Uni-Bayreuth

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Einfluss von influenten und effluenten Bedingungen auf Stofftransport und -umsätze in der hyporheischen Zone

Nico Trauth1, Christian Schmidt1, Uli Maier1, Jan H. Fleckenstein1
1 Department Hydrogeologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ

P 6.18 in Grundwasser-, Boden- und Oberflächenwasser-Interaktionen

 

 

In der hyporheischen Zone (HZ) finden wichtige biogeochemische Umsetzungsprozesse statt, die von hydraulischen Faktoren, der Sohlstruktur und den Durch­lässigkeiten des Flussbettsediments signifikant kontrolliert werden.

Mit einem gekoppelten numerischen Modell werden verschiedene hydraulische  Bedingungen, sowohl im Gerinneabfluss als auch im Grundwasser, simuliert und deren Einfluss auf Strömung sowie biogeochemische Reaktionen in der hyporheischen Zone untersucht. Dieser Modellansatz wird zum einen auf generische Pool-Riffle Morphologien und zum anderen auf eine reale mid-channel bar angewendet.

Die Flusswasserströmung wird mit OpenFOAM, einer Open-Source Computational Fluid Dynamics - Software (CFD) simuliert und liefert die Druckverteilung an der Flussbett-Randbedingung. Diese Druckverteilung wird als Head-Rand­bedingung auf das Finite Volumen Modell MIN3P übertragen, womit Stofftransport und Reaktionen simuliert werden. Über die obere Flussrandbedingung werden bioverfügbarer Kohlenstoff (DOC), Sauerstoff (O2) und Nitrat (NO3) eingetragen, die in der HZ durch aerobe Respiration (AR) und Denitrifikation (DN) miteinander reagieren. Des Weiteren wird über die untere Randbedingung Grundwasserzu- oder abstrom berücksichtigt, wodurch die Tiefen­ausbreitung und die Verweilzeiten in der HZ be­einflusst werden. Unter Grundwasserzustrom erfolgt ein zusätzlicher Stoffeintrag von O2 und NO3 in die HZ, welche sich mit DOC aus dem Flusswasser vermischen und reagieren können. Um deren Einfluss auf die Umsetzungsprozesse in der HZ zu untersuchen, werden zusätzliche Szenarien simuliert, in denen das Grundwasser verschiedene Konzentrationen an O2 und NO3 aufweist.

Die Ergebnisse zeigen, dass die AR- und DN-Effizienz stark durch zu- oder abströmendes  Grundwasser vermindert werden. AR tritt in flachen Bereichen der HZ auf und zehrt 20% bis 90 % des infiltrierenden O2 aus dem Flusswasser. DN ist auf kleine Bereiche unterhalb der AR-Zone begrenzt und somit werden nur bis zu 20 % des eingetragenen NO3 abgebaut. Die höchste DN-Effizienz der HZ kann unter geringem Grundwasserzustrom und niedrigen O2 sowie NO3 Konzentrationen im Grundwasser erreicht werden. In Bezug auf die Flusswasserqualität wirkt die HZ unter Grundwasserabstrom als eine Nitratsenke, während sie unter Grundwasserzustrom, je nach NO3 Konzentration im Grundwasser, sowohl als eine Nitratsenke als auch -quelle fungiert.

Letzte Änderung 12.03.2014