Adapting the water management to mitigate the impact of multiple stressors on an urban lake

dc.contributor.advisorHupfer, Michael
dc.contributor.advisorHinkelmann, Reinhard
dc.contributor.authorLadwig, Robert
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeHinkelmann, Reinhard
dc.contributor.refereeNützmann, Gunnar
dc.contributor.refereeHupfer, Michael
dc.contributor.refereeBoehrer, Bertram
dc.description.abstractUrban lakes are aquatic ecosystems that are influenced by a water management system and by a possibly strongly sealed urban catchment. The water management aims to fulfill multiple objectives: providing drinking water, sanitation and recreation for the people as well as keeping the ecosystem in a sustainable and resilient state. Urban lakes are facing several stressors. For instance, climate change will affect thermal characteristics of lakes, frequency and duration of rainfall events, inflow discharges as well as atmospheric circulation patterns (especially wind speed and wind direction). Urbanization will cause further morphological degradation and an increasing pressure to utilize urban freshwater resources. Consequences of these stressors could be eutrophication of the urban lake ecosystem causing the formation of harmful algal blooms, the settling of invasive species or the development of a legacy contamination in the sediment. An adaptive and sophisticated urban lake management system has the potential to mitigate the impacts of these stressors on the urban lake ecosystem to keep them in a sustainable and resilient state. The aim of this thesis is to explore the feedback mechanisms between Lake Tegel in Berlin, Germany, and its respective water management system. Lake Tegel's water management consists of a phosphorus elimination plant (PEP), which reduces the inflow's phosphate concentrations, a lake pipeline, which bypasses additional discharges to the PEP, and groundwater abstraction wells for bank filtration. This thesis covers a spectrum from past, present to future management measures by (1) analyzing the impact of past management measures by investigating the sediment composition, (2) current management measures by monitoring the lake water quality, and (3) future management measures by using numerical models. The sediment composition of Lake Tegel was examined by taking sediment cores at different sites and by comparing them with sediment cores from reference lakes. The cores were analyzed using X-ray fluorescence spectroscopy with high spatial resolution. Data were statistically evaluated by using principal component analysis (PCA), k-means clustering and self-organizing maps. To get frequent field data, a logger chain monitoring electrical conductivity, water temperature and dissolved oxygen was deployed at Lake Tegel's deepest site. Monitored data were used to explore limnophysical conditions of the stratification periods from 2017 until 2018. To project the impact of climate change on the lake system and to analyze alternative management measures, numerical models were calibrated and validated to Lake Tegel. A vertical 1D model (GLM-AED2) was used to explore the impact of climate change under different management setups on Lake Tegel's stratification stability, onset and offset as well as on the dynamics of dissolved oxygen and phosphate concentrations. A depth-averaged 2D model (open TELEMAC-MASCARET with EUTRO for water quality) was applied to compute water exchange times in dependence of the wind and to project the formation of phytoplankton blooms after short-duration heavy rainfall events under different management setups and wind directions. The results confirmed that Lake Tegel's sediment composition was spatially heterogeneous probably due to the management system and the flow dynamics. The strong impact of flow dynamics on potential sedimentation processes was also confirmed by the application of the depth-averaged 2D model. The past management measures were successful in reducing the abundance of heavy metals making Lake Tegel's recent sediment layers similar to the ones of a reference lake with low urban impact. The recent monitoring of Lake Tegel revealed the existence of vertical seiches in the periods 12 and 8 h, a weak stratification period in winter 2017/2018 and the existence of a proposed density current that originated from the PEP during the winter season and affected the bottom water heat and dissolved oxygen budget. The vertical 1D model projected that future water temperatures will increase and that the