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Bedeutung der Biofilme im Interstitial der Elbe fuer die Stoffdynamik, die Sohlpermeabilitaet und die Trinkwassergewinnung

Raeumliche und zeitliche Variabilitaet der Beschaffenheit von Fliessgewaessersedimenten

Die Oberflaeche der Fliessgewaessersedimente sowie das darunter liegende, noch vom Wasser durchstroemte Lueckensystem stellen ein wichtiges Kompartiment von Fliessgewaesser-Oekosystemen dar, das vielen Organismen zumindest zeitweise als Lebensraum dient. Die abiotischen Bedingungen weichen hier deutlich von den Verhaeltnissen im Freiwasser ab, so dass Kenntnisse ueber die Beschaffenheit und die Qualitaet des abfliessendes Wassers nur unzureichend Rueckschluesse auf die Bedingungen fuer Organismen in ihrem eigentlichen Habitat zulassen. Obwohl dieses grundlegende Problem seit langem bekannt und akzeptiert ist, fehlen quantitative Kenntnisse ueber die Dynamik und raeumliche Variabilitaet, sowie ueber die Beeinflussung des hyporheischen Interstitials durch anthropogene Stoffeintraege, weitgehend. Dieser Mangel wurde bei der Bearbeitung eines 'Oekologisch begruendeten Sanierungskonzeptes fuer kleine Fliessgewaesser am Beispiel der Lahn' nochmals deutlich und stellte hier bei der Beurteilung oekologischer Zusammenhaenge, der Quantifizierung von anthropogenen Belastungen und der Formulierung von Zielen der Gewaesserbeschaffenheit zum Schutz der aquatischen Biozoenosen eine grosse Kenntnisluecke dar.

Hydraulische Austauschvorgaenge zwischen Interstitial und fliessender Welle - Kolmationsprozesse, Temperaturdynamik sowie numerische Simulation des reaktiven Stofftransportes, Hydraulische Austauschvorgaenge zwischen Interstitial und fliessender Welle

Ziel des interdisziplinaeren Vorhabens 'Oekosystemare Zusammenhaenge im Hyporhithral anthropogen belasteter Fliessgewaesser' war es, bisher getrennt betrachtete Systemkomponenten eines Fliessgewaessers in der Kulturlandschaft hinsichtlich ausgewaehlter Problembereiche der Fiessgewaesseroekologie und Gewaesserguetewirtschaft als funktionelle, miteinander in Wechselbeziehung stehende Einheiten zu untersuchen. Die Untersuchungen wurden (und werden in einem Folgeprojekt) an zwei ausgewaehlten Kolk-Stromschnellen-Sequenzen der Lahn bei Marburg durchgefuehrt und beziehen sich auf Fragen der hydraulischen und morphologischen Dynamik von Fliessgewaessern, Emissionen aus Klaeranlagen und Niederschlagswassereinleitungen sowie diffusen und flaechenhaft verteilten Naehrstoffquellen. Von der TU Darmstadt wurden die hydraulischen Austauschvorgaenge zwischen Interstitial und fliessender Welle in ihrer raeumlichen und zeitlichen Veraenderlichkeit (Heterogenitaet und Dynamik) untersucht. Zur Beschreibung dieser Prozesse wurden Stofftransportvorgaenge, Gerinnegeometrie, Sedimentparameter und sohlennahe Stroemungsverhaeltnisse mit unterschiedlichen Methoden erfasst (z.B. Tracerzugabe im Fluss/im Sediment, Piezomanometermessungen) erfasst. Korrelationen zwischen transportrelevanten Parametern (Abfluss, Sedimenteigenschaften etc.) werden erarbeitet, um ihren Einfluss auf die Dynamik der Austauschvorgaenge darzustellen. Zusammenfassend kann auf der Grundlage der derzeitigen Datenlage fuer die Lahn bei Marburg festgestellt werden, dass - das Porenwasser insbesondere der ersten 50 cm des Interstitals durch die physikalischen und chemischen Parameter der fliessenden Welle gepraegt wird. - Die Austauschvorgaenge durch lokale Gefaelleunterschiede der Sohle und des Wasserspiegels bestimmt werden. - Der hydraulische Gradient zwischen Grundwasserstand und Flusswasserspiegel insbesondere im Uferbereich des Fliessgewaessers entscheidenden Einfluss auf die Austauschprozesse im Interstitial hat. Synergetische Effekte verschiedener Parameter existieren, die die Austauschstroemung beeinflussen; diese sind schwer quantifizierbar. - Die raeumliche Variabilitaet der Interstitialdurchstroemung mit abnehmendem Abfluss und zunehmender Strukturvielfalt zu steigen scheint.

