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Einfluß der Gewässermorphologie auf die Nährstoffretention : Modellstudie am Beispiel der mittleren Weißen Elster

Impact of river morphology on nutrient retention : a model study of the Weisse Elster River

  • Hohe Nährstoffkonzentrationen können aquatische Ökosysteme stark belasten. Bei der integrierten Gewässerbewirtschaftung kommt der Quantifizierung der natürlichen Nährstoffsenken eine große Bedeutung zu. Für den anorganischen Stickstoff sind dies die biogene Assimilation und die benthische Denitrifikation. Denitrifikation wurde bisher vor allem auf der Prozessskala untersucht, eine räumlich differenzierte Erfassung auf mesoskaliger Ebene ist noch nicht erfolgt. Hauptziel dieser Arbeit ist die räumlich aufgelöste Quantifizierung des Nährstoffumsatzes - mit besonderer Berücksichtigung der Stickstoffretention – am Beispiel eines 70 km langen Flussabschnitts der Weißen Elster. Dies wird anhand von Längsschnitt- und Tag/Nacht-Beprobungen, bei denen auch der benthische Biofilm und die Sedimente berücksichtigt wurden, analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Durchführung von Modellanalysen. Es wurde eine modifizierte Version des Gewässergütemodells WASP verwendet. Damit wurden die Sensitivitäten morphologischer Faktoren untersuchtHohe Nährstoffkonzentrationen können aquatische Ökosysteme stark belasten. Bei der integrierten Gewässerbewirtschaftung kommt der Quantifizierung der natürlichen Nährstoffsenken eine große Bedeutung zu. Für den anorganischen Stickstoff sind dies die biogene Assimilation und die benthische Denitrifikation. Denitrifikation wurde bisher vor allem auf der Prozessskala untersucht, eine räumlich differenzierte Erfassung auf mesoskaliger Ebene ist noch nicht erfolgt. Hauptziel dieser Arbeit ist die räumlich aufgelöste Quantifizierung des Nährstoffumsatzes - mit besonderer Berücksichtigung der Stickstoffretention – am Beispiel eines 70 km langen Flussabschnitts der Weißen Elster. Dies wird anhand von Längsschnitt- und Tag/Nacht-Beprobungen, bei denen auch der benthische Biofilm und die Sedimente berücksichtigt wurden, analysiert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Durchführung von Modellanalysen. Es wurde eine modifizierte Version des Gewässergütemodells WASP verwendet. Damit wurden die Sensitivitäten morphologischer Faktoren untersucht sowie die Einfluss von Renaturierungsmaßnahmen auf den Nährstoffhaushalt analysiert. Unter sommerlichen Verhältnissen wurde eine erhebliche Stickstoffretention nachge­wiesen. Auf der 70 km langen Fließstrecke werden bis zu 32% der in das Gewässer eingetragenen N-Fracht durch Denitrifikation eliminiert. Die Denitrifikation schwankt räumlich sehr stark: Der Stickstoffrückhalt liegt zwischen 0,2 und 1,25 mgN/(l·d), die mittlere Denitrifikationsrate schwankt zwischen 240 mgN/(m2d) in einem kanalisierten Abschnitt und 639 mgN/(m2d) in einem naturnahen Bereich. Von den untersuchten morphologischen Faktoren hat die Länge der Fließstrecke den größten Einfluss auf den Stickstoffrückhalt. Eine Verlängerung der Fließstrecke um 10% bewirkt eine Verringerung der Nitrat-Konzentration um 2,7%. Die Auswirkungen der im Rahmen einer Szenarienanalyse betrachteten Renaturierungs­maßnahmen auf die Stickstoffbelastung sind gering.show moreshow less
  • There is a high pressure of nutrients for many riverine and coastal ecosystems. For an efficient river water quality management the quantification of the natural sinks of nutrients is one of the main tasks. For inorganic nitrogen the assimilation by algae and the benthic denitrification are the largest sinks. Denitrification was mainly studied on the process scale, but there does not exist any approach, which quantifies denitrification for longer river sections. The main objective of this work is the spatial differentiated quantification of the nutrient turnover – with special regard to nitrogen retention – for a 70 km river section of the Weisse Elster River. The methodical approach consists of longitudinal measurement campaigns, day/night analyses and the investigation of periphyton and sediments. However, in the main it was focussed on model analyses. Instead a modified version of the water quality model WASP was used. Furthermore, the sensitivities of morphological features on nitrogen and phosphorus was analysed and scenarioThere is a high pressure of nutrients for many riverine and coastal ecosystems. For an efficient river water quality management the quantification of the natural sinks of nutrients is one of the main tasks. For inorganic nitrogen the assimilation by algae and the benthic denitrification are the largest sinks. Denitrification was mainly studied on the process scale, but there does not exist any approach, which quantifies denitrification for longer river sections. The main objective of this work is the spatial differentiated quantification of the nutrient turnover – with special regard to nitrogen retention – for a 70 km river section of the Weisse Elster River. The methodical approach consists of longitudinal measurement campaigns, day/night analyses and the investigation of periphyton and sediments. However, in the main it was focussed on model analyses. Instead a modified version of the water quality model WASP was used. Furthermore, the sensitivities of morphological features on nitrogen and phosphorus was analysed and scenario analyses were carried out. As a first result it was shown, that significant nitrogen retention takes place at summer conditions. Denitrification is the largest sink of inorganic nitrogen: up to 32% of the nitrogen load was eliminated for the 70 km river section. Nitrogen retention shows a strong spatial variation caused by the variability of denitrification and periphyton assimilation. The modelled values amount between 0.2 and 1.25 mgN/(l·d), the mean denitrification rate varies between 240 mgN/(m2d) in a channelized river section and 639 mgN/(m2d) in a natural river section. The sinuosity is the most sensitive morphological factor. An increase of 10% leads to a nitrate reduction of 2.7% at the end of the river section. The modelled impact of the most feasible river restoration measures on nitrogen load was low. The main reason is their small spatial scale.show moreshow less

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Metadaten
Author: Dierk Wagenschein
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-216
Referee / Advisor:Prof. Dr. Albrecht Gnauck
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2006
Date of final exam:2006/07/06
Release Date:2006/09/27
Tag:Fließgewässer; Gewässergütemodellierung; Morphologie; Nährstoffretention
Model identification; Nitrogen retention; River morphology; River water quality modelling
GND Keyword:Weiße Elster; Nährstoffretention; Geomorphologie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Ökosysteme und Umweltinformatik
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