance KW - nitrate dynamics KW - coupled model Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-3487 ER -