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Zwahlen, François
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Zwahlen, François
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francois.zwahlen@unine.ch
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- PublicationAccès libreWater and contaminant fluxes at the stream-groundwater-interface(2009)
; Les cours d’eaux et eaux souterraines sont par nature connectés. Sous des climats tempérés, par exemple, l’écoulement des eaux souterraines dans les rivières fourni le flux de base composant le débit du cours d’eau. Les eaux souterraines alimentent les rivières lors des périodes sèches et sont pour cette raison cruciales pour maintenir les écosystèmes aquatiques et les zones humides. Les échanges entre eau souterraine et rivières régulent le transport des contaminants entre ces deux compartiments hydrologiques. Dans ce travail, nous avons étudié la répartition spatiale des apports en eau souterraine vers les rivières et le transport de contaminants organiques, des eaux souterraines et des sédiments, vers les rivières. Premièrement, nous nous sommes concentrés sur le développement d’un outil qui puisse décomposer la répartition spatiale des apports en eau souterraine, à une échelle métrique ou submétrique, mais avec un étendue qui couvre une section de rivière jusqu’à plusieurs centaines de mètres de long. Nous avons utilisé la technique de cartographie des températures du lit des rivières. Cette approche utilise le gradient existant entre les eaux souterraines (dont les températures restent pratiquement constantes durant l’année) et les cours d’eaux (dont les températures varient de façon saisonnière) pour quantifier les apports en eau souterraine. Les températures des cours d’eau peu profonds peuvent être suivies de façon temporelle, relativement facilement et à moindre coût sur une centaine d’emplacements le long d’une section de rivière. Nous avons supposé que les températures de lit cartographiées peuvent être reliées de façon quantitave aux apports en eau souterraine en applicant l’équation chaleur-diffusion-advection. L’hypothèse clé de l’approche cartographique est que les températures du lit sont exclusivement influencées par les apports en eau souterraine et ne sont pas perturbées par les variations diurnes de température à la surface, qui se propagent dans le lit. Nous avons évalué cette hypothèse pour les températures du lit de la rivière Pine, Ontario, Canada. Dans les conditions où la rivière est alimentée par la nappe, les variations diurnes de température sont negligeables à une profondeur de 0.2 mètres en dessous la surface du lit. Quand les eaux de surface s’infiltrent, le signal de température se propage en profondeur et la température du lit ne sera plus complètement indépendante des variations diurnes de température. Cependant, dans les conditions où la rivière est alimentée par la nappe un état quasi stable s’applique, par rapport à des variations diurnes de température. Pour améliorer la robustesse de la méthode de cartographie des températures du lit des rivières, nous avons mesuré simultanément les températures du lit à cinq profondeurs en utilisant une sonde de température multi-profondeur, récemment construite. A la différence d’une cartographie des températures à une seule profondeur uniforme, un profil de température composé de cinq mesures est obtenu. Par conséquent, le flux d’eau estimé devient moins sensible aux potentielles influences des variations diurnes de température et aussi moins sensible à des erreures aléatoires, puisque l’estimation s’appuie sur cinq mesures de température au lieu d’une seule. Cette technique a été appliquée à deux petits cours d’eau d’Allemagne : le Schachtgraben situé dans la zone industrielle de Biterrfeld-Wolfen et le Schaugraben dans une zone rurale du nord de l’Allemagne. Les longueurs étudiées étaient respectivement de 220 m et 750 m. Sur tous les sites étudiés, les apports d’eau souterraine étaient distribués de façon hétérogène à travers la surface du lit. Sur le site du Schachtgraben, environ 20% de la surface du lit contribue à 