Herkunft und Mobilisierungsdynamik von gelöstem organischem Kohlenstoff in einem quellnahen Einzugsgebiet

Benedikt J. Werner1, Jie Yang1, Andreas Musolff1, Oliver J. Lechtenfeld2, Gerrit H. de Rooij3, Ralf Gründling3, Ulrike Werban4, Jan H. Fleckenstein1
1 Hydrogeologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
2 Analytische Chemie - BioGeoOmics, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
3 Bodensystemforschung, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
4 Smarte Modelle und Monitoring, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ

1.6 in Wasserqualität in Grundwasser und Flusseinzugsgebieten

Auengebiete kontrollieren durch ihre besondere Lage im Einzugsgebiet die Abflussbildung und den Export der darin gelösten Stoffe. In den gemäßigten Breiten ist der Austrag von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus Auengebieten von besonderer ökologischer und ökonomischer Relevanz, da DOC maßgeblich die Biogeochemie im Gewässer steuert und zudem erhöhte Kosten bei der Trinkwasseraufbereitung verursachen kann. Verschiedene Studien konnten zeigen, dass die Aktivierung von diskreten Quellgebieten in der Aue durch Niederschlagsereignisse für den Hauptteil von DOC-Exporten verantwortlich ist. Dabei definiert das Zusammenspiel aus Grundwasserstand, hydrologischer Konnektivität und biogeochemischen Prozessen in den Quellgebieten die potenzielle DOC-Exportlast sowie deren zeitliche Variabilität. Modellansätze zur Quantifizierung des DOC-Exports lassen jedoch die ausgeprägte räumlich-zeitliche Heterogenität von Abflussbildung und Stoffaustrag in der Aue bisher weitgehend außer Acht. Ein verbessertes Verständnis dieser Heterogenität und deren Implementierung in Modellen wird jedoch benötigt, um die Kontrollgrößen von DOC-Export aus Auengebieten akkurater abschätzen und besser hochskalieren zu können.   
Um die Mechanismen und die Variabilität der DOC-Freisetzung besser zu verstehen, wurde ein 2,58 km² großes, quellnahes Einzugsgebiet im Harz (Deutschland) intensiv untersucht: Die DOC-Qualität wurde im Bachwasser während mehrerer Abflussereignisse charakterisiert. Gleichzeitig wurden 25 Piezometer auf einer 3600 m² umfassenden Untersuchungsfläche in Flussnähe installiert um Grundwasserstände zu messen und die DOC Qualität in der Aue zu bestimmen. Die erhobenen Daten sowie ein detailliertes digitales Höhenmodell (mittels Drohnenaltimetrie erstellt) und Geoelektrik wurden verwendet, um ein integriertes numerisches Grundwassermodell (Hydrogeosphere) für einen Teil der Aue zu kalibrieren. Dies erlaubte eine räumlich-zeitliche detaillierte Quantifizierung von Grundwasserströmungen, Bodensättigung sowie Oberflächenabfluss. Mittels hochauflösender Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) wurde des Weiteren eine Charakterisierung von DOC-Spezies in Auen-Grundwässern und Bach durchgeführt. Damit konnte die DOC-Qualität aus Flusswasserproben im Verlauf typischer Niederschlags-Abflussereignisse bestimmt und mit den DOC-Qualitäten der Auen-Grundwässer verglichen werden. Durch die Kombination von DOC-Charakterisierung und numerischer Modellierung wurde gezeigt, dass DOC-Exporte während niederschlagsgetriebener Abflussereignisse zu großen Teilen aus räumlich diskreten relativ kleinen Quellgebieten in der Aue stammen.     
Das Zusammenspiel von intensivem Monitoring und Modellierung zur Charakterisierung der treibenden Faktoren der raum-zeitlichen Dynamik von DOC-Export in Auen trägt zu einem verbesserten Verständnis der DOC-Freisetzung und dem darauf folgendem Export in Flüsse bei. Dieses explizite Verständnis kann verwendet werden, um existierende DOC-Exportmodelle zu verbessern.