summer stratification will extend with earlier onset and later offset. Further, the additional water discharges by the PEP with low phosphorus loadings can buffer high nutrient loadings from the River Havel inflow and weaken the summer stratification stability, which could otherwise benefit the formation of harmful cyanobacteria blooms. Therefore, the PEP discharges and the corresponding low nutrient loadings are a positive factor to mitigate the impact of climate change on the Lake Tegel ecosystem. Computing the influence time distributions in dependence of wind direction using the depth-averaged 2D model clarified that under east-wind conditions, which intensify river intrusion into Lake Tegel, the influence times were the shortest. From the evaluation of the short-duration heavy rainfall scenarios it was recommended to reduce external nutrient loadings and to increase external discharges to mitigate the formation of phytoplankton blooms. The water quality of Lake Tegel is controlled by the wind stress and external inflows. Therefore, the hydrodynamics are quite complicated and result in heterogeneity regarding the sediment composition. Such 'run-of-the-river' systems can be managed by modifying external discharges even further to reduce the lake hydraulic residence time, to weaken summer stratification stability as well as to mitigate the formation of phytoplankton blooms. Nonetheless, an elimination of external nutrient loadings in the PEP is the most important management measure to keep Lake Tegel in a clear-water state. The existing management system structure at Lake Tegel seems to be crucial in sustaining the lake's good ecological state and water quality especially regarding the projected impact of climate change. The numerical simulations showed that deactivating the management measures would affect Lake Tegel in manifold ways. Without the nutrient-low PEP loadings and additional discharges by the lake pipeline phytoplankton blooms will occur more often during the summer period, which will affect turbidity and water temperatures. Eventually, the thermal stratification is modified promoting the formation of cyanobacteria blooms. Also, short-duration heavy rainfall events will promote phytoplankton growth when nutrient-low PEP discharges were absent. An active and adaptive lake management that utilizes the PEP as well as the lake pipeline can keep the Lake Tegel ecosystem in a good and sustainable state and prevent a regime shift towards a turbid phytoplankton-dominated state. Urban lakes are vulnerable aquatic ecosystems that have to be analyzed more thoroughly in the future to keep them in a sustainable and resilient state. Available and additional water quality and sediment quality data should be used to set up a sophisticated urban lake model solving the 3D Navier-Stokes equations coupled to a sediment diagenesis model. This will benefit the formulation of water management scenarios with focus on external nutrient loadings and their (potentially short) retention time in the lake system. Such a sophisticated urban lake model could then be used as part of an urban catchment model, which further incorporates river, wastewater treatment plant, groundwater, soil and urban runoff sub-models and can investigate future applied research questions regarding the urban 'Integrated Water Resources Management'.en
dc.description.abstractUrbane Seen sind aquatische Ökosysteme, welche durch ein Wasserbewirtschaftungssystem und ein möglicherweise stark versiegeltes, urbanes Einzugsgebiet beeinflusst werden. Mit der Wasserbewirtschaftung werden meist folgende Ziele verfolgt: die Bereitstellung von Trinkwasser, sanitäre Versorgung, die Nutzung der Seen als Erholungsgebiete für die Stadtbevölkerung und den Erhalt des Seenökosystems in einem nachhaltigen und belastbaren Zustand. Urbane Seen sind verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Der Klimawandel zum Beispiel wird die thermischen Eigenschaften der Seen, die Häufigkeit und Dauer von Niederschlagsereignissen, Zuflüsse und atmosphärische Zirkulationsmuster (insbesondere Windrichtung und -geschwindigkeit) beeinflussen. Urbanisierung kann eine weitere morphologische Beeinträchtigung der Seen und einen steigenden Nutzungsdruck bewirken. Konsequenzen dieser Stressfaktoren können die Eutrophierung des Seenökosystems mit Massenentwicklungen zum Teil toxischer Cyanobakterien, die Ansiedlung invasiver Arten oder die Anreicherung von Schadstoffen in den Sedimenten sein. Eine, an die jeweilige Situation angepasste, Bewirtschaftungsstrategie für urbane Seen kann den Einfluss dieser Stressfaktoren abschwächen und nachhaltig eine gute Wasserqualität sichern. