- Titel
- Diffuse nutrient input to large rivers: Quantifying groundwater discharge and its effects on riverine eutrophication in the Elbe
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-977403
- Übersetzter Titel (DE)
- Diffuse Nährstoffeinträge in große Flüsse: Quantifizierung des Ausmaßes von Grundwassereinträgen und deren Auswirkungen auf die Eutrophierung von Fließgewässern am Beispiel der Elbe
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 25.02.2025
- Datum der Verteidigung
- 18.06.2025
- Abstract (DE)
- Übermäßige Nährstoffeinträge und die daraus resultierende Eutrophierung stellen eine erhebliche Beeinträchtigung für die Qualität der Oberflächengewässer dar, zu welcher es nach wie vor nur unzureichende Lösungsansätze gibt. Die Nährstoffflüsse und das damit verbundene Problem der Eutrophierung sind ein wesentlicher Grund dafür, dass im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie weniger als 10 % der deutschen Flüsse bis 2021 einen guten ökologischen Zustand aufwiesen. Da Grundwasser jedoch die wichtigste diffuse Nährstoffquelle ist, muss dessen Beitrag zeitlich quantifizierbar und qualifizierbar sein. In einem überregionalen System wie der Elbe jedoch, variieren die hydraulischen Gradienten und der geologische Untergrund entlang des Flusses, was zu heterogenen Grundwasserströmungssystemen mit sehr unterschiedlichen Verweilzeiten führen kann. Eine der bedeutendsten ökologischen Auswirkungen erhöhter Nährstoffkonzentrationen, welche überwiegend aus diffusem Grundwasserzustrom stammen, ist die Eutrophierung. Das heißt eine erhöhte Primärproduktion von planktischer und benthischer Algenbiomasse. Die Folgen sind vielfältig und umfassen instabile Sauerstoffverhältnisse, ein erhöhtes Risiko toxischer Algenblüten und letztlich einen Rückgang der biologischen Vielfalt. Daher wird in dieser Arbeit die räumliche, zeitliche und zurückliegende Dynamik diffuser Grundwassereinträge am Beispiel der eutrophen Elbe quantifiziert, wobei die Auswirkungen von grundwasserbürtigen Nährstoffen auf die benthische und planktonische Eutrophierung systematisch analysiert werden. Der Grundwasserzustrom in die Elbe wurde räumlich und zeitlich anhand von hydraulischen Gradienten entlang einer 450 km langen freifließenden Strecke lokalisiert. Die volumetrische Abschätzung wurde durch einen Multimethodenansatz bestimmt, welcher auf einer Massenbilanzierung, einer inversen geochemischen und Tritium-Modellierung, sowie einem Darcy-Ansatz beruhte. Entlang des Flusses traten Grundwasserzuströme mit hoher Variabilität auf. Effluente Verhältnisse waren zwischen Frühsommer und Herbst nachweisbar, während inverse Gradienten (influente Verhältnisse) im Frühjahr und Winter auftraten. Die höchste Wahrscheinlichkeit von Grundwasserzuflüssen wurde unabhängig von der Jahreszeit oder den hydraulischen Bedingungen in den oberstromigen Gebirgsregionen festgestellt, während sie in den flussabwärts gelegenen Teilen des Tieflandes abnahm. Unerwartete, aber signifikante Beiträge von landwirtschaftlichen Entwässerungskanälen wurden in den Tieflandgebieten nachgewiesen. Grundwasser trug unter Niedrigwasserbedingungen mit einem hohen Gesamtvolumen von 37 m³/s zum Flussvolumen bei. Um diese ermittelten Grundwasserflüsse und die darin enthaltenen Nährstoffe in einen zeitlichen Zusammenhang zu bringen, wurden die mittleren Verweilzeiten der angrenzenden oberen Grundwasserleiter in einem lumped-parameter-Modell ermittelt. Die Nutzung der Umwelttracer 3H/3He, SF6, FCKW und 14C ergaben eine Altersverteilung von 0 - 41 Jahren mit einem piston flow-, einem Exponential- und einem Dispersionsmodell. Dieses junge Grundwassersystem ist nur teilweise denitrifiziert und weist geringe bis moderate Zumischungen von älteren Wässern auf. Daraus lässt sich schließen, dass die Nährstoffkonzentrationen aus dem Grundwasser, welche aktuell in die Elbe fließen, in Zukunft abnehmen werden, da die Düngemittelspitze aus DDR-Zeiten (1945-1989) bereits passiert ist. Diese Vorhersage ist für ein nachhaltiges Flussgebietsmanagement von großer Bedeutung, um die Folgen der Eutrophierung durch Nährstoffüberschüsse zu verringern. Die ökologischen Auswirkungen von grundwasserbürtigen Nährstoffen auf die Eutrophierung in der Elbe, wurden anhand von lokalen (Biofilme) und regionalen (Phytoplankton) ökologischen Parametern ermittelt, welche Schlüsselfaktoren der Eutrophierung sind. Die Biofilme wurden saisonal auf künstlichen Substraten in ausgewählten Flussabschnitten entlang von Gradienten des Nährstoffeintrags durch Grundwasser erfasst. Die Auswirkungen des limitierenden Nährstoffs Phosphor (P) auf das Algenwachstum unter Niedrigwasserbedingungen, wurden mit Hilfe eines stöchiometrischen