50% de l’apport total d’eau souterraine. Le Schachtgraben est situé dans la zone industrielle de Bitterfeld-Wolfen. Cette région est l’un des plus vieux centre industriel d’Allemagne et est caractérisée par une contamination régionale de l’aquifère provenant de sources multiples. Les chlorobenzènes sont les polluants majeurs des eaux souterraines sur le secteur étudié. Puisque le Schachtgraben est un cours d’eau alimenté par les eaux souterraines, les contaminants trouvés dans l’aquifère peuvent aussi être détectés dans le cours d’eau. Le site d’étude est caractérisé par une contamination diffuse des eaux souterraines. Les eaux souterraines s’écoulant dans le Schlachtgraben, il y a un flux de contaminants depuis les eaux souterraines vers le cours d’eau. Sur le site du Schachtgraben, les eaux souterraines n’ont pas été les seules sources de contaminants pour le cours d’eau. Les concentrations dans les sédiments du lit sont approximativement d’un ordre de grandeur supérieures à celles observées dans les eaux souterraines. Le les sédiments du lit de la rivière contribue donc au flux de contaminants dans des proportions significatives. Le déversement d’eaux usées non traitées dans le Schachtgraben provenant des industries chimiques proches, jusque dans le début des années 1990, a sévèrement contaminé le lit du cours d’eau. Depuis nous supposons que le gradient de concentration s’est inversé et les flux de contaminants sont maintenant dirigés depuis le lit vers le cours d’eau. Etudiant le rôle des sédiments du lit de la rivière comme source de contaminants, nous avons émis l’hypothèse que le processus de transport est l’advection d’eau à travers le lit. Nous avons calculé les flux de masse basés sur le taux d’écoulement d’eaux souterraines et des concentrations aqueuses des isomères de monochlorobenzene (MCB) et dichlorobenzene (DCB) dans les sédiments du lit. De plus, pour obtenir des estimations robustes des concentrations moyennes des contaminants, des capteurs passifs (intégrateurs temporels) ont été installés dans le lit de la rivière dans des zones de fort et faible apports d’eau souterraine. Les sédiments du lit des rivières sont caractérisés par une masse résiduelle considérable de MCB qui reste piégée, bien que la désorption a continué durant plus de 10 ans. Une expérience en colonne menée à des flux réels, configurés pour être dans la gamme des grandeurs observées des apports d’eau souterraine, a montré que la désportion en masse est négligeable. Des prédictions à long terme de la réduction de la pollution ont montré que pour enlever 50 % de la masse résiduelle de MCB il faudra des décennies voire même des siècles., Flüsse und Grundwasser stehen hydraulisch fast immer in Kontakt. In gemäßigten Klimaten bildet der räumlich verteilte Grundwasserzustrom letzlich den Basisabluss der Flüsse. In Trockenperioden trägt der Grundwasserzustrom entscheidend zum Abfluss bei und erhält somit aquatische Ökosysteme und Feuchtgebiete entlang der Flüsse. Durch Wasserflüsse zwischen Grund- und Oberflächenwasser wird auch der Transport von Schadstoffen zwischen diesen beiden Kompartimenten gesteuert. In dieser Arbeit haben wir die räumlichen Muster des Grundwasserzustroms in Flüsse und den Transport organischer Schadstoffte von Grundwasser in das Oberflächenwasser untersucht. Zunächst entwickelten wir eine Methode mit der die räumlichen Muster des Grundwasserzustroms auf der Skala von Metern oder wenn nowendig auch darunter für Flussabschnitte von mehreren hundert Metern Länge aufgelöst werden können. Flussbetttemperaturen können sehr einfach kartiert werden. Man nutzt den natürlichen Temperaturgradienten zwischen Grundwasser (mit fast konstanter Temperatur) und Flusswasser dessen Temperatur jahreszeitlich schwankt, um den Grundwasserzustrom zu bestimmen. Flussbetttemperaturen können einfach und kostengünstig an hunderten Punkten entlang eines Flussabschnittes gemessen werden. Mittels der Wärme-Diffusions-Advektionsgleichung können aus den kartierten Flussbetttemperaturen die Darcy-Geschwindigkeiten des Grundwasserzustroms berechnet werden. Die Grundannahme dieser Methode