Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8613
Main Title: Effects of bank filtration on lake ecosystems
Translated Title: Effekte von Uferfiltration auf See-Ökosysteme
Author(s): Gillefalk, Mikael
Advisor(s): Hilt, Sabine
Referee(s): Gessner, Mark
Soulsby, Christopher
Hilt, Sabine
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: With ongoing population growth and increasing urbanisation the pressure on urban water bodies increases. In 2015 four billion people, more than half of the world’s population, lived in cities. The task to provide them with safe drinking water is massive. In case of severe pollution the production of drinking water using surface water can be risky and expensive. The preferred raw water source is therefore groundwater. But groundwater resources are often scarce; groundwater depletion is increasing every year with consequences like salt water intrusion, soil surface subsidies and loss of wetlands. Many methods therefore exist to recharge the groundwater aquifer, each of them with advantages and disadvantages. One of the techniques is induced bank filtration (IBF), used worldwide for more than a century. When installing and operating groundwater wells close to a surface water body, the groundwater level drops below the surface water level and infiltration is induced. The water passage through the sediment and the subsurface provides a cost-efficient pre-treatment step for drinking water production. IBF is therefore widespread and expected to increase in the future. Existing research has focussed on the purification efficiency and abstraction capacity of IBF, while no studies investigated the ecological effects of IBF on surface water bodies. The aim of this thesis was to analyse the potential effects of IBF on surface water bodies, primarily lakes, by (1) developing a concept based on an extensive literature review, (2) a modelling study testing different scenarios of IBF effects on shallow lake ecosystems and (3) a field and laboratory study of the sediment quality in an urban lake affected by IBF and its effects on benthic primary producers. The model study was performed using the shallow lake ecosystem model PCLake and investigated the effects of IBF by focussing on five mechanisms: 1) Loss of CO2 inflow via groundwater, 2) Loss of nutrient inflow via groundwater, 3) Increase in seasonal temperature variation, 4) Increase in sedimentation rate and 5) Increase in sediment oxygen penetration depth. In addition, the impact of lake size and depth on the effect size was investigated. For the field and laboratory study sediment cores were collected from the urban Lake Müggelsee, at six locations with expected high impact of IBF and six locations with expected low impact of IBF. The sediments were analysed for grainsize distribution, organic matter content, phosphorus availability, total phosphorus and heavy metals. They were also used in a growth experiment to study if changes to the sediment characteristics by IBF would affect the growth of periphyton and submerged macrophytes. Numerous potential effects of IBF, categorized into physical, chemical and biological effects, were identified from available literature. Effects on very large rivers were thought to be small or negligible while effects on lakes and slow flowing lowland rivers were expected to be potentially adverse. By interrupting the groundwater seepage, IBF would at the same time interrupt CO2 and nutrient inflow via groundwater, increase seasonal temperature variation and the retention times in lakes. In extreme cases, extensive pumping could significantly lower lake water tables and streamflow. Many of the potential effects identified during the literature study could be tested in the modelling study. The results showed that the impact of IBF on shallow lake ecosystems was mainly caused by interrupting groundwater seepage. Increased summer water temperatures promoted cyanobacteria blooms and the loss of CO2 inflow via groundwater reduced macrophyte growth and promoted turbid states in lakes. This was true for most of the tested scenarios. In a few cases, when in the initial state groundwater CO2 concentrations were low and nutrient concentrations were high, IBF interrupted nutrient loading via groundwater, reduced phytoplankton growth and promoted a clear-water state. The net effect of IBF impact on sedimentation rate and oxygen penetration depth resulted in higher phosphorus binding in the sediment, but the effect was small. The field and laboratory study revealed that sediments from locations with a high impact of IBF had higher phosphorus availability and iron content. Submerged macrophytes grew slower in those sediments while no significant difference in periphyton growth could be observed. It can be concluded that IBF can have significant effects on lake ecosystems that need to be taken into account when applying the technique. The thesis helps to identify which water bodies are suitable for IBF and when alternatives should be considered. One such alternative is aquifer storage transfer and recovery that has the ability to provide groundwater recharge for drinking water production while still maintaining groundwater seepage into water bodies. Future research should expand to effects of IBF on rivers and deep lakes, and empirical studies should include effects of the loss of CO2 inflow in littoral zones and changing redox conditions in littoral sediments. Ultimately, this knowledge will ensure a sustainable use of IBF, economically as well as ecologically.
