title: Urban point sources in rural headwater catch-ments: new insights into nutrient sources and fluxes
Creators: name: Spill, Caroline
Publisher: name: KOBRA Universität Kassel
Year: 2025
Subjects: subject: Wasserqualität
subject: hochaufgelöste Daten und Modellierung
classificationCode: 620
subject: 620
classificationCode: Abwasserreinigung
subject: Abwasserreinigung
classificationCode: Nitrate
subject: Nitrate
classificationCode: Wasserherkunftsgebiet
subject: Wasserherkunftsgebiet
classificationCode: Wassergüte
subject: Wassergüte
classificationCode: Nährstoffkreislauf
subject: Nährstoffkreislauf
classificationCode: Modellierung
subject: Modellierung

description: <p>The excessive anthropogenic input of nutrients and the associated negative consequences for aquatic ecosystems is still a global issue. Research increasingly shifts the focus to the cumulative contribution of headwater catchments to the total nutrient load of downstream river sections. However, as these small catchments are under-represented in official monitoring campaigns, little research has been carried out to investigate their water quantity and quality dynamics. There has been also little focus on the influence of small urban point sources, such as small wastewater treatment plants (WWTPs) or combined sewer overflows (CSOs), which can be found in large number in urban agglomerations.
The aim of this study is to gain a better understanding of how WWTPs and CSOs in rural areas can influence the nutrient composition and dynamics of small water bodies. To this end, a comprehensive monitoring programme was developed in a catchment influenced by point sources. In addition to the statistical evaluation of the collected data, this study also includes the modelling of nutrient transport processes with the physically based catchment model ZIN-AgriTra.
The WWTP causes an abrupt change in the nutrient composition of the stream, with a sharp increase in the two nutrients typical of wastewater, ammonium and ortho-phosphorus. Effluent discharge volumes and nutrient concentrations vary greatly over the course of the year, which is driven by external factors, mainly by rainfall events and groundwater infiltration into the sewer system. Due to the low dilution potential of the stream, wastewater in the total discharge can sometimes exceed 50%. As a result, the nutrient dynamics in the water body are dominated by the wastewater, overriding the predominantly chemostatic signal of the catchment. This also has consequences for the retention of in-stream nutrients, which are transformed more slowly.
During rainfall events, sealed urban areas and the rapid transport of water via the sewer system, increase the hydraulic response time of the whole catchment. Particularly during wet winter periods, and prolonged summer rainfalls, untreated wastewater is discharged into streams via CSOs. This shifts the transport of nutrients in favour of rainfall events, during which high loads are exported.
The ZIN-AgriTra model shows potential for modelling nutrient transport and transformation processes with a high temporal resolution, even with little measured data. Again, point sources have a significant influence on model performance and should always be considered. Due to the lack of measured data, direct integration into the modelling concept could be a beneficial solution.
The results from this study improve the understanding and raise the awareness of the wide range of impacts that point sources can have on small water bodies. However, to make generalisations and to assess the cumulative impact on a greater scale, further case studies are needed, since the characteristics of (headwater-) catchments and point sources can vary widely.</p>
description: <p>Der anthropogene Eintrag von Nährstoffen und die damit verbundenen negativen Folgen für aquatische Ökosysteme ist trotz zahlreicher gegensteuernder Maßnahmen ein bestehendes Problem. Der wenig erforschte, akkumulierte Beitrag von Quelleinzugsgebieten zur Gesamtnährstoffbelastung stromabwärts gelegener Flussabschnitte rückt dabei immer mehr in den Fokus der Wissenschaft. Ebenso wenig erforscht ist in diesem Zusammenhang der Einfluss von kleinen urbanen Punktquellen, die in großer Anzahl überall dort anzutreffen sind, wo Siedlungsstrukturen auftreten. Das Ziel dieser Studie ist daher ein besseres Verständnis davon zu erlangen wie Kleinkläranlagen und Mischwasserüberläufe die Nährstoffzusammensetzung und -dynamiken in einem kleinen Gewässer beeinflussen können. Dazu wurde ein umfassendes Monitoringprogramm in einem durch Punktquellen beeinflussten Quelleinzugsgebiet entwickelt. Neben der statistischen Auswertung der gesammelten Daten umfasst diese Studie auch die Modellierung der Nährstofftransportprozesse mit dem physikalisch basierten Einzugsgebietsmodell ZIN-AgriTra.
Die Kläranlage verursacht im Untersuchungsgebiet eine abrupte Veränderung der Nährstoffzusammensetzung im Gewässer, mit einem starken Anstieg der beiden abwassertypischen Nähstoffe Ammonium und ortho-Phosphor. Volumen und Nährstoffzusammensetzung des Kläranlagenablaufs unterscheiden sich dabei stark im jahreszeitlichen Verlauf. Dies ist durch externe Faktoren wie Niederschlagswasser, aber auch durch das Eindringen von Grundwasser in die Kanalisation begünstigt. Durch das geringe Verdünnungspotential des Gewässers übersteigt der Anteil vom Abwasser am Gesamtabfluss zeitweise 50%. Als Folge sind die Nährstoffdynamiken im Gewässer abwasserdominiert und überlagern das vornehmlich chemostatische Signal des Einzugsgebiets. Dies hat auch negative Konsequenzen für den Nährstoffrückhalt im Gewässer. Während Niederschlagsereignissen erhöhen versiegelte Siedlungsflächen und der schnelle Transport von Wasser über die Kanalisation die hydraulische Antwortzeit des gesamten Einzugsgebietes. Insbesondere wahrend langanhaltenden Niederschlägen wird unbehandeltes Abwasser über die Mischwasserentlastung in das Gewässer entlassen. Der Transport von Nährstoffen verlagert sich dabei zugunsten von Niederschlagsereignissen, während denen hohe Frachten exportiert werden. Das Modell ZIN-AgriTra zeigt Potential auch mit wenig Messdaten Nährstofftransport- und Nährstofftransformationsprozesse mit hoher zeitlicher Auflösung abzubilden. Die Punktquellen haben dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Modellperformance.
Die Daten dieser Studie verbessern das Verständnis und sensibilisieren für die weitreichenden Einflüsse, die Punktquellen auf Kleingewässer haben können. Aufgrund der variablen Eigenschaften von Quelleinzugsgebieten und Punktequellen sind jedoch weitere Fallstudien notwendig, um verallgemeinerte Aussagen treffen und den kumulativen Einfluss mehrerer belasteter Gebiete einschätzen zu können.</p>