ist, dass die Flussbetttemperaturen ausschließlich eine Funktion der Fließgeschwindigkeiten sind und nicht durch tägliche Temperaturschwankungen im Fluss, die sich in das Flussbett fortsetzen, beeinflusst werden. Diese Grundannahme wurde am Pine River, Ontario, Kanda überprüft. Die Resultate zeigen, dass wenn Grundwasser zuströmt die täglichen Temperaturschwankungen bei 0,2 m unter der Flussbettoberfläche vernachlässigbar werden. Wenn Flusswasser infiltriert, dringen die oberflächlichen Temperaturschwankungen tiefer in das Sediment ein. Letztendlich konnten wir nachweisen, dass wenn Grundwasser zuströmt, die Flussbetttemperaturen praktisch unbeinflusst von täglichen Temperaturschwankungen sind. Um die Robustheit der Methode der Temperaturkartierung noch zu verbessern, wurde eine neu-entwickelte Temperatursonde eingesetzt. Mit dieser wurden die Temperaturen simultan in fünf verschiedenen Tiefen im Flussbett gemessen. Im Gegensatz zur ursprünglichen Methodik, wo die Temperaturen in der gleichen, einheitlichen Tiefe gemessen wurden, wird hier ein Temperaturprofil gemessen. In der verwendeten Konfiguration befindet sich der tiefste Messpunkt in 0,5 m Tiefe. Der Vorteil der Messung eines Temperaturprofils liegt darin, dass die berechnete Fließgeschwindigkeit weniger sensitiv gegenüber zufälligen Fehlern ist und auch weniger sensitiv gegenüber täglichen Temperaturschwankungen. Die Methodik wurde an zwei kleinen Flüssen angewandt: zum einen im Schachtgraben, der in der industriellen Region Bitterfeld-Wolfen liegt und zum anderen am Schaugraben, der in einem landwirtschaftlichen Einzugsgebiet im Norden Sachsen-Anhalts liegt. Die Länge der untersuchten Flussabschnitte beträgt 220 m (Schachtgraben) und 750 m (Schaugraben). An allen untersuchten Flussabschnitten war der Grundwasserzustrom ungleich verteilt. Am Schachtgraben werden ca. 50% des gesamten Zustroms auf etwa 20% der Fläche realisiert. Am Schaugraben war die Ungleichverteilung etwas geringer. Der Schachtgraben befindet sich innerhalb eines der ältesten Zentren der chemischen Industrie in Deutschland. Das Flusswasser ist durch eine Reihe von organischen Schadstoffen verunreinigt, vorwiegend aber chlorierte Benzene. Das Grundwasser im quartären Aquifer ist im Bereich des Schachtgrabens durch eine großflächige aber gering konzentrierte Kontamination mit im wesentlichen den Substanzen gekennzeichnet, die auch im Oberflächenwasser nachgewiesen wurden. Da das Grundwasser in den Schachtgraben zuströmt, besteht ein Schadstofffluss vom Grundwasser zum Oberflächenwasser. Messungen der Schadstoffkonzentrationen im Flussbett ergaben, dass hier die Konzentrationen um etwa eine Größenordnung höher sind als im Grundwasser. Die Sedimente des Flussbetts stellen demnach eine weitere Schadstoffquelle dar und tragen signifikant zur Gesamtschadstofffracht, die in das Flusswasser gelangt, bei. Die Kontamination des Flussbetts ist wahrscheinlich auf die Einleitung ungeklärter Abwässer aus der chemischen Industrie bis zu Anfang der neunziger Jahre des 20. Jahrhunderts zurückzuführen. Wir gehen davon aus, dass sich seither die Konzentrationsgradienten umgekehrt haben und die Schadstoffflüsse heute hauptsächlich vom Flussbettsediment ins Oberflächenwasser gerichtet sind. Die Rolle des Flussbetts als Schadstoffquelle wurde eingehender untersucht. Wir haben angenommen, dass Freisetzung vom Sediment durch die Menge des Grundwasserzustroms kontrolliert wird. Die spezifischen Frachten aus dem Grundwasser und den Flussbettsedimenten wurden für Monochlorbenzen (MCB) und die Isomere des Dichlorbenzens berechnet. Zusätzlich, um zeitlich integrierte Mittelwerte der aquatischen Konzentration im Flussbett und im Grundwasser zu erhalten, wurden Passivsammler eingesetzt. Die Flussbettsedimente sind durch eine beträchtliche residuale Kontamination mit MCB charakterisiert, dass auch nach mehr als zehn Jahre anhaltenden Desorptionsprozessen im Sediment verbleibt. Säulenversuche, die die realistischen Fließbedingungen im Flussbett nachbilden, zeigten, dass der Schadstoffaustrag aus den Sedimenten sehr ineffizient ist. Langzeitvorhersagen deuten darauf hin, dass