Natural and Artificial Systems for Techarge and Infiltration (NASRI); Untersuchungen zur Struktur und Dynamik der Interstitial-biozönose sandiger Litoralsedimente

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Aufklärung der Nahrungsnetzbeziehungen der Interstitialflora und -fauna und die Quantifizierung der Kohlenstofffluxe. Zu unterscheiden sind der Eintrag von DOC, der Ein- bzw. Austrag von POC, die photosynthetische Primärproduktion, die Verluste über Entgasung von CO2 und Methanbildung, die Metabolisierung von POC sowie der Austrag von DOC in das Grundwasser. Die physikalisch-chemisch-biologischen Prozesse der Verstopfung des Porenraumes (Kolmation) sollen erfasst und quantifiziert werden, um die Stoffeinträge in das Interstitial bestimmen zu können.

Bedeutung der Stillwasserzonen und des Interstitials fuer die Naehrstoffeliminierung in der Elbe

Schaedigung des Interstitials durch Entlastungen der Stadtentwaesserung im Graduiertenkolleg 'Verbesserung des Wasserkreislaufes urbaner Gebiete zum Schutz von Boden und Grundwasser'

Das hyporheische Interstitial ist ein bedeutender Lebensraum fuer die aquatischen Organismen in Fliessgewaessern. Es bildet das Grenzbiotop zwischen oberirdischen Gewaessern und dem Grundwasser. Bei den stossartig auftretenden Einleitungen aus den Misch- und Trennkanalisationssystemen in Siedlungsgebieten aendern sich die Lebensbedingungen im Porenraum des Interstitials ebenfalls stossartig. Ziel dieses Vorhabens ist die Quantifizierung des Einflusses der Einleitungen auf die Zustaende im Interstial. Die Austauschprozesse zwischen dem Wasserkoerper in der fliessenden Welle und dem Interstitial werden modelltechnisch beschrieben. Hierzu wird am Eifgenbach bei Wermelskirchen eine kontinuierliche Gewaesserguetemessstation betrieben. In Laborversuchen werden die wesentlichen Kenngroessen fuer die Stoffumsetzung im Interstitial ermittelt. Die Untersuchungen erfolgen vor dem Hintergrund einer immissionsbezogenen Beurteilung der Entlastungen der Stadtentwaesserung.

Stroemungsbedingungen im Interstitial einer Flusssohle

Im Porenraum der Sohle eines Fliessgewaessers, dem Interstitial, findet eine Vielzahl von Austauschprozessen statt. Dabei werden Schadstoffe aus dem Flusswasser ueber den Porenraum in das umgebende Grundwasser abgegeben. Im Rahmen des Projekts wird die Stroemung und das Transportverhalten fuer unterschiedliche Verhaeltnisse erfasst. Untersucht wird der Einfluss der Fliessgewaessergeometrie, die Auswirkung von Inhomogenitaeten der hydraulischen Leitfaehigkeit und die Bedeutung der Dispersion. Damit sind Aussagen ueber Belastungen des Sediments durch kontinuierliche oder stossweise Verschmutzung des Gewaessers moeglich. Ausserdem kann die Auswirkung auf das Oekosystem im Interstitial beurteilt werden.

Oekosystemare Zusammenhaenge im Hyporhithral eines Fliessgewaessers. Teilprojekte: a) Der amphibische Lebensraum des Flussbettes, b) Fauna des hyporheischen Interstitials

In Fliessgewaessern sind das Hyporheische Interstitial und die Wechselwasserzone im Gewaesserbett wahrscheinlich wichtige Kompartimente des Oekosystems, sowohl biozoenotisch als auch im Stoffhaushalt. Ziele der Teilprojekte sind: 1) Erfassung der Makrofauna: Zusammensetzung, raeumlich-zeitliche Dynamik, Autoekologie. 2) Untersuchung der oekologischen Rolle wichtiger Arten der Makrofauna.

