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Mikroplastikpartikel (MPP) wurden mittlerweile weltweit in verschiedenen aquatischen Systemen wie Flüssen, Seen und dem Grundwasser gefunden, jedoch ist ihr Nachweis und Charakterisierung sehr aufwändig. So gibt es im Hinblick auf deren Verbreitung an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser-Grundwasser, zentral bei der Gewinnung von Uferfiltrat, noch viele offene Fragen zum Rückhaltevermögen und Transportverhalten von Mikroplastik in den verschiedenen Kompartimenten (Oberflächenwasser, Grundwasser und Sediment).

Ziel dieser Studie war es das Vorkommen und die räumlichen Verteilungsmuster von MPP in einem Oberflächengewässer (Havel, Berlin), dem angrenzenden Grundwasser sowie in ungestörten Flussbettsedimentkernen (Main, Marktbreit) zu erfassen und hinsichtlich ihrer potentiellen Transport- und Rückhaltemechanismen zu interpretieren. Für die MPP-Analytik wurde die bildgebende Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) genutzt, welche die Bestimmung der MPP-Anzahl (Ø > 100 µm), der Polymertypen und der Partikelgröße ermöglicht.

Die Ergebnisse zeigten mittlere Konzentrationen von 0,65 MPP/L im Flusswasser und nur 0,004 MPP/L im angrenzenden Grundwasser. Die am häufigsten vorkommenden Polymertypen im Grundwasser waren PE, PVC, PET und PS; und im Fluss PP und PE. In der Hälfte der Grundwasserproben wurde kein MPP gefunden. Betrachtet man nur die Proben mit quantifizierbarem MPP, so waren durchschnittlich 0,01 MPP/L im Grundwasser vorhanden. Dies bedeutet, dass insgesamt 98,5 % aller MPP größer 100 μm bei der Uferfiltration zurückgehalten wurden.

In den Flussbettsedimenten wurden MPP über die gesamte Tiefe von 100 cm mit durchschnittlich 21,7 ± 21,4 MPP/kg nachgewiesen. Für die MPP-Verteilung konnten drei vertikale Trends abgeleitet werden: nahezu konstant in den oberflächennahen Schichten (0–30 cm), eine Abnahme in den mittleren Schichten (30–60 cm) und ein deutlicher Anstieg in den tiefen Schichten (60–100 cm). Die dominierenden Polymertypen waren PE, PP und PS. Der Anteil kleinerer MPP (100–500 µm) nahm mit der Tiefe zu, die größten MPP wurden jedoch in den tiefen Schichten nachgewiesen. Aus der heterogenen MPP-Verteilung lassen sich Rückschlüsse auf komplexe hydro-morphologische Prozesse innerhalb der letzten Jahrzehnte ziehen.

Die Gesamtheit der verschiedenen Untersuchungen zeigt, dass Flussbettsedimente als vorübergehende oder langfristige Akkumulationsbereiche für MPP sowie als potenzieller Vektor für das Eindringen kleiner MPP in den lokalen Grundwasserleiter fungieren können.

Als relevante terrestrische Transportwege für Mikroplastik gelten inzwischen Fließgewässer und somit stellen sie mit ihrer Fracht nicht nur eine Gefährdung von Meeren dar, sondern auch des oberflächennahen Grundwassers. An der Schnittstelle von Oberflächenwasser zum Grundwasser können die Flussbettsedimente sowohl als Akkumulationsbereiche für Mikroplastikpartikel (MPP) sowie potenziell als Eintragspfad bei der Verlagerung von MPP in den lokalen Grundwasserleiter fungieren. Der Transport bzw. Rückhalt von MPP in solchen natürlichen Sedimenten hängt dabei vermutlich von einer Vielzahl von variablen hydrogeologischen Randbedingungen ab.