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die jeweiligen Wechselwirkungen zwischen dem Tegeler See in Berlin, Deutschland, und seinem Wasserbewirtschaftungssystem zu untersuchen. Die Wasserbewirtschaftung am Tegeler See besteht im Wesentlichen aus einer Oberflächenwasseraufbereitungsanlage (OWA), welche die Phosphorkonzentrationen im Zufluss reduziert, einer Seenleitung, welche zusätzliche Wassermengen dem Zufluss zuführen kann, und Grundwasserbrunnen, welche ein Gemisch aus See- und Grundwasser zur Trinkwassergewinnung fördern. Die vorgelegte Arbeit spannt dabei einen Bogen von der Vergangenheit über die Gegenwart bis hin in die Zukunft. Die Vorgehensweise bestand darin, (1) die Wirkung von früheren Maßnahmen durch Sedimentkernuntersuchungen zu rekonstruieren, (2) den Einfluss aktueller Maßnahmen mittels eines erweiterten Monitorings zu erfassen und (3) mittels numerischer Modelle geeignete Maßnahmen unter zukünftigen Klima- und Belastungsszenarien in ihrer Wirkung zu beschreiben. Um aktuelle und frühere stoffliche Belastungen anhand von Sedimentprofilen zu erkenne, wurden Sedimentkerne an verschiedenen Stellen des Tegeler Sees entnommen und diese mit Sedimentkernen von Referenzseen verglichen. Die Sedimentkerne wurden dazu räumlich mittels hochaufgelöster Röntgenfluoreszenzspektroskopie analysiert. Zur statistischen Auswertung wurden die Hauptkomponentenanalyse (PCA), k-means Clusteranalyse und selbstorganisierende Karten verwendet. Um zeitlich hochaufgelöste Freilanddaten zu erhalten, wurde eine Datenloggerkette an der tiefsten Stelle des Tegeler Sees installiert, welche die elektrischen Leitfähigkeiten, Wassertemperaturen und gelösten Sauerstoffkonzentrationen misst. Die aufgezeichneten Daten wurden zur Analyse limnophysikalischer Bedingungen während der Schichtungsperioden 2017 bis 2018 verwendet. Für Prognosen zu den Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsmaßnahmen unter zukünftigen Klimabedingungen wurden numerische Modelle am Tegeler See kalibriert und validiert. Ein vertikales 1D-Modell (GLM-AED2) wurde zur Untersuchung des Einflusses des Klimawandels unter verschiedenen Bewirtschaftungsansätzen auf das Schichtungsverhalten sowie die jahreszeitlichen Dynamiken von Sauerstoff- und Phosphatkonzentrationen des Tegeler Sees eingesetzt. Ein tiefengemitteltes 2D-Modell (open TELEMAC-MASCARET gekoppelt mit EUTRO für die Wasserqualität) wurde verwendet, um Wasseraustauschzeiten in Abhängigkeit des Windes zu berechnen und um die Entwicklung des Phytoplanktons nach kurzzeitigen Starkregenereignissen unter verschiedenen Bewirtschaftungsansätzen und Windrichtungen zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Sedimentzusammensetzung am Tegeler See aufgrund der Wasserbewirtschaftung und der Fließdynamik räumlich stark heterogen ist. Der starke Einfluss der Fließdynamik auf mögliche Sedimentationsprozesse wurde auch von dem tiefengemittelten 2D-Modell bestätigt. Der Erfolg von früheren Bewirtschaftungsmaßnahmen war in einer Verringerung der Schwermetallgehalte im Sediment erkennbar, sodass die rezenten Sedimentschichten des Tegeler Sees ähnlich zu denen eines wenig beeinflussten Referenzsees sind. Die Datenaufzeichnung am Tegeler See hat die Existenz von vertikalen Seiches mit Perioden von 12 und 8 h, eine schwach ausgeprägte Schichtung im Winter 2017/2018 und das Vorhandensein eines vermuteten Dichtestroms belegt, welcher durch den Betrieb der OWA während des Winters entsteht und die Tiefenbilanz von Wärme und Sauerstoff beeinflussen kann. Das vertikale 1D-Modell zeigte, dass zukünftige Wassertemperaturen ansteigen werden und die Sommerschichtungsperiode sich verlängern wird. Ebenfalls wird die zukünftige Sommerschichtung früher beginnen und später enden. Die zusätzlichen Abflüsse der OWA sowie die Phosphoreliminierung sind in der Lage, die hohe Nährstoffzufuhr über die Havel zu vermindern. Außerdem wird die Stabilität der Sommerschichtung verringert, sodass die Gefahr der Bildung von Cyanobakterienblüten abnimmt. Daher stellen die OWA-Zuflüsse einen positiven Faktor zur Abschwächung der Folgen des Klimawandels auf das Seenökosystem des Tegeler Sees dar. Die Berechnung der räumlichen Verteilung von Wasseraustauschzeiten in Abhängigkeit der Windrichtung mittels des tiefengemittelten 2D-Modells belegte, dass bei Ostwind die Einmischung von Flusswasser in den Tegeler See am stärksten, dafür