Interaktionen zwischen Grundwasser (GW) und Oberflächenwasser (OW) sind schon seit geraumer Zeit ein Thema der hydrologischen Forschung. Die frühen, wegweisenden Arbeiten von J. Toth (1963) und später T. Winter (1999) haben die Koexistenz lokaler und regionaler Grundwasserstömungsmuster aufgezeigt und dargelegt, wie Oberflächengewässer ein integraler Bestandteil dieser Strömungsmuster sind. Trotz dieser frühen, integralen Betrachtungsweise herrscht häufig noch eine eher vereinfachte Darstellung von Grund- und Oberflächenwasser vor, in der von zwei getrennten Komaprtimenten ausgegangen wird, die über oft nur vage definierte Austauschmechanismen miteinander interagieren. Deartige Konzeptionalisierungen finden sich in vielen hydrologischen Modellen. Sie sind jedoch potentiell irreführend, da sie implizieren, dass beide Kompartimente eigenständig und nur lose gekoppelt sind. Der Übergang zwischen GW und OW im hydrologischen Kreislauf ist jedoch eher als ein hydrologisches Kontinuum zu verstehen, in dem sich Wasser zwischen Oberflächengewässern (Flüsse, Seen, Feuchtgebiete) und oberflächennahen Grundwasserleitern dynamisch hin und her bewegt. So kann oberflächennahes Grundwasser in einer Flussaue in einem Moment zu Flusswasser werden und im nächsten wieder in den Auengrundwasserleiter zurückkehren, mit Bedeutung für den Austausch von Wasser und Stoffen sowie biogeochemische Stoffumsätze. Während vereinfachte Konzeptionalisierungen des GW-OW Kontinuums, z.B. für die Simmulation des Abflusses im Fluss, akzeptabel sein mögen, so greifen sie meist zu kurz, wenn Stoffflüsse und deren Dynamiken beschrieben werden sollen, da diese häufig durch hydrolgische und biogeochemische Prozesse im Übergang zwischen OW und GW bestimmt werden. In unseren Bemühungen, gekopplete hydrologische und biogeo­chemische Prozesse in temperierten, eher humiden Regionen besser zu verstehen, sollten wir zu einer Betrachtung des GW-OW-Systems als ein hydrologisches Kontinuum zurückfinden. Mittels einer Studie zum Export von gelöstem organischen Kohlenstoff (dissolved organic carbon – DOC) aus einem Einzugsgebiet (EZG) im Harz möchte ich diese Perspektive untermauern und darlegen, wie auf Basis detaillierter, lokaler Felddaten und eines vollintegrierten, numerischen GW-OW-Modells ein vereinfachtes, konzeptionelles Model zur Quantifizierung des DOC-Exports aus dem EZG physikalsich nachvollziehbarer und damit besser gemacht werden konnte.

Toth, J. (1963) A Theoretical Analysis of Groundwater Flow in Small Drainage Basins, Journal of Geophysical Research, 68(16)

Winter, T. (1999) Relation of streams, lakes, and wetlands to groundwater flow systems, Hydrogeology Journal, 7:28-45

In einem 150 km2 großen Projektgebiet in der voralpinen Seenregion um den Seeoner Klostersee werden zwischen 2015 und 2021 Niedrigstgrundwasserstände verzeichnet. Obwohl die Jahresniederschläge 2016 und folgende die langjährigen mittleren Jahresniederschläge erreichen oder sogar überschreiten, können sich die niedrigen Grundwasserstände aber erst Ende 2023 wieder erholen. Es wird deshalb vermutet, dass die Ursachen für die niedrigen Grundwasserstände nur indirekt an den niederschlagsarmen Jahren liegen. Frühere Trockenperioden zeigen, dass sich das System erholen konnte. Voruntersuchungen zeigen, dass das Gesamtsystem vermutlich durch die Kausalkette Niederschlag / Verdunstung - Quellen - Moorspeicher - Seen - Grundwasserneubildung definiert werden muss und die hydrogeologischen Zusammenhänge wesentlich komplexer sind, als sie allein über die Wasserbilanz derzeit zu erfassen sind. Die Interpretation wird zusätzlich durch eine mit großen Unsicherheiten behaftete konzeptuelle Modellvorstellung erschwert. Eine schlüssige Erklärung der aktuellen sensitiven Grundwasserverhältnisse auf klimatische Entwicklungen und eine Quantifizierung liegt deshalb noch nicht vor.

Um ein verbessertes Verständnis zu erlangen, wird in mehreren Stufen ein gekoppeltes 2D-Oberflächenströmungs-/3D-Grundwassermodell (HYD/GWM) erstellt.

