Der Einsatz von Filtern zur Reduzierung von Stickstoff- und Phosphoreinträgen aus der Landwirtschaft in die Oberflächengewässer wurde in Deutschland bisher kaum untersucht. In einem Workshop wurde der Stand der Untersuchungen von Projekten in Polen, Dänemark, Deutschland und Frankreich vorgestellt. Um das Potential dieser Maßnahmen auszuschöpfen, sind die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungssystemen für geeignete Einsatzorte und weitere Demonstrationsprojekte unter Feldbedingungen notwendig.

Flussökosysteme basieren auf dem komplexen Zusammenspiel physikalischer und biogeochemischer Prozesse. Ein mögliches Hilfsmittel zum Verständnis dieses Zusammenspiels sind Fließgewässergütemodelle (FGM): numerische, dynamische Modelle, welche die Interaktion empirisch bekannter biogeochemischer Prozesse abbilden und eine prozessbasierte Auswertung zulassen. FGM, wie sie im Folgenden verstanden werden, betrachten deterministische, biogeochemische Prozesse, die im Gewässer ablaufen, beispielsweise das Wachstum von Algenbiomasse auf der Grundlage von verfügbaren Nährstoffen und Licht. Sie unterscheiden sich dadurch deutlich von den folgenden Modelltypen, die in diesem Artikel nicht behandelt werden: (i) Rein hydraulische Modelle, welche die Strömung, Wasserstände sowie turbulente Mischung in Fließgewässern berechnen (z. B. das Modell EFDC der amerikanischen Umweltbehörde EPA (HAMRICK 1992) oder das kommerzielle Modell Telemac (GALLAND et al. 1991)). Eine Berechnung des Abflusses ist zwar die Basis aller FGM, wird aber im Folgenden nur kurz für die eindimensionale Näherung beschrieben. (ii) Stoffflussmodelle, welche eine Berechnung der Stofffrachten zum Ziel haben und Hydraulik und Transformationsprozesse im Gewässer nicht oder stark vereinfacht abbilden. Solche Modelle erlauben eine Aggregation von Stofffrachten, die über das eigentliche Gewässer hinausgeht, beispielsweise für gesamte Einzugsgebiete (z. B. MONERIS, BEHRENDT et al. (2000), oder SWAT, NEITSCH et al. (2001)) oder für städtische Wasserkreisläufe (MÖLLER et al. 2008). (iii) Modelle, die multitrophische Interaktionen in Fließgewässern abbilden und dadurch die Auswertung von Nahrungsketten ermöglichen (z. B. WOOTTON et al. 1996). Solche „multitrophischen Modelle“ werden hauptsächlich für akademische Fragestellungen eingesetzt. Im Gegensatz zu FGM betrachten sie ausschließlich die Interaktionen zwischen Spezies ohne Berücksichtigung deterministischer, biogeochemischer Prozesse. FGM koppeln eine hydraulische Modellierung des Abflusses in Fließgewässern mit der eigentlichen Gütemodellierung. Darin sind sie eng verwandt mit Gütemodellen für Seen, die im Artikel III-5.2 „Komplexe dynamische Seenmodelle“ beschrieben werden. Der große Unterschied zur Seenmodellierung ist der Umstand, dass FGM biogeochemische Prozesse in abfließenden Wasserpaketen betrachten. Die einzelnen Wasserpakete sind dadurch weitgehend unabhängig voneinander (abgesehen von der Dispersion, s. Abschnitt 3.2). Zudem beträgt die Fließzeit dieser Wasserpakete selbst in großen Flüssen lediglich Tage bis wenige Wochen. Dadurch ist die Entwicklung der Wasserqualität in FGM meist sehr viel stärker von den Randbedingungen an den oberen Rändern abhängig als bei Seenmodellen. Ein Einfluss der zurückliegenden Wasserqualität ist in FGM über das Sediment möglich, welches durch die meist geringen Wassertiefen ganzjährig einen Effekt auf die Wasserqualität im Fließgewässer haben kann. Wie bei Seenmodellen können Fließgewässer dreidimensional oder in zwei- oder eindimensionaler Vereinfachung simuliert werden. Während dreidimensionale hydraulische Modelle oft eingesetzt werden, gibt es kaum Beispiele von dreidimensionalen Güterechnungen. Neben dem Rechenaufwand verhindern auch der große Bedarf an Messungen für Kalibrierung und Validierung der Modellergebnisse sowie der große Aufwand bei der Datenauswertung einen häufigeren Einsatz. Entsprechend wird in der Folge in erster Linie auf eindimensionale Modellanwendungen eingegangen, also auf Modelle, die eine räumliche Dimension in Fließrichtung und eine zeitliche Dimension umfassen. Die beschriebenen biogeochemischen Prozesse sind aber auf höherdimensionale Modelle übertragbar. In dem folgenden Artikel wird zunächst auf die Ziele (Abschnitt 2) sowie den grundsätzlichen Aufbau von FGM (Abschnitt 3) eingegangen, wobei die Abbildung biogeochemischer Prozesse in etwas größerer Tiefe beschrieben wird. Danach wird auf existierende Modellsoftware (Abschnitt 4) sowie praktische Empfehlungen zum Vorgehen bei deren Gebrauch (Abschnitt 5) eingegangen. Zur konkreten Anwendung folgen zwei Beispiele der Modelle QSim und AQUASIM (Abschnitt 6). Da dieser Artikel nur einen groben Überblick über FGM geben kann, wird zum Schluss auf weiterführende Literatur verwiesen, die zukünftige Modellanwender unterstützen kann.

