Grundwasser-Oberflächenwasser Interaktionen

Wir erforschen ökohydrologische Prozesse an der Grenzzone zwischen Grundwasserleitern und Oberflächenwasserkörpern. Durch das Zusammentreffen dieser beiden unterschiedlichen Wasserkörper charakterisieren steile biogeochemische Gradienten die Mischungszone und ermöglichen eine Vielzahl von Prozessen entlang dieser Gradienten. Wir untersuchen hydrologische Transportprozesse, biogeochemische Umsätze und die enge Kopplung dieser Prozesse in der Grenzzone.

Unser übergeordnetes Ziel ist es, das Verständnis der ökohydrologischen Prozesse in der Grenzzone zu verbessern, um eine wissenschaftliche Grundlage für die Wiederherstellung von Flüssen und Seen zu schaffen und die Entscheidungsfindung im Wassermanagement zu unterstützen. Wir führen Felduntersuchungen, Laborversuche und Modellierungsstudien durch. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung und Anwendung innovativer Messtechniken.

Abbildung: Probenahme von Porenwasser am Seitenkanal "Rechter Randgraben" der Erpe, Berlin/Brandenburg. Untersuchung hyporheischer Fließwege und der biogeochemischen Prozesse entlang dieser Fließwege. | Foto: Birgit Maria Müller / IGB

Abbidlung: Push-Pull-Tracer-Versuche in der hyporheischen Zone des Seitenkanals "Rechter Randgraben" der Erpe, Berlin/Brandenburg. Die mehrmals täglich wiederholte Durchführung der Versuche ermöglicht es, den Einfluss der täglichen Abflussschwankungen auf die mikrobielle Aktivität in der hyporheen Zone zu verstehen (Projekt Euroflow). | Foto: Birgit Maria Müller / IGB

Abbildung: Messung eines Sauerstoff-Tiefenprofils mit einem Mikrosensor in der hyporheischen Zone (Seitenkanal "Rechter Randgraben" der Erpe, Berlin/Brandenburg) | Foto: Birgit Maria Müller / IGB

Abbildung: Messung mit einem Wärme-Puls-Sensor im Hammer Stream, UK (Leverhulme Projekt) | Foto: Jörg Lewandowski / IGB
 

Abbildung: Modellierungsergebnis für das relative Alter des Wassers in hyporheischen Zonen bei Niedrigwasser- (obere Reihe) und Hochwasserereignissen (untere Reihe) mit zunehmendem Grundwasserzustrom (von Spalte eins bis fünf). | Quelle: Wu, L.; Singh, T.; Gomez-Velez, J.; Nützmann, G.; Wörman, A.; Krause, S. and Lewandowski, J. (2018). Impact of dynamically changing discharge on hyporheic exchange processes under gaining and losing groundwater conditions. Water Resources Research, 54, 10,076–10,093.

Film: Säulenexperiment mit organischen Spurenverbindungen und benthischen Organismen | Film: Anna Lena Kronsbein / IGB

Film: Feldarbeit des IGB an der Erpe in Berlin/Brandenburg | Film: Hanna Schulz & Birgit Maria Müller / IGB

Wir untersuchen drei verschiedene Typen von Grundwasser-Oberflächenwasser Grenzzonen:

1. Derzeit liegt unser Forschungsschwerpunkt auf der sogenannten hyporheischen Zone (Fliessgewässerbett, d.h. Grenzzone zwischen Fliessgewässer und Grundwasserleiter). Wir fassen die hyporheische Zone dabei als natürlichen, hydrodynamisch getriebenen Bioreaktor auf. Wir schreiben ihr die beeindruckende Selbstreinigungskapazität von Fliessgewässern bezüglich Nährstoffen (Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff) und organischen Spurenstoffen (z.B. Pharmazeutika) zu. Manchmal wird sie auch als Leber des Flusses bezeichnet. Mehr in diesem Podcast: 
   