die Zeitskala um 50% der Schadtsoffmasse aus dem Sediment zu entfernen, im Bereich von Jahrzehnten, möglicherweise aber auch im Bereich von Jahrhunderten liegen könnte., Streams and groundwater are inherently connected. In temperate climates, for instance, groundwater discharge to streams supplies the baseflow component of streamflow. Groundwater sustains streamflow in dry periods and is therefore critical for maintaining aquatic ecosystems and wetlands. Water fluxes between groundwater and streams also mediate the transport of contaminants between these two hydrologic compartments. In the present work, we studied the spatial patterns of groundwater discharge to streams and the transport of organic contaminants from groundwater and streambed sediments towards the stream. First, we focused on developing a tool that can resolve the spatial pattern of groundwater discharge on a meter or even submeter scale but with an extent that covers stream reaches of up to several hundreds of metres in length. We basically used the simple technique of streambed temperature mapping. This approach takes advantage of the temperature gradient between groundwater (whose temperature remains nearly constant throughout the year) and stream water (whose temperature varies seasonally) to determine the magnitude of groundwater discharge. Shallow streambed temperatures can be temporarily sampled easily and inexpensively at hundreds of locations along a stream reach. We hypothesized that mapped streambed temperatures can be quantitatively related to the magnitudes of water flux by applying the heat-diffusion-advection equation. The keyassumption of the mapping approach is that streambed temperatures are solely influenced by the magnitude of groundwater discharge and are not disturbed by diurnal temperature variations at the surface that propagate into the streambed. We evaluated this assumption for streambed temperatures from the Pine River, Ontario, Canada. Under gaining conditions, diurnal temperature variations are insignificantly small at a depth of 0.2 m below the streambed surface. When surface water infiltrates, the temperature signal propagates deeper and the streambed temperature will no longer be completely independent from diurnal temperature variations. However, for gaining conditions a quasi steady state with respect to diurnal temperature variations applies. To improve the robustness of the streambed temperature mapping method, we simultaneously measured the streambed temperatures at five depths using a newly constructed, multiple-depth temperature probe. In contrast to mapping streambed temperatures at a single, uniform depth, a temperature profile consisting of five measurements is obtained. Consequently, the estimated water fluxes become less sensitive to potential diurnal temperature influences and also less sensitive to random errors since the water flux estimates rely on five instead of one temperature measurement. This technique was applied to two small streams in Germany: the Schachtgraben located in the industrial area of Bitterfeld-Wolfen and the Schaugraben as part of a rural catchment in northern Germany. The length of the investigated reaches was 220 m and 750 m, respectively. At all investigated sites, the groundwater discharge was heterogeneously distributed across the streambed area. At the Schachtgraben site, approximately 20% of the streambed area contributes 50% of the total groundwater discharge. The Schachtgraben is located in one of Germany’s oldest industrial centres and is characterized by regional aquifer contamination from multiple sources. Chlorinated benzenes are the major groundwater pollutants at the studied reach. The study site is charaterized by a diffuse groundwater contamination. Since the groundwater discharges to the Schachtgraben, there is a contaminant mass flux from the groundwater towards the stream. At the Schachtgraben site, the groundwater has not been the only source of contaminants for the stream. The concentrations in the streambed are approximately one order of magnitude higher than those observed in the groundwater. The