Die erste Stufe ist die Erstellung eines hochaufgelösten HYD-Modells mit HydroAs, um aus der Simulation von verschiedenen Regenereignissen Abminderungen zu quantifizieren. Diese tragen während Regenereignissen wesentlich zur Grundwasserneubildung bei. Das HYD integriert Verrohrungen, zeitabhängige Wehrsteuerungen, wassertiefenabhängige Rauheiten, bekannte Quellzuflüsse und weitere hydraulisch relevante Strukturen.

Die derart quantifizierte und höchst variable Grundwasserneubildung wird anschließend in einem mit FEFLOW erstellten GWM als maßgebende hydraulische Belastung definiert. Das GWM weist sowohl horizontal als auch vertikal eine hohe Auflösung von lokal unter 1 m auf, um die komplexen Vorgänge in der ungesättigten Zone abbilden zu können. Zusätzlich zur werden die Oberflächenwasserstände aus dem HYD entnommen und dem Grundwassermodell zeit- und ortsabhängig als Randbedingungen aufgebracht. Die derart simulierten Grundwasserpotenziale werden mit anhand beobachteter Zeitreihen validiert.

Die Ergebnisse der beiden separaten Modelle zeigen, dass dieses Vorgehen zwar praktisch funktioniert, die statische Definition von Randbedingungen aber keine ausreichend genauen Ergebnisse liefert, die zur Verbesserung der hydrogeologischen Modellvorstellung beitragen.

Deshalb werden in einer dritten Stufe die beiden Modelle explizit und bidirektional über ein Modul gekoppelt. Der Vorteil ist, dass das HYD und das GWM in der Funktionalität erhalten bleiben und separat für Studien genutzt weiterhin werden können. Die bisher erhaltenen Ergebnisse sind vielversprechend und deuten an, dass eine Modellkalibrierung über Anpassung der hydraulischen Parameter der gesättigten und ungesättigten Zone möglich ist. Zentrale Herausforderungen sind die Fließprozesse in HYD und GWM und die Integration des Moorgebietes in die Modellierung.

Aus diesem Vorgehen folgt eine signifikante Verbesserung der Modellvorstellung und zusätzlich eine Quantifizierung des verfügbaren Grundwasserdargebots. Damit bildet die gekoppelte Modellierung eine maßgebliche Grundlage zur Sicherung der nachhaltigen Nutzung und zur Stärkung der Klimaresilienz im hochsensiblen Projektgebiet.

Dimensioning groundwater discharge

Excessive nutrient inputs and the resulting eutrophication are major challenges for surface water quality. As groundwater is the main diffuse nutrient source, its contribution must be quantified over time. Using the eutrophic Elbe River as a case study, this project examined spatial and temporal patterns of diffuse groundwater discharge and its impact on benthic and planktonic eutrophication.

Groundwater discharge along a 450 km free-flowing section of the German Elbe was identified using hydraulic head gradients. Discharge volumes were estimated via a multi-method approach: flux balance, inverse geochemical and tritium modelling, and Darcy calculations [1]. Discharge varied widely, with effluent conditions mostly from early summer to autumn and inverse gradients in spring and winter. The highest discharge likelihood was found in upland areas, decreasing downstream. Notably, cropland drainage channels in the lowlands contributed significantly, while groundwater added around 40 m³/s during low flow. To place these fluxes in a temporal context, a lumped parameter model was applied. Tracers (³H/³He, SF₆, CFCs, and ¹⁴C) indicated groundwater ages of 0–41 years [2]. This young system is partly denitrified and shows minor mixing with older water. It suggests that nutrient concentrations will decline in the future, as the fertiliser peak from the GDR era has passed.

Groundwater-Affected Eutrophication

Nutrients from groundwater can stimulate benthic algae directly, and, once in the water column enhance planktonic algae, particularly under phosphorus (P) limitation. This study tested groundwater effects on benthic algae via field experiments and modelled its impact on planktonic algae in the lower Elbe. Ecological effects were analysed using local (biofilm) and regional (phytoplankton) parameters - key indicators of eutrophication [3]. Biofilms were recorded seasonally on artificial substrates across river stretches influenced differently by groundwater. P limitation effects on plankton under low flow were assessed using stoichiometric modelling based on in-river algae and nutrient data.

Findings show that biofilms are mainly shaped by seasonality, aquifer type, and groundwater flux. Groundwater impact is highest in autumn in loose rock aquifers and in summer across all types. Major influencing factors include temperature, conductivity, turbidity, and nutrient levels. Regarding phytoplankton, groundwater-borne P contributes 1.5 t/day during low flow across the 450 km stretch. This translates to 46 t/day of additional particulate organic carbon under nutrient-limited conditions, significantly increasing eutrophication potential.

Literature:

[1] Zill, Julia, et al. "A way to determine groundwater contributions to large river systems: The Elbe River during drought conditions." Journal of Hydrology: Regional Studies 50 (2023): 101595.