In dieser Studie wurde eine Serie von Laborexperimenten mit gesättigten Sedimentsäulen (L = 50 cm, D = 8 cm) durchgeführt, um die Effekte der verschiedenen Einflussfaktoren auf den Transport und den Rückhalt von MPP im gesättigten Sediment genauer zu quantifizieren. Hierzu wurden die vertikalen Verteilungsmuster von fluoreszierenden, sekundären Polystyrol Partikeln in Abhängigkeit von ihrer Partikelgröße (Ø 100 µm bis 2000 µm), der Korngröße des Sediments (d₅₀ 1.6 mm und 5.6 mm), der Fließgeschwindigkeit (1,8 m d^-1 bis 27 m d^-1) und der Dauer des Infiltrationsflusses (2 bis 8 Porenvolumen) analysiert. Die Sedimentsäulen wurden tiefenorientiert in 10 cm Segmenten beprobt, das MPP in den Proben separiert und die zugrundeliegende MPP-Tiefenverteilung mittels Fluoreszenzbildanalyse ermittelt.

Die Ergebnisse zeigen eine hohe Partikelretention in den oberen Sedimentschichten. Generell wurden nahezu alle MPP in den oberen 20 cm bzw. 15 cm der kiesigen bzw. sandigen Sedimente zurückgehalten. Die exponentiell abnehmende MPP-Tiefenverteilung entspricht einem Filtrationsprozess, wurde dabei aber maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit, der Sediment Korngröße und der Partikelgröße beeinflusst. Bei kiesigem Sediment und Strömungsgeschwindigkeiten ≥13 m d^-1 wurde jedoch ein Anteil von ca. 0,3 % der zugegebenen MPP mit einer Größe von 100 µm bis 500 µm immerhin bis in Sedimenttiefen von 50 cm verlagert. Dies deutet darauf hin, dass MPP grundsätzlich das Potenzial haben, über den hyporheischen Austausch oder induzierte Uferfiltration, in grobkörnige Flussbettsedimente und alluviale Grundwasserleiter zu infiltrieren. Um den Einfluss verschiedener Polymertypen zu berücksichtigen, werden weitere Experimente mit eingefärbten PVC und PET Partikeln durchgeführt und in den Kontext der PS Ergebnisse eingeordnet werden.

Somit liefert diese Studie wichtige Erkenntnisse, um die Transport- und Rückhalthalteprozesse von MPP im gesättigten Sediment, wie an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser- Grundwasser und den dort vorherrschenden variablen hydrogeologischen Randbedingungen, besser zu verstehen.

The interface between groundwater and surface water is a critical zone influencing ecohydrological and biogeochemical cycles within surface water ecosystems. It is characterized by complex redox gradients, with groundwater-mediated inflow of reduced substances interacting with oxic water from the stream.

In this study, we have experimentally simulated the inflow of Fe(II)-rich groundwater into the open stream water of a flume system to quantify its effect on dissolved oxygen concentration in both the stream water and the hyporheic zone. The experimental setup consisted of 12 flumes, half of which were used for input of groundwater augmented with Fe(II), while the other half were used as controls. We studied the effects of coarse sediment vs. fine sediment and mean vs. low flow rate within a threefold replicated, crossed design. Weekly sampling campaigns were performed to analyze Fe(II), Fe(III), DOC, and DO concentrations in the pore water (hyporheic zone) and in the open water over five consecutive weeks.

Our results indicate that Fe(II) inflow substantially decreased DO concentrations in both the pore and open waters. Oxygen uptake rates increased by up to ~1.7 g O₂ m^-2 d^-1 at a mean flow rate and up to ~0.4 g O₂ m^-2 d^-1 at a low flow rate. This accounts for a contribution of Fe(II) input to the overall uptake rate of between 25 and 15 %, respectively. In conclusion, our study highlights the importance of considering the effects of hyporheic and riparian redox processes and subsequent subsurface inflow of Fe(II) into streams on their oxygen budget and the health of stream ecosystems. Against the background of rising groundwater contribution during drought affected low-flow conditions in headwater streams these systems may be particularly sensitive to Fe(II) related oxygen uptake.