Ansatzes auf der Grundlage von fließzeitenkonformen Algen- und Nährstoffdaten ermittelt. Im Ergebnis zeigten die Biofilm-Proxies deutliche Auswirkungen der Saisonalität als primärem Faktor und der Interaktion von Aquifertyp und Grundwasserzustrom. Der Einfluss des Grundwassers ist allgemein im Herbst in Lockergesteinsgrundwasserleitern mit hohem Grundwassereinfluss am stärksten, sowie im Sommer, unabhängig vom Grundwasserleitertyp. Die wichtigsten Umweltfaktoren, welche sich auf Biofilme auswirken, sind Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, Trübung und der Nährstoffgehalt in der Wassersäule. Im Hinblick auf die Phytoplanktondynamik für den hier untersuchten 450 km langen Flussabschnitt, trägt der diffuse grundwässerbürtige P Strom unter Niedrigwasserbedingungen 1,5 t/d bei. Dies entspricht einer zusätzlichen planktonischen Fracht von 46 t/d partikulären organischen Kohlenstoffs unter nährstofflimitierenden Bedingungen. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf das Eutrophierungspotenzial. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese interdisziplinäre Dissertation die erste Quantifizierung der umfassenden Wirkungskette des Nährstoffeintrags aus dem Grundwasser in das Oberflächenwasser und des anschließenden Exports in das Ästuar darstellt, wobei der Schwerpunkt auf dem Problem der Eutrophierung liegt. Dies ist ein entscheidendes Ergebnis im Rahmen einer angepassten Flussbewirtschaftung und -vorhersage, welches es ermöglicht, gezielte und mittelfristige Maßnahmen zu ergreifen, um einen guten ökologischen Zustand und eine gute ökologische Funktionsweise zu erreichen.
- Abstract (EN)
- Excessive nutrient inputs and the resulting eutrophication represent a significant challenge to the quality of surface water bodies, one that remains inadequately addressed. Nutrient flux and the associated problem of eutrophication are a major reason why, according to the EU Water Framework Directive, less than 10 % of Germany’s rivers achieved a good ecological status by 2021. As groundwater is the most important diffuse nutrient source, its contribution must be quantifiable and qualifiable over time. However, in a transregional system such as the Elbe, hydraulic gradients and the geological subsurface vary along the river, which can lead to heterogeneous groundwater flow systems with highly variable residence times. One of the most significant ecological effects of increased nutrient concentrations, predominately stemming from diffuse groundwater, is eutrophication. Meaning the increased primary production of both planktonic and benthic algal biomass. The consequences are manifold and include unstable oxygen conditions, an increased risk of toxic algal blooms and ultimately a decrease in biodiversity. Accordingly, this thesis quantifies the spatial, temporal and past dynamics of diffuse groundwater discharge using the eutrophic river Elbe as a case study, wherein the impact of groundwater-borne nutrients on benthic and planktonic eutrophication was systematically analysed. Groundwater discharge to the river was spatially and temporally localised using hydraulic head gradients along a 450 km free-flowing stretch of the German Elbe. Volumetric estimation was determined by a multi-method approach based on a flux balance, an inverse geochemical and tritium modelling and a Darcy approach. Along the river, groundwater discharge occurred with high variability, while effluent conditions are detectable between early summer and autumn and inverse gradients (influent) during spring and winter. The highest likelihood of groundwater discharge was found in the mountainous upland areas, regardless of season or condition, and decreased in the lowland downstream parts. Unexpected but significant contributions from cropland drainage channels were detected in the lowland parts, while groundwater contributed with a higher total volume of 37 m³/s under low flow conditions. In order to place these detected groundwater fluxes and the nutrients within a chronological stamp, the time scales of groundwater flow of adjacent aquifers were obtained in a lump parameter model. The multi-environmental tracer inputs of 3H/3He, SF6, CFCs and 14C resulted in an age distribution of 0 - 41 years with a piston flow, an exponential and a dispersion model. This young groundwater system is partly denitrified and shows little to moderate mixing with older water. It can therefore be concluded that groundwater-borne nutrient concentrations flowing into the Elbe River will decrease in the future, as the fertiliser peak from the GDR period (1945-1989) has already passed. This prediction is highly relevant for a sustainable river basin management to