[2] Zill, Julia, et al. "Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study along the Elbe River." EGUsphere (2025): 1-23. Under review

[3] Zill, Julia, et al. "Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication potential and the share of benthic algae in a large lowland river." Science of The Total Environment 951 (2024): 175617.

Die nordwestdeutsche Küstenregion ist geprägt durch die Grünlandwirtschaft. Ermöglicht wird diese durch eine intensive Entwässerung der verbreiteten Marsch- und Moorböden sowie in Teilen der Böden der Geest. Das Entwässerungssystem besteht im Wesentlichen aus einem engmaschigen und weiterverzweigten Netz aus Gräben und bildet damit einen riesigen Oberflächengewässerkörper. Neben Gräben werden Marschböden häufig zusätzlich über oberirdische Grüppen und Moorböden über unterirdische Drainagerohre entwässert. In den Böden der Geest finden sich ebenfalls immer wieder Drainagerohre oder sogenannte Bedarfsgrüppen, die anders als die Grüppen in der Marsch, nur temporär Wasser in die angrenzenden Gräben ableiten. Sowohl die Bedarfsgrüppen als auch die Grüppen und Drainagerohre bilden Austragspfade für Nährstoffe wie Stickstoff (N) in die angrenzenden Gräben. Vor allem grünlandbewirtschaftete Flächen entwässernd, bildet das Grabensystem die erste Schnittstelle zwischen Landwirtschaft und Oberflächengewässer.

Vor dem Hintergrund fortlaufender Überschreitung von Zielwerten für N in Flüssen, die in die Nordsee münden, gilt es weiterhin die N-Einträge zu reduzieren. Um dieses Ziel in der nordwestdeutschen Küstenregion zu erreichen, ist es notwendig die N-Einträge in die Entwässerungsgräben zu minimieren. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Studie im Einzugsgebiet der Jade untersucht, welche Faktoren auf die N-Austragskonzentrationen aus Grünlandflächen Einfluss nehmen und wie sich diese auf die Konzentrationen in den Gräben auswirken. An insgesamt 49 Untersuchungsstandorten, die sich auf die unterschiedlichen Landschaftsräume der nordwestdeutschen Küstenregion (Geest, Moor, Marsch) verteilen, wurden dazu Ammonium- und Nitratkonzentrationen in den Wässern von Bedarfsgrüppen, Grüppen, Drainagen und Gräben analysiert.

Die Ergebnisse zeigen insgesamt eine Standortabhängigkeit der Austragskonzentrationen. So nimmt der Gehalt an organischer Substanz der Böden aber auch die Bewirtschaftungsweise Einfluss auf die Ammonium- und Nitratkonzentrationen in den Wässern der Bedarfsgrüppen-, Grüppen-, Drainage und Grabenwässer. Darüber hinaus nehmen auch grabeninterne Prozesse Einfluss auf die gelösten N-Konzentrationen in den Grabenwässern.

Methan (CH₄) ist nach CO₂ das zweitwichtigste Treibhausgas, das eine erhebliche globale Erwärmung verursacht. Obwohl Binnengewässer nur etwa 4 % der terrestrischen Oberfläche bedecken, tragen sie mindestens 25 % zu den landbasierten Treibhausgasemissionen bei. Flüsse stellen dabei aufgrund ihrer hohen räumlich-zeitlichen Heterogenität eine hohe Unsicherheitsquelle im globalen Methanbudget dar. Ein vertieftes Verständnis des Methankreislaufs in Flüssen ist daher entscheidend für die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die globale Erderwärmung.

Die hyporheische Zone (HZ), der Übergangsbereich zwischen Grund- und Oberflächenwasser, ist ein Hotspot mikrobieller Aktivität. Dort wird unter anoxischen Bedingungen organische Substanz mikrobiell zu CH₄ umgesetzt. Während des konvektiv-diffusiven gesteuerten Transportes von CH₄ durch die HZ kann das gelöste Gas dabei aerob mit Sauerstoff oder anaerob mit Nitrat, Nitrit, Eisen und Sulfat zu CO₂ oxidiert werden. Einige Studien zeigten dabei, dass zahlreiche Parameter wie die Temperatur (T), die mikrobielle Gemeinschaft, das Redoxpotential (E_h) oder die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren den Methankreislauf in der HZ bestimmen.

In unserer Feldstudie haben wir an zwei morphologisch unterschiedlichen Standorten eines Fließgewässers tiefenaufgelöste Probenehmer (Peeper) installiert, um die geochemischen Gradienten zu erfassen. In den kiesdominierten Sedimenten wurde auf Grund des dominierenden konvektiven Transportes O₂, NO₃⁻ und SO₄²⁻ bis in tiefere Zonen der HZ nachgewiesen und keine Methanbildung beobachtet. Im Gegensatz dazu konnte in feinkörnigeren Sedimenten die Bildung von CH₄ nachgewiesen werden und durch δ¹³C-CH₄ Messungen, der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Modellierung eine Methanoxidation vermutlich auch mit Nitrat gezeigt werden.

