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Dissertationsschrift: https://tud.qucosa.de/en/landing-page/https%3A%2F%2Ftud.qucosa.de%2Fapi%2Fqucosa%253A97740%2Fmets/
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.
Zill, J., Siebert, C., Rödiger, T., Schmidt, A., Gilfedder, B. S., Frei, S., … & Mallast, U. (2023). A way to determine groundwater contributions to large river systems: The Elbe River during drought conditions. Journal of Hydrology: Regional Studies, 50, 101595. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581823002823
Zill, J., Perujo, N., Fink, P., Mallast, U., Siebert, C., & Weitere, M. (2024). 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, 175617 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724057735
Zill, J., Suckow, A., Mallast, U., Sültenfuß, J., & Siebert, C. (2025). Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study provides evidence. EGUsphere, 2025, 1-23. Under review
https://egusphere.copernicus.org/preprints/2025/egusphere-2025-642/