Lange hieß es, Grundwasser wird im Grundwassermodell modelliert und Oberflächenwasser im Oberflächenwassermodell. Das Grundwassermodell SPRING geht neue Wege und integriert wichtige Prozesse in der vadosen Zone und im Oberflächengewässer in die Modellierung (siehe Abbildung), um das gekoppelte Gesamtsystem aus Grundwasser und Oberflächenwasser besser abzubilden. Eine wichtige Motivation dabei sind aktuelle Fragestellungen zur Klimaresilienz des Landschaftswasserhaushalts und der Grundwasserressourcen oder zu Auswirkungen von Trockenperioden.

Mit der bereits eingeführten Methode RUBINFLUX bilanziert SPRING den Bodenwasserhaushalt in Tagesschritten und ermittelt daraus flächendifferenzierte Sickerwasserraten ins Grundwasser (Neubildung) sowie Direktabflüsse. Bisher war dabei die vadose Zone als Einschichtmodell mit einer konstanten Simulationstiefe parametrisiert. Diese wird jetzt abhängig vom aktuellen Grundwasserstand in jedem Zeitschritt angepasst. Durch die Integration des kapillaren Aufstiegs ergibt sich umgekehrt auch eine Anpassung des Grundwasserstands, wenn der Bodenwassergehalt aufgefüllt wird.

Die Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer wurde bisher bereits in Form einer Leakagebeziehung beschrieben, bei der in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Grundwasser- und Vorflutpotenzial entweder das Grundwasser ins Gewässer exfiltriert oder umgekehrt. Hinzu kommt jetzt eine Bilanzierung der Volumenströme auch im Oberflächengewässer. Sie wird möglich durch die Vernetzung der Gewässerabschnitte in Fließrichtung. Von der Quelle ausgehend stromabwärts werden so alle ein- und ausströmenden Volumenströme bilanziert und der Abfluss im Gerinne ermittelt. Dazu gehören neben den Leakagemengen die Anteile aus Direktabfluss sowie an der Geländeoberfläche austretende Sickermengen. Sie beschreiben Hangquellen, Zwischenabflüsse und Drainagemengen.

Da die Leakagemengen aus der Potenzialdifferenz zwischen Grundwasser und Gewässer ermittelt werden, soll der Wasserstand im Gerinne möglichst gut approximiert werden. Dafür wurden die Ansätze von Manning-Strickler und Kalinin-Miljukov implementiert. Letzterer berücksichtigt Speichereffekte in ablaufenden Wellen.

Am Beispiel des Hammbach-Wienbach im Lippe-Einzugsgebiet in NRW wird gezeigt, wie die integrierte Modellierung das Systemverständnis verbessert und damit eine Grundlage für Planungen schafft. Es ergeben sich die folgenden Vorteile: Influente Gewässerabschnitte geben nur die Wassermenge ins Grundwasser ab, die tatsächlich vorhanden ist. Zeitweise trockenfallende Gewässerabschnitte können abgebildet werden. Bei der Kalibrierung kann zusätzlich mit Abflussganglinien verglichen werden. Die zusätzliche Bilanzierung der Oberflächengewässer verbessert die Aussagequalität des Modells insbesondere bei starker GW-OW-Interaktion wie am Hammbach-Wienbach.

Die Untersuchungen zum Hammbach-Wienbach-Gebiet wurden im BMBF-WaX-Verbundprojekt „KliMaWerk: Nachhaltige Bewirtschaftung des Landschaftswasserhaushaltes zur Erhöhung der Klimaresilienz: Management und Werkzeuge“ gefördert (FKZ: 02WEE1626E).