Wir schlagen auf Grund unserer Ergebnisse vor, dass der Einfluss der Sedimentstruktur ausschlaggebend für die Ausprägung des geochemischen Gradienten, der biogeochemischen Prozesse und die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften im Sediment ist und Proxys wie T und E_h nur indirekt die Prozesse in der HZ kontrollieren.

Die Trinkwasserversorgung der Stadt Görlitz basiert ausschließlich auf der Nutzung von Grundwasser. Das natürliche Dargebot wird dabei durch MAR-Maßnahmen erhöht. Die zunehmende Häufigkeit von Dürren und Hochwasserereignissen wirkt sich jedoch negativ auf die Quantität und Qualität der verfügbaren Grundwasserressourcen aus und birgt Risiken für die lokale Trinkwasserversorgung. Dies erfordert Strategien und Anpassungsmaßnahmen, um die Resilienz der zukünftigen Trinkwasserversorgung zu stärken. Die vorliegende Studie fokussiert sich auf die Charakterisierung der räumlich und zeitlich variierenden Interaktion zwischen Oberflächengewässern und dem oberen Grundwasserleiter am MAR-Standort Görlitz mittels Umweltracer-Monitorings in unterschiedlichen hydrologischen Systemzuständen. Die räumlich und zeitlich aufgelösten Monitoringdaten demonstrieren das dynamische Zusammenspiel der verschiedenen Strömungskomponenten: der landseitigen Grundwasserzustrom, das Uferfiltrat aus der Lausitzer Neiße und die Versickerung durch die künstlich angelegten Infiltrationsteiche. Eine weitere Besonderheit dieses Standorts ist, dass die Fassungszone unmittelbar an der Lausitzer Neiße liegt und bei Hochwasser regelmäßig großflächig überflutet wird. Einzelne Hochwasserereignisse zeigen deutliche Signale in den kontinuierlich überwachten Grundwassermessstellen und Fassungsanlagen. Dies belegt den direkten Einfluss des versickerten Hochwassers durch die partiell durchlässige Deckschicht des Grundwasserleiters. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts CRossWATER, das durch das EU-Interreg-Förderprogramm finanziert wird, werden auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse weiterführende Detailuntersuchungen konzipiert und das lokale Monitoring-Netzwerk optimiert, um den Einfluss des Oberflächengewässers auf das Grundwasser hinsichtlich Quantität und Qualität besser überwachen und verstehen zu können.

Managed Aquifer Recharge (MAR) has been widely used in various contexts throughout the world to overcome temporal scarcity in water supply for drinking, irrigation, or livestock. In scientific context, different methods prove successful to assess appropriate locations for MAR within a catchment, e.g. multi-criteria decision analysis, regional water budget analysis, numerical simulation or decision tree application. However, MAR is also considered a valuable method to support WASH-services (WAter, Sanitation & Hygienics) humanitarian context to overcome water shortages, despite the additional challenges due to data scarcity, planning uncertainties and time constraints.

Within the project presented here, a stepwise guideline is presented for humanitarian decision makers and local experts, assessing the potential and feasibility of MAR in their context. The stepwise procedure includes recommendations for three stages: initial evaluation, feasibility assessment and concept design. Furthermore, the reader is guided through various options for data gathering and interpretation, aiming at an appropriate MAR suitability and feasibility evaluation with the available data.

The procedure is demonstrated on a case study in Dollow, Somalia. The town plays a crucial role as a regional hub for the humanitarian support with more than 50,000 inhabitants and almost 140,000 internally displaced people (IDPs). The water supply relies strongly on the transboundary alluvial aquifer, shared by Somalia, Ethiopia and Kenya, which interacts strongly with the Dawa river. Water, sanitation and hygienics-services (WASH) are provided by different humanitarian actors.

Even though the aquifer offers sufficient yield for the moment, concerns are growing with regard to longer periods of dryness and the long-term impact of increased water abstraction. MAR is generally considered an appropriate countermeasure, but impact and feasibility need to be assessed beforehand. Following the aforementioned guideline, a monitoring and exploration campaign is developed, including site exploration with straightforward geophysics (i.e., transient electromagnetics), water level monitoring and local questionnaire surveys. The obtained data are interpreted with a simple numerical model of the subcatchment.

The study highlights the potential of MAR for humanitarian context as well as the importance of appropriate evaluation beforehand, including demand quantification, socio-economic analysis and hydro(geo)logical process modeling under challenging conditions to identify the main drivers for a successful MAR implementation.