mitigate the consequences of eutrophication due to nutrient surplus. These ecological effects of groundwater-borne nutrients on the eutrophication in the Elbe River were determined by using local (biofilms) and regional (phytoplankton) ecological parameters, which are key factors in eutrophication. Biofilms were recorded seasonally on artificial substrates in selected river reaches along gradients of nutrient input through groundwater. Effects of the limiting nutrient phosphorus (P) on plankton under low flow conditions were estimated using a stoichiometric approach based on river-conform data of algae and nutrients. As a result, biofilm proxies show distinct effects of seasonality as a primary factor and the interaction of aquifer type and groundwater flux. The impact of groundwater is generally highest in autumn in loose rock aquifer reaches with high groundwater influence and in summer, regardless of aquifer type. Major environmental impact factors affecting biofilms are temperature, electrical conductivity, turbidity and nutrients in the water column. With regard to phytoplankton, diffuse groundwater-borne P contributes 1.5 t/d under low flow conditions for the investigated 450 km stretch. This corresponds to an additional planktonic load of 46 t/d particular organic carbon under nutrient-limiting conditions, which has a significant impact on eutrophication potential. In conclusion, this interdisciplinary project represents the first quantification of the comprehensive chain of effects of nutrient flux from groundwater to surface water and the subsequent export to the estuary, with a focus on the issue of eutrophication. This is a crucial objective in the context of adapted river management and forecasting, allowing targeted and medium-term measures to be taken to achieve good ecological status and function.
- Verweis
- Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581823002823
A way to determine groundwater contributions to large river systems: The Elbe River during drought conditions
DOI: 10.1016/j.ejrh.2023.101595 - Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication potential and the share of benthic algae in a large lowland river
Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724057735
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.175617 - Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study provides evidence
Link: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2025/egusphere-2025-642/
DOI: 10.5194/egusphere-2025-642 - Freie Schlagwörter (DE)
- Grundwasser, Eutrophierung, Elbe, Nährstoffbelastung, Grundwasser-Oberflächenwasser Interaktionen
- Freie Schlagwörter (EN)
- Groundwater, Eutrophication, Elbe River, Nutrient input, Groundwater-Surface water interactions
- Klassifikation (DDC)
- 628
- Klassifikation (RVK)
- AR 22140
- GutachterIn
- Prof. Dr. Markus Weitere
- Prof. Dr. Ralf Merz
- Prof. Dr. Georg Houben
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Markus Weitere
- BetreuerIn - externe Einrichtung
- Dr. Christian Siebert
- Dr. Ulf Mallast
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Bundesstiftung Umwelt Promotionsstipendienprogramm
Diffuse nutrient input to large rivers: Quantifying groundwater discharge and its effects on riverine eutrophication in the Elbe
ID: AZ 20019/637 - Sonstige beteiligte Institution
- Helmholtz-Zetrum für Umweltforschung, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-977403
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 16.07.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC 4.0- Nutzungshinweis
- Inhalte mit unterschiedlichem Rechtestatus
- Inhaltsverzeichnis
Table of content 1. Abstract 10 2. Introduction 14 2.1. Nutrient loads and eutrophication in aquatic ecosystems 14 2.2. Groundwater – surface water interactions 17 2.3. Characteristics of the study area Elbe River 20 2.4. Research questions 22 2.5. References 24 3. Chapter I: A way to determine groundwater contributions to large river systems: the Elbe River during drought conditions 29 4. Chapter II: Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study provides evidence 47 5. Chapter III: Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication potential and the share of benthic algae in a large lowland river 71 6. Discussion 85 6.1. Large-scale quantification of groundwater dynamics 85 6.2. Legacies of groundwater-borne nutrients 86 6.3. Diffuse nutrients elevate river eutrophication and modify local biofilms 87 6.4. Transferability of findings 90 6.5. Conclusions 91 6.6. References 92 7. Publication record 94 8. Supplement 95 S1 Supplement material of Chapter I 95 S2 Supplement material of Chapter II 125 S3 Supplement material of Chapter III 133