König, Ch. M., Becker, M., Brömme, K. et al. SPRING Benutzerhandbuch, Ausgabe 6.1, delta h Ingenieurgesellschaft mbH, Witten (2022)

Zepp, H., König, C., Kranl, J. et al. Implizite Berechnung der Grundwasserneubildung (RUBINFLUX) im instationären Grundwasserströmungsmodell SPRING. Eine neue Methodik für regionale, räumlich hochaufgelöste Anwendungen. Grundwasser 22, 113–126 (2017)

Railway systems are among the most important infrastructure for transportation of people and goods. However, their maintenance implies the use of contaminants such as herbicides and oil derivates that can spread underneath railway embankments. In order to inspect and evaluate the hazard risk, it is necessary to fully understand the dynamics of water flow through the embankment, unsaturated and saturated zone. Hence, numerical experiments were performed following a one-variable-at-a-time approach to systematically investigate the influence of parameters on water content distribution and stream patterns. The parameters are hydraulic characteristics of the embankment and the subsurface, i.e., (saturated water content), (residual water content), 𝛼 and (empirical coefficients shaping the soil water retention function), and (saturated hydraulic conductivity). Further factors are recharge (effective precipitation), groundwater table levels, influence of a less permeable layer at multiple depths, and thickness of the embankment. A graphical analysis and an overview table helped identify the variables influencing stream paths and further localize areas where the water accumulates or flows. The study identifies groundwater levels and empirical coefficients (specially ) governing soil-water retention as the most sensitive parameters shaping water percolation fronts. The majority of the scenarios show an area affected (case of conservative transport) between 0 and 2.5 m of depth, and 3 and 3.6 m of width. And when including the most extreme values this area may extend to 5.6 m of width and a maximum depth of 8.5 m.

Large rivers are often shaped by various constructions like straightening, groynes, or barrage systems. These constructions affect river discharge and interaction with groundwater. They may even alter water quantity and quality of both compartments. To investigate the dynamics of surface and groundwater interaction at a barrage site, tritium and stable water isotopes as natural tracers are favorable. They contribute to identify flow paths and transit times which are both vital to characterize the relationship of surface and groundwater.

The Mosel river is especially interesting for tritium-based tracer investigations as it is fed with tritium-rich water by the nuclear power plant Cattenom in France. During a research project of the Mosel river in 2020 to 2022 we found a favorable site for investigating surface and groundwater interaction at a barrage. The site at Lehmen (ca. 20 km from Koblenz) has a large barrage and five groundwater wells along the riverbank. Three of these groundwater wells are upstream while two are downstream of the lock. The geology of the site consists of sandy silt at the top, followed by alluvial loam, gravel terrace, and Devonian slate. The filter sections of the wells are placed within highly conductive gravel (hydraulic conductivity 2*10^-3 m/s). Monthly samples of four groundwater wells and surface water samples (one upstream, one downstream the barrage) from July 2020 to August 2022 were accompanied by high-frequency (30 min) surface and groundwater level monitoring. During sampling campaigns, field parameters (temperature, electric conductivity, pH value, oxygen content, and water hardness) were measured and all samples were analyzed in the lab for major ions, metals, stable water isotopes, and tritium.

At the lower Mosel river, we found mean tritium concentrations of 20 Bq/L which is significantly higher than atmospherically induced background concentrations (1 Bq/L). Four of the investigated groundwater wells along the barrage showed mean tritium concentrations of 15 Bq/L validating a frequent surface and groundwater interaction. A small hydraulic gradient of up to 5 cm was observed between surface water to the first upstream well while from upstream to downstream there is a large gradient of 4 m and another appr. 2.5 m to the well at the end of the monitored section. The chemical groundwater composition of all wells is similar to that of surface water. Combining the depicted results led to the conclusion that upstream Mosel water is infiltrating into groundwater, moves parallel to the barrage through the groundwater aquifer and exfiltrates downstream back into the river (reflow). Four high- or low tritium concentration events of the river water were utilized to identify damped groundwater reaction with residence times of 90 – 120 days (tritium) and 60 – 75 days (δ¹⁸O). The interaction of surface and groundwater can be described as diffuse.

Our findings demonstrate that tritium concentrations contribute to validation of surface and groundwater interaction as well as to understanding the hydrological fluxes. In future research we see tritium and stable water isotopes incorporated to investigate flow paths at high temporal and spatial resolution, increasing the understanding of diffuse infiltration and exfiltration schemes.