   Ausgewählte Publikationen:
   Schulz et al. (2024). Respiration and CO2 evasion dynamics in moving streambeds as a response to flow regimes. Journal of Hydrology 640, 131559.
   Schaper et al. (2024). Electrical conductivity fluctuations as a tracer to determine time-dependent transport characteristics in hyporheic sediments. Journal of Hydrology 643, 131914.
   Schulz et al. (2023). Moving bedforms control CO2 production and distribution in sandy river sediments. Journal of Geophysical Research – Biogeosciences 128, e2022JG007156. 
   Jaeger et al. (2023). Time series of electrical conductivity fluctuations give insights into long-term solute transport dynamics of an urban stream. Water Resources Research 59, e2022WR034203.
   Reith et al. (2023): Attenuation of trace organic compounds along hyporheic flow paths in a lowland sandbed stream. Journal of Hydrology 624, 129905.
   Höhne et al. (2022): Fate of trace organic compounds in the hyporheic zone: Influence of microbial metabolism. Water Research 224, 119056.
   Mueller et al. (2022): Seasonal differences in the attenuation of polar trace organics in the hyporheic zone of an urban stream. Water Resources Research58, e2021WR031272.
   Schaper et al. (2022): Spatial variability of radon production rates in an alluvial aquifer affects travel time estimates of groundwater originating from a losing stream. Water Resources Research 58, e2021WR030635.
   Höhne et al. (2021): A novel device for in situ point measurements of fluorescent tracers in sediment pore water. Advances in Water Resources 148, 103827.
   Müller et al. (2021): Simultaneous attenuation of trace organics and change in organic matter composition in the hyporheic zone of urban streams. Scientific Reports 11, 4179.
   Wu et al. (2021): How daily groundwater table drawdown affects the diel rhythm of hyporheic exchange? Hydrology and Earth System Science 25, 1905-1921.
   Jaeger et al. (2021): Transformation of organic micropollutants along hyporheic flow in bedforms of river-simulating flumes. Scientific Reports 11, 13034.
   Höhne et al. (2021): Determining hyporheic removal rates of trace organic compounds using non-parametric conservative transport with multiple sorption models. Water Research 206, 117750.
   Wolke et al. (2020): Impact of bed form celerity on oxygen dynamics in the hyporheic zone. Water 12, 62.
   Wu et al. (2020): Impact of flow alteration and temperature variability on hyporheic exchange. Water Resources Research 56, e2019WR026225.
   Galloway et al. (2019): The effect of unsteady streamflow and stream-groundwater interactions on oxygen consumption in a sandy streambed. Scientific Reports 9, 19735.
   Gaona et al. (2019): Identification of groundwater exfiltration, interflow discharge and hyporheic exchange flows by fiber-optic distributed temperature sensing supported by electromagnetic induction geophysics. Hydrological Processes 33, 1390-1402.
   Jäger et al. (2019): Spatial and temporal variability in attenuation of polar trace organic compounds in an urban lowland stream. Environmental Science & Technology 53, 2383-2395.
   Schaper et al. (2019): Fate of trace organic compounds in the hyporheic zone: influence of retardation, the benthic biolayer and organic carbon. Environmental Science & Technology 53, 4224-4234.
   Jäger et al. (2019): Using recirculating flumes and a response surface model to investigate the role of hyporheic exchange and bacterial diversity on micropollutant half-lives. Environmental Science: Processes & Impacts 29, 2093-2108.
   Lewandowski et al. (2019): Is the hyporheic zone relevant beyond the scientific community? Water 11, 2230.
   
   
   Abbildung: Unser Hauptuntersuchungsstandort für die hyporheische Zone ist der Fluss Erpe, Berlin/Brandenburg. Gereinigtes Abwasser aus der Kläranlage Münchehofe macht bis zu 80% des Flusswassers aus. | Foto: Birgit Maria Müller / IGB
   
   
   
   Abbildung: Untersuchung der Grundwasser-Fluss Interaktionen und des Verbleibs von abwasserbürtigen Pharmazeutika in der Erpe, Berlin/Brandenburg (Projekte UWI und HypoTRAIN) | Foto: Jörg Lewandowski / IGB
2. Andere Forschungsarbeiten unserer multi-disziplinären Arbeitsgruppe konzentrieren sich auf den Grundwasserzustrom zu Seen (Aquifer-See Grenzzone). Überraschenderweise ist lakustriner Grundwassereintrag in Wasser- und Nährstoffbilanzen von Seen bis vor kurzem meist vernachlässigt worden. Selbst weltweit gibt es nur sehr wenig Forschung zu diesem Thema. Wir konnten die außerordentliche Relevanz der Grundwasserexfiltration und des grundwasserbürtigen Nährstofftransports für die Eutrophierung von Seen und andere ökologische Herausforderungen zeigen.
   