aber auch die Einflusszeiten am kürzesten sind. Des Weiteren waren die Reduktion externer Nährstoffe sowie eine Erhöhung der Zuflussmengen geeignete Bewirtschaftungsstrategien, um die Bildung von Phytoplanktonblüten nach Starkregenereignissen zu vermeiden. Der Wasserqualität des Tegeler Sees wird durch den Wind und externe Zuflüsse stark beeinflusst. Daraus ergibt sich eine komplizierte hydrodynamische Situation am Tegeler See, welche auch an der heterogenen Sedimentverteilung erkennbar ist. Diese durch überwiegend externe Zuflüsse kontrollierten Seensysteme können durch die Bewirtschaftung der Zuflüsse weiter gesteuert werden, zum Beispiel durch die Verringerung der hydraulischen Wasseraufenthaltszeit sowie der Abschwächung der Sommerschichtung und der daraus folgenden Verhinderung von Phytoplanktonblüten. Dennoch bleibt die wichtigste Bewirtschaftungsmaßnahme die externe Nährstoffreduktion in der OWA, um den Tegeler See in einem Klarwasserzustand zu erhalten. Das bestehende Wasserbewirtschaftungssystem am Tegeler See erscheint geeignet zu sein, um das Seenökosystem in einem guten ökologischen Zustand mit guter Wasserqualität, insbesondere in Hinsicht auf bevorstehende Konsequenzen des Klimawandels, zu erhalten. Die Modellierungen zeigten, dass ein Wegfallen der Bewirtschaftungsmaßnahmen den Tegeler See vielfältig beeinflussen kann. Ohne die nährstoffarmen OWA-Zuflüsse und zusätzlichen Abflüsse durch die Seenleitung bildeten sich auf lange Sicht im Sommer vermehrt Phytoplanktonblüten, welche die Trübung sowie die Wassertemperaturen beeinflussen und die thermische Schichtung verstärken, was wiederum Cyanobakterienblüten begünstigen würde. Ebenso würden die kurzfristigen Auswirkungen von Starkregenereignissen ohne die nährstoffarmen OWA-Zuflüsse die Bildung von Phytoplanktonblüten begünstigen. Eine aktive und an die jeweilige Situation angepasste Seenbewirtschaftung, insbesondere durch Nutzung der OWA und der Seenleitung, kann den Tegeler See und die Wasserqualität in einem guten und nachhaltigen Zustand belassen und einen erneuten Regimewechsel hin zur Phytoplanktondominanz mit geringer Sichttiefe vermeiden. Urbane Seen sind besonders gefährdete aquatische Ökosysteme, welche in der Zukunft detaillierter und sorgfältiger analysiert werden sollten, um sie in einem nachhaltigen und belastbaren Zustand zu erhalten. Vorhandene und zu erhebende Daten zur Wasser- und Sedimentqualität sollten für die Formulierung eines urbanen Seenmodells genutzt werden, welches die dreidimensionalen Navier-Stokes Gleichungen mit einem Sedimentdiagenesemodell koppelt. Dieses gekoppelte Modell sollte zur Simulation von Bewirtschaftungsszenarien mit Fokus auf der externen Nährstoffzufuhr und der (meist kurzen) Aufenthaltszeit verwendet werden. Ein solches Modell für urbane Seen kann dann als Teil eines Gesamtmodells für das gesamte urbane Einzugsgebiet einschließlich Fluss-, Kläranlagen, Grundwasser-, Boden- und Abflussmodellen genutzt werden, welches in der Lage ist, angewandte Fragen hinsichtlich des urbanen 'Integrierten Wasserressourcenmanagements' zu
dc.description.sponsorshipDFG, GRK 2032/1, Urban Water Interfaces (UWI)en
dc.subject.ddc518 Numerische Analysisde
dc.subject.ddc551 Geologie, Hydrologie, Meteorologiede
dc.subject.otherLake Tegelen
dc.subject.otherurban lake managementen
dc.subject.othersediment compositionen
dc.subject.otherclimate change impactsen
dc.subject.otherGeneral Lake Modelen
dc.subject.otheropen TELEMAC-MASCARETen
dc.subject.otherTegeler Seede
dc.subject.otherurbane Seenbewirtschaftungde
dc.titleAdapting the water management to mitigate the impact of multiple stressors on an urban lakeen
dc.title.subtitlecase study Lake Tegel, Germanyen
dc.title.translatedAdaptive Wasserbewirtschaftungsstrategien zur Abschwächung des Einflusses multipler Stressfaktoren auf einen urbanen Seede
dc.title.translatedsubtitleFallstudie Tegeler Seede
dc.typeDoctoral Thesisen
tub.affiliationVerbundforschung::Graduiertenkollegs (GRK)::GRK 2032 - UWIde
tub.affiliationFak. 6 Planen Bauen Umwelt::Inst. Bauingenieurwesen::FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierungde
tub.affiliation.facultyFak. 6 Planen Bauen Umweltde
tub.affiliation.groupGRK 2032 - UWIde
tub.affiliation.groupFG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierungde
tub.affiliation.instituteGraduiertenkollegs (GRK)de
tub.affiliation.instituteInst. Bauingenieurwesende
tub.publisher.universityorinstitutionTechnische Universität Berlinen


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