Integrated water resources management in an ecologically and economically adequate way is receiving more and more attention when it comes to the development of sustainable strategies in either developed or developing countries. Ecohydrological models like the SWAT model are widely applied tools for sustainable management of water resources at river basin scale. Nevertheless it is still not clearly understood, how river basin management drives changes in the hydrological balance and the water quality of catchments. This is especially apparent in lowland catchments characterized by low hydraulic gradients, flat topography, high potential for water retention, a large amount of tile drainages and a close interaction of surface- and groundwater. The objective of this project is thus to test the applicability of a biological tracer (i.e. diatoms) for the detection of surface runoff and drainage flow in the example case of the Kielstau catchment (50 km2) in northern Germany. Based on the diatom and water quality analyses of daily mixed, rain event based river and tile drainage samplings, we aim to1) quantify the contribution of surface runoff to total river discharge in lowlands,2) separate surface runoff from tile drainage flow based on different diatom concentration of each flow component and determine the entry pathways of phosphorus into the river, and 3) implement the detected runoff generation and phosphorous transport processes into the newly introduced tile-drainage routine of the ecohydrological SWAT model to improve the routine structure and the model performance.
Turbulent flows govern transport processes, morphodynamics and thus also ecosystem functioning in rivers. In spite of increased computational capacity, uncomfortable uncertainties still persist in the modeling of complex natural water bodies. The proposed research examines by linked laboratory, numerical and field-scale approaches the relationships between complex flow, morphology and ecology in meander bends, including their effect on aquatic invertebrate distribution and use of food resources. The field studies will be generalized by numerical simulations which will contribute to refine ecological modeling. The hydrodynamic and morphodynamic studies in bended sections of two lowland rivers will provide detailed datasets on the cross-sections (bed morphology and composition) and on flow patterns (mean, secondary and turbulent flows), and will facilitate the elaboration and validation of numerical codes. These hydromorphological data will be related to those on habitat and food availability, invertebrate distribution, drift and diversity, and resulting changes in food web structure. This will enable to develop an improved modeling approach for these biological variables. The proposed research is a follow-up project of a joint IGB-TU Delft research project on shallow mixing layers, and is part of a larger joint research program on meander bends by IGB, TU Delft and EPF Lausanne.
Während Studien in Teichmesokosmen ein in der ökotoxikologischen Forschung allgemein akzeptiertes Instrument zur Erzielung einer höheren Realitätsnähe in den Aussagen darstellen, werden vor allem die Einsatzmöglichkeiten von Fließgewässermesokosmen für entsprechende Fragestellung kontrovers gesehen. Im Vordergrund stehen dabei Fragen der Handhabbarkeit von Fließgewässermesokosmen, insbesondere der Übertragbarkeit der Verhältnisse in den Fließrinnen auf die Natur und umgekehrt. B) Handlungsbedarf: Der neue Fließgewässermesokosmos des UBA befindet sich derzeit in der Einfahrphase. Neben der Ermittlung der Kenngrößen für ein wissenschaftlich-technisches Handbuch wird die Abbildbarkeit der Simulationsgegenstände 'Stehendes Gewässer' und 'Flusssee' mit Schwerpunkt auf Plankton geprüft. Aufgrund des bei der Ersteinrichtung solcher Systeme notwendigen zeitlichen Vorlaufes sollte der ebenfalls wichtige und schwierigere Simulationsgegenstand 'Tieflandfluss' mit Schwerpunkt Zoobenthos bearbeitet werden, um die Möglichkeiten der Anlage voll auszuschöpfen und zu einer fundierten eigenen, d.h. unabhängigen Beurteilung des Wertes von Mesokosmenstudien zu kommen und damit sprachfähig zu bleiben. Es ist zu prüfen, in welchem Umfang der Simulationsgegenstand 'Tieflandfluss im landwirtschaftlichen Bereich' in der Anlage des UBA abgebildet werden kann mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit der Anlage für diesen Simulationsgegenstand abschätzen und Erkenntnisse zum Verhalten und Verbleib von Stoffen und Mikroorganismen unter reproduzierbaren Bedingungen gewinnen zu können. Die unabhängige statistische Auswertung der Datensätze wird mit Hilfe von verschiedenen multivariaten Verfahren (PCA, PCR etc.) durch Einbindung externen Sachverstandes nach neuesten Erkenntnissen gewährleistet.