Xiangqian Zhou

• The European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking. Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properlyThe European Water Framework Directive (WFD) has identified river morphological alteration and diffuse pollution as the two main pressures affecting water bodies in Europe at the catchment scale. Consequently, river restoration has become a priority to achieve the WFD's objective of good ecological status. However, little is known about the effects of stream morphological changes, such as re-meandering, on in-stream nitrate retention at the river network scale. Therefore, catchment nitrate modeling is necessary to guide the implementation of spatially targeted and cost-effective mitigation measures. Meanwhile, Germany, like many other regions in central Europe, has experienced consecutive summer droughts from 2015-2018, resulting in significant changes in river nitrate concentrations in various catchments. However, the mechanistic exploration of catchment nitrate responses to changing weather conditions is still lacking. Firstly, a fully distributed, process-based catchment Nitrate model (mHM-Nitrate) was used, which was properly calibrated and comprehensively evaluated at numerous spatially distributed nitrate sampling locations. Three calibration schemes were designed, taking into account land use, stream order, and mean nitrate concentrations, and they varied in spatial coverage but used data from the same period (2011–2019). The model performance for discharge was similar among the three schemes, with Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) scores ranging from 0.88 to 0.92. However, for nitrate concentrations, scheme 2 outperformed schemes 1 and 3 when compared to observed data from eight gauging stations. This was likely because scheme 2 incorporated a diverse range of data, including low discharge values and nitrate concentrations, and thus provided a better representation of within-catchment heterogenous. Therefore, the study suggests that strategically selecting gauging stations that reflect the full range of within-catchment heterogeneity is more important for calibration than simply increasing the number of stations. Secondly, the mHM-Nitrate model was used to reveal the causal relations between sequential droughts and nitrate concentration in the Bode catchment (3200 km2) in central Germany, where stream nitrate concentrations exhibited contrasting trends from upstream to downstream reaches. The model was evaluated using data from six gauging stations, reflecting different levels of runoff components and their associated nitrate-mixing from upstream to downstream. Results indicated that the mHM-Nitrate model reproduced dynamics of daily discharge and nitrate concentration well, with Nash-Sutcliffe Efficiency ≥ 0.73 for discharge and Kling-Gupta Efficiency ≥ 0.50 for nitrate concentration at most stations. Particularly, the spatially contrasting trends of nitrate concentration were successfully captured by the model. The decrease of nitrate concentration in the lowland area in drought years (2015-2018) was presumably due to (1) limited terrestrial export loading (ca. 40% lower than that of normal years 2004-2014), and (2) increased in-stream retention efficiency (20% higher in summer within the whole river network). From a mechanistic modelling perspective, this study provided insights into spatially heterogeneous flow and nitrate dynamics and effects of sequential droughts, which shed light on water-quality responses to future climate change, as droughts are projected to be more frequent. Thirdly, this study investigated the effects of stream restoration via re-meandering on in-stream nitrate retention at network-scale in the well-monitored Bode catchment. The mHM-Nitrate model showed good performance in reproducing daily discharge and nitrate concentrations, with median Kling-Gupta values of 0.78 and 0.74, respectively. The mean and standard deviation of gross nitrate retention efficiency, which accounted for both denitrification and assimilatory uptake, were 5.1 ± 0.61% and 74.7 ± 23.2% in winter and summer, respectively, within the stream network. The study found that in the summer, denitrification rates