Veraenderung der chemisch-physikalischen Situation im Interstitial kleiner Fliessgewaesser infolge von Mischwassereinleitungen und ihre oekologische Relevanz

Mit Hilfe von Untersuchungen im Interstitial kleiner Fliessgewaesser soll der Einfluss von Mischwassereinleitungen auf das Biotop der Gewaesser erfasst werden. An der Alb und einem Zufluss (Maisenbach) werden mehrere Probennehmer im Gewaesser installiert, die in woechentlichem Rhythmus Wasser und Interstitialproben liefern. Die Beprobung erstreckt sich ueber zwei Jahre, um natuerliche, saisonale Schwankungen beruecksichtigen zu koennen. Parallel werden die Beckenueberlaeufe der in das Gewaesser entlastenden Regenueberlaufbecken beprobt. Auf diese Weise werden die Schadstoffquellen erfasst und eine Zuordnung der chemisch-physikalischen Veraenderungen im Substratlueckensystem ermoeglicht. Die oekologische Relevanz der stofflichen Veraenderungen im Interstitial wird durch die Erfassung der Besiedelungsstrukturen oberhalb und unterhalb der Beckenauslaesse und mit Hilfe einer Literaturauswertung nachgewiesen. Die Feldarbeiten wurden im April 1994 abgeschlossen und die weiteren Aktivitaeten konzentrieren sich auf die Aufarbeitung des umfangreichen Datenmaterials. Die zoenologischen Unterschiede der Referenzstellen und der Probestellen unterhalb der Mischwassereinleitung haben sich durch weitere faunistische Untersuchungen bestaetigt und es ist davon auszugehen, dass ein ursaechlicher Zusammenhang mit der hydraulischen Belastung aus dem befestigten Einzugsgebiet besteht. Waehrend der gesamten Messperiode wurden 88 Entlastungsereignisse registriert, die jeweils eine Hochwasserwelle unterhalb der Einleitungsstelle erzeugten. In ihrer Haeufigkeit, ihrem maximalen Abfluss und in ihrer Ablaufdynamik unterscheiden sich diese Hochwasserwellen grundsaetzlich von Hochwaessern aus dem natuerlichen Einzugsgebiet. Die ermittelten stofflichen Belastungen des Gewaessers treten unter den vorgefundenen Gegebenheiten in den Hintergrund.

Hydraulische Austauschvorgaenge zwischen Interstitial und fliessender Welle - Kolmationsprozesse, Temperaturdynamik sowie numerische Simulation des reaktiven Stofftransportes

Fuer die Bestimmung der Austauschprozesse zwischen Fliessgewaesser und Interstitial ist - neben den hydraulischen Randbedingungen - die Groessenverteilung im Porensystem von eminenter Bedeutung, steuert sie doch massgeblich die advektiven und dispersiven Transportprozesse. Die raeumliche und zeitliche Variabilitaet des Lueckensystems wird durch mechanische und biologische Kolmations- und Deckschichtbildungsprozesse bestimmt. Die so veraenderte obere Schicht reisst bei kritischen Abflusszustaenden schlagartig auf, Einzelkoerner bzw. Kornverbuende sowie kolmatierte Sedimente werden aus der Sohle herausgeloest und damit eine - u.U. oertlich begrenzte - Dekolmation und Durchlaessigkeitserhoehung der Sohle initiiert. Diese Prozesse gilt es an der Lahn bei Sarnau zu untersuchen und im Zusammenhang mit den Parametern Wasserstand (HW, MW, NW), Grundwasserstand, Sedimentzusammensetzung, -dynamik und -lagerung, Temperaturdynamik im Interstitial bei verschiedenen Abfluessen zu interpretieren sowie modellhaft abzubilden. Die Temperaturdynamik im hyporheischen Interstitial spielt sowohl fuer den hydraulischen Austausch als auch fuer biologische Prozesse und damit fuer die Stoffumsetzung eine massgebende Rolle. Mit einer tiefendifferenzierten Aufzeichnung koennen die Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflaechenwasser auch bei hoeheren Abfluessen analysiert werden, bei denen die bisher praktizierte Probenahmemethode nicht anwendbar ist. Ein wesentliches Ziel des vorliegenden Antrages ist die Untersuchung natuerlicher und anthropogener Belastungen des Interstitials in einem oekosystemaren Kontext. Hierdurch soll die Erarbeitung oekologisch begruendeter Gewaesserschutzkonzepte unterstuetzt werden. Als Grundlage fuer die Beurteilung der oekologischen Risiken anthropogener Belastungen des Hyporheals ist dazu im Massstab eines Fliessgewaesserabschnitts ein numerisches Modell zur Simulation der massgeblichen Transport- und Umsetzungsprozesse im Interstitial zu entwickeln.

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