In the city of Berlin combined sewer overflows (CSO) can lead to severe depressions in dissolved oxygen (DO) of receiving urban rivers and hence to acute stress for the local fish fauna. To quantify CSO impacts and optimize sewer management strategies, a model-based planning instrument has been developed. It couples the urban drainage model InfoWorks CS which simulates hydraulics and pollutant transport in the sewer with the river water quality model QSim which simulates hydraulics, mass transport and various biogeochemical processes in the receiving water body. To identify simulated CSO impacts, concentration-durationfrequency-thresholds for DO are applied to river model results via an impact assessment tool. Two kinds of impacts are distinguished: i) suboptimal conditions and ii) critical conditions for which acute fish kills are possible. In the case of Berlin, suboptimal conditions are observed on up to 92 days per year, predominantly during periods of low discharge and high temperatures whereas critical conditions only occur after CSO. For model calibration and validation, continuous measurements in both river and sewer are used. First simulations show good accordance between simulated and measured DO concentration in the river with Nash-Sutcliffe efficiencies between 0.70 and 0.79 for an eight-month time period at three different river monitoring points. However, to assure satisfactory model performance for adverse DO conditions in particular, impact assessment results for measured and simulated data are compared. Regarding suboptimal DO conditions simulated and measured data show good agreement. Nevertheless model representation for critical conditions is poor for some river sections and requires further improvement for CSO conditions. The results underline the importance of combining different validation approaches when dealing with complex systems.