were about two times higher in lowland sub-catchments dominated by agricultural lands than in mountainous sub-catchments dominated by forested areas, with median ± SD of 204 ± 22.6 and 102 ± 22.1 mg N m-2 d-1, respectively. Similarly, assimilatory uptake rates were approximately five times higher in streams surrounded by lowland agricultural areas than in those in higher-elevation, forested areas, with median ± SD of 200 ± 27.1 and 39.1 ± 8.7 mg N m-2 d-1, respectively. Therefore, restoration strategies targeting lowland agricultural areas may have greater potential for increasing nitrate retention. The study also found that restoring stream sinuosity could increase net nitrate retention efficiency by up to 25.4 ± 5.3%, with greater effects seen in small streams. These results suggest that restoration efforts should consider augmenting stream sinuosity to increase nitrate retention and decrease nitrate concentrations at the catchment scale.…
• Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern. In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das ModellDie Europäische Wasserrahmenrichtlinie hat die morphologischen Veränderungen der Flüsse und die diffuse Verschmutzung als die Hauptprobleme der Gewässer in Europa identifiziert. Um diese Probleme anzugehen, hat die Renaturierung von Fließgewässern hohe Priorität. Es ist jedoch nur wenig darüber bekannt, wie sich Veränderungen der Flussform, wie z. B. die Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässer auswirken. Deutschland hat in den letzten Jahren Dürreperioden erlebt, die zu Veränderungen der Nitratkonzentration in den Fließgewässern geführt haben. Es gibt jedoch nur wenig Erkenntnisse darüber, wie sich diese Dürreperioden auf die Nitratkonzentration auswirken. Zur Untersuchung dieser Einflüsse kann eine Modellierung des Nitrat-Transports und -Rückhalts in Einzugsgebieten wichtige Hinweise zu wirksamen Reduzierungsmaßnahmen liefern. In dieser Studie wurde ein prozessbasiertes hydrologisches Wasserqualitätsmodell (mHM-Nitrate) verwendet, um die Nitratdynamik im Einzugsgebiet der Bode (3200 km2) zu simulieren. Das Modell wurde anhand von Daten aus verschiedenen Teileinzugsgebieten kalibriert und bewertet. Es wurden drei Kalibrierungsvarianten entwickelt, die die Flächennutzung, die Ordnung der Fließgewässer und die mittleren Nitratkonzentrationen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad berücksichtigten. Die Modellierungsgüte für den Abfluss war bei allen drei Kalibrierungsvarianten ähnlich, während sich bei den Nitratkonzentrationen deutliche Unterschiede ergaben. Die Studie zeigte, dass die Auswahl von Messstationen, die die charakteristischen Gebietseigenschaften widerspiegeln, für die Nitrat-Kalibrierung wichtiger ist als die reine Anzahl der Messstationen. Das Modell wurde auch verwendet, um die Beziehung zwischen Dürreperioden und der Nitratdynamik im Bodegebiet zu untersuchen. Das Modell gab die Dynamik von Abfluss und Nitrat sehr gut wider und erfasste hierbei auch die räumlichen Unterschiede in den Nitratkonzentrationen sehr gut. Die Studie ergab, dass Dürreperioden zu niedrigeren Nitratkonzentrationen in den landwirtschaftlich genutzten Gebieten im Tiefland führten, was auf einen geringeren terrestrischen Export und einen erhöhten Rückhalt in den Fließgewässern zurückzuführen war. Die Untersuchung liefert Erkenntnisse über die Auswirkungen von Dürren auf den Nitrataustrag, was für das Verständnis der Auswirkungen des künftigen Klimawandels wichtig ist. Darüber hinaus untersuchte die Studie die Auswirkungen der Renaturierung von Fließgewässern, insbesondere der Re-Mäanderung, auf die Nitratrückhaltung im Fließgewässernetz. Die Untersuchung zeigte, dass der gewässerinterne Nitratrückhalt in landwirtschaftlichen Tieflandgebieten höher war als in bewaldeten Gebieten. Die Wiederherstellung natürlich meandrierender Fließgewässer erhöhte die Nitratretention und verringerte die Nitratkonzentration im Fließgewässer, insbesondere in kleinen Bächen in landwirtschaftlichen Gebieten. Dies deutet darauf hin, dass bei Sanierungsmaßnahmen die Erhöhung der Gewässersinuosität berücksichtigt werden sollte, um den Nitratrückhalt und die Wasserqualität insbesondere in den Teiflandgebieten zu erhöhen.…