streambed is thus contributing a significant proportion of the contaminant mass fluxes. The release of untreated waste water from nearby chemical industry into the Schachtgraben until the early 1990s has severely contaminated the streambed. Since then, we assume that the concentration gradient has reversed and the contaminant fluxes are now directed from the streambed towards the stream water. Studying the role of the streambed as a contaminant source, we hypothesized that the governing transport process is the advection of water through the streambed. We calculated mass fluxes based on groundwater discharge rates and aqueous concentrations of monochlorobenzene (MCB) and dichlorobenzene (DCB) isomers in the streambed sediments. In addition, to obtain robust estimates of average contaminant concentrations, time-integrating passive samplers were installed in the streambed at zones of high and low groundwater discharge. The streambed sediments are characterized by a considerable residual mass of MCB which remained sorbed although desorption has continued for more than ten years. Column experiments conducted at realistic flow rates that were set to be within the range of the observed magnitudes of groundwater discharge revealed that the removal of mass is unefficient. Long-term predictions of mass release indicated that the time-scales to remove 50% of the residual mass of MCB will be decades but potentially centuries. - PublicationAccès libreSpotlight on heterogeneity: measuring and modelling stream-aquifer interactions(2009)
; Les interactions entre les eaux souterraines et les cours d’eaux jouent un rôle important pour le fonctionnement des écosystèmes fluviaux. La plupart des cycles de nutriments et du métabolisme des cours d’eau à lieu dans la zone de transition entre l’aquifère et le cours d’eau. Puisque les patrons d’écoulement des eaux souterraines sont des facteurs majeurs de contrôle de la transformation des substances dans la zone de transition, la caractérisation et la quantification de ces écoulements sont importantes pour la gestion et la protection des ressources des eaux souterraines et des eaux de surface. Les trajectoires d’écoulement dans la zone de transition présentent communément un motif complexe qui résulte d’hétérogénéités dans la distribution de la perméabilité dans l’aquifère et dans les sédiments du lit des cours d’eau. Une sélection minutieuse des méthodes de mesure est par conséquent nécessaire pour identifier ces trajectoires d’écoulement en fonction de l’hétérogénéité des milieux poreux d’une part et pour obtenir des résultats représentatifs d’autre part. Le long du petit cours d’eau Schachtgraben dans la zone industrielle de Bitterfeld/Wolfen en Allemagne, des eaux souterraines contaminées se déversent dans ce cours d’eau. Afin de mieux comprendre ce problème de contamination, les objectifs généraux de la présente étude sont de déterminer les flux d’eau et de contaminants entre l’aquifère contaminée et le Schachtgraben ainsi que d’étudier les processus sous-jacents et les facteurs déterminants tout en tenant compte de l’hétérogénéité des milieux. Un examen des méthodes de mesure révèle que de nombreuses méthodes existent qu’elles peuvent être employées soit pour la caractérisation de l’aquifère, soit pour les eaux de surface ou soit pour la zone de transition elle-même. Les méthodes diffèrent au niveau de leur résolution, du volume d’échantillonnage et des échelles temporelles qu’elles représentent. Une approche multi-échelle qui combine plusieurs techniques peut réduire considérablement les incertitudes et améliorer les estimations des flux entre les eaux souterraines et de surface. Pour la quantification des flux d’eau et des substances dissoutes à l’interface entre l’ aquifère du Schachtgraben et le cours d’eau, deux nouvelles approches ont été combinées dans une nouvelle méthode performante: il s’agit de la mesure des températures du lit de la rivière pour déterminer la distribution spatiale et l’amplitude du déversement des eaux souterraines à travers le lit, et des tests de pompage intégral pour l’estimation des concentrations