Mit dem anhaltenden Bevölkerungswachstum und der zunehmenden Urbanisierung nimmt der Druck auf urbane Gewässer zu. Im Jahr 2015 lebten vier Milliarden Menschen, mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung, in Städten. Die Aufgabe, sie mit sauberem Trinkwasser zu versorgen, ist gewaltig. Die Trinkwassergewinnung mit Oberflächenwasser kann, besonders bei starker Verschmutzung, riskant und teuer sein. Die bevorzugte Rohwasserquelle ist daher das Grundwasser. Die Grundwasser-ressourcen sind jedoch oft begrenzt und die Grundwasserverarmung nimmt von Jahr zu Jahr zu, mit weitreichenden Folgen wie Salzwassereinbrüchen, Landsenkungen und Verlust von Feuchtgebieten. Zur Wiederauffüllung des Grundwasserleiters stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, die jedoch diverse Vor- und Nachteile aufweisen. Eine seit mehr als einem Jahrhundert weltweit eingesetzte Technik ist die induzierte Uferfiltration (IBF). Durch den Betrieb von Grundwasserbrunnen in der Nähe eines Oberflächenwasserkörpers wird der Grundwasserspiegel unter den Oberflächenwasserspiegel gesenkt und eine Infiltration ausgelöst. Der Wasserdurchgang durch das Sediment und den Untergrund stellt einen kostengünstigen Vorbehandlungsschritt für die Trinkwassergewinnung dar. Zahlreiche Studien befassen sich mit der Effektivität dieser Technik, für die in Zukunft eine weiter verbreitete Anwendung erwartet wird. Untersuchungen zu den ökologischen Auswirkungen von IBF auf Oberflächengewässer fehlten jedoch bisher. Ziel dieser Arbeit war es, die potenziellen Auswirkungen von IBF auf Oberflächen-gewässer, vor allem auf Seen, zu analysieren. Dazu wurden 1) ein Konzept auf Basis einer umfangreichen Literaturrecherche entwickelt, 2) verschiedene Szenarien mithilfe eines adaptierten Ökosystemmodells für Flachseen gemäßigter Breiten getestet sowie 3) Feld- und Laboruntersuchungen zum Einfluss von IBF auf die Sediment-Qualität und das Wachstum benthischer Primärproduzenten am Beispiel eines seit 100 Jahren für IBF genutzten Sees durchgeführt. Mithilfe des etablierten Ökosystemmodells PCLake, das für Flachseen entwickelt und validiert wurde, konnten verschiedene Kombinationen von fünf Mechanismen getestet werden: 1) Verringerung der Verfügbarkeit an freiem CO2 durch verringerten Grundwasserzufluss, 2) Verringerung des Nährstoffeintrags über das Grundwasser, 3) Erhöhung saisonaler Temperaturschwankungen durch verringerten Grundwasserzufluss, 4) Erhöhung der Sedimentationsrate von Partikeln und 5) Erhöhung der Eindringtiefe von Sauerstoff in das Sediment. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Seegröße und -tiefe auf den IBF Effekt untersucht. Im Rahmen der Feld- und Laboruntersuchung wurden Sedimentkerne aus dem Müggelsee (Berlin) mit und ohne Einfluss von IBF auf Korngrößenverteilung, Gehalt an organischer Substanz, Phosphorverfügbarkeit, Gesamtphosphor und Schwermetallen analysiert. Anschließend wurde in einem Wachstumsexperiment untersucht, ob Änderungen der Sedimentmerkmale durch IBF das Wachstum von Periphyton und submersen Makrophyten beeinflussen. Die Auswirkungen von IBF auf große Flüsse wurden als klein oder vernachlässigbar angesehen, während Seen und langsam fließende Tieflandflüsse negativ beeinflusst werden können. Die Auswirkungen von IBF auf Flachseen sind hauptsächlich auf die Unterbrechung des Grundwasserzuflusses zurückzuführen. Diese führen zu erhöhten Wassertemperaturen im Sommer und fördern damit das Auftreten von Cyanobakterien-Blüten. Der Verlust des Zuflusses an freiem CO2 über das Grundwasser reduziert das Makrophytenwachstum und fördert den trüben, Phytoplankton-dominierten Zustand in Flachseen. Dies galt für die meisten der getesteten Szenarien. In einigen Fällen, wenn die CO2-Konzentration des Grundwassers niedrig und die Nährstoffkonzentrationen hoch waren, trug IBF dazu bei, die Nährstoffbelastung und das Phytoplanktonwachstum zu reduzieren und den klaren Zustand zu fördern. Der Nettoeffekt der IBF-Auswirkung auf die Sedimentationsrate und die Sauerstoffeindringtiefe führte zu einer höheren Phosphorbindung im Sediment, aber der Effekt war gering. Die Feld- und Laborstudien zeigten, dass Sedimente von Standorten mit hohem Einfluss von IBF eine höhere Phosphorverfügbarkeit und einen höheren Eisengehalt aufweisen. Das Wachstum submerser Makrophyten auf diesen Sedimenten war verringert, während kein signifikanter Unterschied im Periphyton-Wachstum auftrat. Es wird geschlussfolgert, dass IBF signifikante Effekte auf Gewässer-Ökosysteme haben kann, die bei der Anwendung der Technik berücksichtigt werden müssen. Die Studien helfen zu ermitteln, welche Gewässer für IBF geeignet sind und wann Alternativen in Betracht gezogen werden sollten. Eine dieser Alternativen ist Grundwasser-anreicherung, die in der Lage ist, die Grundwasserneubildung für die Trinkwasser-gewinnung bereitzustellen und gleichzeitig das Eindringen von Grundwasser in die Gewässer zu erhalten. Die zukünftige Forschung sollte auf die Wirkung von IBF auf Flüsse und tiefe Seen ausgedehnt werden sowie empirische Untersuchungen zum CO2-Verlust im Litoral und veränderte Redoxbedingungen in Sedimenten umfassen. Langfristig sollte das Wissen eine nachhaltige Nutzung von IBF, sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch, ermöglichen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9565
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8613
Exam Date: 19-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 12-Jul-2019
DDC Class: 577 Ökologie
551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): bank filtration
macrophytes
surface water-groundwater interaction
lake
sediment
Ufer-Filtration
Makrophyten
Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen
See
Sediment
Sponsor/Funder: DFG, GRK 2032/1, Urban Water Interfaces (UWI)
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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