   Ausgewählte Publikationen:
   Pöschke et al. (2018): How does the groundwater influence the water balance of a lowland lake? A field study from Lake Stechlin, north-eastern Germany. Limnologica 68, 17-25.
   Périllion et al. (2017): Stimulation of epiphyton growth by lacustrine groundwater discharge to an oligo-mesotrophic hard-water lake. Freshwater Science 36, 555-570.
   Meinikmann et al. (2015): Phosphorus in groundwater discharge – a potential source for lake eutrophication. Journal of Hydrology 524, 214-226.
   Rudnick et al. (2015): Investigating groundwater-lake interaction by hydraulic heads and a water balance. Ground Water 53, 227-237.
   Lewandowski et al. (2015): Groundwater – the disregarded component in lake water and nutrient budgets. Part 2: Effects of groundwater on nutrients. Hydrological Processes 29, 2922-2955.
   Rosenberry et al. (2015): Groundwater – the disregarded component in lake water and nutrient budgets. Part 1: Effects of groundwater on hydrology. Hydrological Processes 29, 2895-2921.
   Blume et al. (2013): Upscaling lacustrine groundwater discharge rates 1 by fiber-optic distributed temperature sensing. Water Resources Research 49, 1-16.
   Meinikmann et al. (2013): Lacustrine groundwater discharge: Combined determination of volumes and spatial patterns. Journal of Hydrology 502, 202–211.
   
   Abbildung: Unser Hauptuntersuchungsstandort für den lakustrinen Grundwasserzustrom und grundwasserbürtigen Nährstoffimport ist der Arendsee. Mehr als 50 % der externen Phosphorfracht stammen aus dem Grundwasser. | Foto: Jörg Lewandowski / IGB
   
   
   
   Abbildung: Untersuchung von Grundwasser-See Wechselwirkungen und grundwasserbürtigem Nährstoffimport in den Arendsee, Sachsen-Anhalt (Lehrveranstaltung HU Berlin) | Foto: Jörg Lewandowski / IGB
    
3. Weitere Forschung unserer Gruppe konzentriert sich auf röhrenbauendes Makrozoobenthos (Zuckmückenlarven) in Seesedimenten (See-Porenwasser Grenzzone). Diese kleinen Ökosystem-Ingenieure verändern nicht nur die lokale Hydrologie und Biogeochemie, sondern haben massive Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem (Bioturbation).
   
   Ausgewählte Publikationen:
   Hupfer et al. (2019): Chironomid larvae enhance phosphorus burial in lake sediments: Insights from long and short-term experiments. Science of the Total Environment 663, 254-264.
   Baranov et al. (2016): Effects of bioirrigation of non-biting midges (Diptera: Chironomidae) on lake sediment respiration. Scientific Reports 6, 27329.
   Hölker et al. (2015): Tube-dwelling invertebrates: tiny ecosystem engineers have large effects in lake ecosystems. Ecological Monographs 85, 333–351.
   Brand et al. (2013): Advection around ventilated U-shaped burrows: A model study. Water Resources Research 49, 2907–2917.
   Roskosch et al. (2012): Alteration of Chironomus plumosus ventilation activity and bioirrigation-mediated benthic fluxes by changes in temperature, oxygen concentration, and seasonal variations. Freshwater Science 31, 269-281.
   Roskosch et al. (2010): Bioirrigation by Chironomus plumosus: advective flow investigated by particle image velocimetry. Journal of the North American Benthological Society 29, 789-802.
   Lewandowski et al. (2007): The relationship between Chironomus plumosus burrows and the spatial distribution of pore-water phosphate, iron and ammonium in lake sediments. Freshwater Biology 52, 331-343.
   
   
   Abbildung: Oxidierte Chironomidenröhren in Seesedimenten | Foto: Jörg Lewandowski / IGB

Unsere Themen im Rahmen der Schwerpunktthemen der Abteilung

Das Schwerpunkthema "Landschafts-Wasser Interaktionen" der Abteilung wird vorrangig mit der 2. Grenzzone (Einzugsgebiet-See Interaktionen) abgedeckt, zusätzlich aber auch mit einigen Forschungen an der 1. Grenzzone (Einzugsgebiet-Fließgewässer Interaktionen). Das Schwerpunkthema "Urbane Ökohydrologie" wird vorrangig im Rahmen der 1. Grenzzone bearbeitet (Bioreaktor hyporheische Zone in urbanen Fließgewässern), zusätzlich aber auch im Rahmen der 2. Grenzzone (Grundwasser-Seeinteraktionen im urbanen Raum). Das Schwerpunktthema "Aquatisch-biotische Kopplung" ist vor allem Gegenstand der durch röhrenbauendes Makrozoobenthos geschaffenen 3. Grenzzone.