Combined sewer overflows (CSO) impair the quality of urban surface waters around the world. Future change, in particular global warming, is expected to worsen the situation further in many urban areas. To improve the quality of urban surface waters, tools are needed to support decision makers in the assessment of CSO-related impacts and possible mitigation measures. Apart from finding solutions to current problems, it is important that these tools also allow the adaptation of these solutions to future change scenarios to be prepared for likely developments. The present report suggests a model-based planning instrument for the assessment of CSO impacts on receiving surface waters under different sewer management and climate change scenarios. The suggested planning instrument couples a sewer and a surface water model for which boundary conditions can be changed depending on the studied scenario. The simulated CSO impact is then analysed via a coupled impact-assessment tool. The selection of appropriate model approach, assessment guideline and scenarios depend on the local conditions regarding the sewer system, the surface water type and the relevant CSO impact. Accordingly, the report aims at giving a general overview of available models, assessment guidelines, as well as sewer management and change scenarios, which allows setting up a planning instrument for a wide range of local conditions. The present report serves as a step-by-step-manual for setting up an impactbased planning instrument for CSO control: 1. Assessment of possible impacts of CSO, depending on local receiving surface water bodies (chapter 2.1) 2. If this assessment shows the need for a planning instrument, sewer and surface water models should be selected depending on type of impact, type of sewer system and type of surface water body (chapters 2.2 and 2.3). 3. Selected models need to be run, validated and possibly calibrated separately and as coupled tools (chapter 2.4).4. Scenarios are defined consisting of (i) CSO management solutions, depending on impacts of CSO that should be mitigated and sewer system characteristics (chapter 3.2) and (ii) global or local change to be accounted for depending on the local situation (chapter 3.1). The instrument can be used to test sensitivity of CSO impacts to different scenarios or for concrete planning of measures, including cost (chapters 3.3 and 3.4). Use of the manual is exemplified in a case study for Berlin for each of the above steps. Application of the Berlin planning instrument will be demonstrated in Prepared Report D 1.3.2, due in February 2013.

The oxygen-consuming processes in the hypolimnia of freshwater lakes leading to deep-water anoxia are still not well understood, thereby constraining suitable management concepts. This study presents data obtained from 11 eutrophic lakes and suggests a model describing the consumption of dissolved oxygen (O2) in the hypolimnia of eutrophic lakes as a result of only two fundamental processes: O2 is consumed (i) by settled organic material at the sediment surface and (ii) by reduced substances diffusing from the sediment. Apart from a lake’s productivity, its benthic O2 consumption depends on the O2 concentration in the water overlying the sediment and the molecular O2 diffusion to the sediment. On the basis of observational evidence of long-term monitoring data from 11 eutrophic lakes, we found that the areal hypolimnetic mineralization rate ranging from 0.47 to 1.31 g ofO2 m-2 d-1 (average 0.90 ± 0.30) is a function of (i) a benthic flux of reduced substances (0.37 ± 0.12 g ofO2 m-2 d-1) and (ii) an O2 consumption which linearly increases with the mean hypolimnion thickness (zH)upto ~25 m. This model has important implications for predicting and interpreting the response of lakes and reservoirs to restoration measures.

The urban stretch of the River Spree is a regulated lowland-river, which is affected by a number of anthropogenic pressures, most notably impacts from combined sewer overflows (CSO) of the Berlin sewer system. Collected data show that occurrence of CSO can be detected in the river through a combination of continuous monitoring data, such as specific conductivity, ammonium (NH4), chemical oxygen demand and dissolved oxygen (DO). Comparison with stormwater guidelines indicates that drops in DO from CSO lead to regular problematic conditions for the fish fauna. In contrast, observed NH4 peaks never reach fish-toxic levels. Mitigation measures are currently implemented to reduce these negative impacts during storm events. The effect of past and potential future CSO measures can be studied with a model tool, which has been tested and is currently calibrated based on the above monitoring data.

The present study aimed at developing a universal method for the localization of critical source areas (CSAs) of diffuse nitrate (NO3-) pollution in rural catchments with low data availability. Based on existing methods, land use, soil, slope, riparian buffer strips and distance to surface waters were identified as the most relevant indicator parameters for diffuse agricultural NO3- parameters were averaged in a GIS-overlay to localize areas with low, medium and high risk of NO3- pollution. The five parameters were averaged in a GIS-overlay to localize areas with low, medium and high risk of NO3- pollution. A first application of the GIS approach to the Ic catchment in France, showed that identified CSAs were in good agreement with results from river monitoring and numerical modelling. Additionally, the GIS approach showed low sensitivity to single parameters, which makes it robust to varying data availability. As a result, the tested GIS-approach provides a promising, easy-to-use CSA identification concept, applicable for a wide range of rural catchments.