moyennes des contaminants et des taux de flux de masses dans les eaux souterraines qui migrent vers la rivière. La combinaison de ces méthodes fournit les flux potentiels de masse de contaminants entre l’aquifère et le cours d’eau. Les flux d’eau entre l’aquifère et le cours d’eau, sur la section étudiée, ont montré une hétérogénéité substantielle qui est associée à la distribution hétérogène des perméabilités au sein de l’aquifère connecté au cours d’eau. Les températures observées dans le lit de la rivière indiquent des zones à haut ou bas écoulement et donc des zones à haute et basse perméabilité. Dans un modèle à deux dimensions d’écoulement des eaux souterraines et de transport de chaleur, il a été montré que l’hétérogénéité de l’aquifère peut être déduite des températures du lit de la rivière. La variance du logarithme des conductivités hydrauliques qui a été utilisée comme donnée d’entrée d’une distribution des perméabilités généré stochastiquement a été calibrée avec les températures du lit observées pour simuler les températures observées et la distribution de flux des eaux souterraines dans le lit étudié. En plus des propriétés de l’aquifère, les propriétés des sédiments du lit des rivières peuvent aussi contribuer à la distribution hétérogène des flux souterrains à travers le lit. Quatre scénarios avec différentes distributions des perméabilités de l’aquifère et du lit ont été définis pour simuler et évaluer l’impact de l’hétérogénéité de l’aquifère et du lit sur la distribution des flux d’eau à travers le lit. Les résultats montrent que l’aquifère a une plus forte influence sur la distribution des flux d’eaux souterraines à travers le lit que le lit lui-même., Interaktionen zwischen Grundwasser und Flüssen spielen eine wichtige Rolle für FlussÖkosysteme. Ein Großteil des Nährstoffkreislaufs findet in der Übergangszone zwischen Aquifer und Fluss statt. Die Verteilung der Wasserströme im Flussbett hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Umwandlung von Stoffen in der Übergangszone. Daher leistet die Charakterisierung und Quantifizierung der Fließvorgängen einen wichtigen Beitrag für den Schutz von Wasserressourcen. Die Fließwege in der Übergangszone zeigen oft ein komplexes Muster, das aus der Heterogenität der Durchlässigkeiten im Aquifer und in den Flussbettsedimenten resultiert. Eine sorgfältige Auswahl an Messmethoden ist notwendig um einerseits die Spannweite der Durchflüsse zu erfassen, und andererseits repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Am Schachtgraben, einem kleinen Fluss in der Industrieregion Bitterfeld/Wolfen, Deutschland, fließt kontaminiertes Grundwasser in den Fluss. Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung von Wasser- und Stoffflüssen zwischen dem kontaminierten Aquifer und dem Schachtgraben, sowie die Untersuchung der maßgeblichen Prozesse und Einflussfaktoren unter besonderer Berücksichtigung der Untergrund-Heterogenität. Eine Literaturübersicht über Messmethoden zeigte, dass zahlreiche Methoden existieren, die entweder im Aquifer, im Oberflächengewässer oder direkt in der Übergangszone angewandt werden. Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Auflösung, dem Probevolumen, und den Zeitskalen für die sie repräsentativ sind. Die Kombination verschiedener Methoden auf unterschiedlichen Skalen kann zu einer maßgeblichen Reduzierung von Unsicherheiten führen und die Abschätzung von Massenflüssen erheblich verbessern. Zur Quantifizierung von Wasser- und Stoffflüssen an der Schnittstelle zwischen Grundwasser und Fluss wurden zwei neuartige Methoden zu einer effizienten neuen Vorgehensweise kombiniert: Die Kartierung von Flussbett-Temperaturen zur Bestimmung der räumlichen Verteilung und Größe des Grundwasserzustroms durch das Flussbett, und integrale Pumpversuche zur Abschätzung der durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser. Die Kombination dieser Methoden ermöglichte die Bestimmung potentieller Schadstoffmassenflüsse zwischen Aquifer und Fluss. Die Wasserflüsse zwischen Aquifer und Fluss waren durch erhebliche räumliche Heterogenitäten im untersuchten Flussabschnitt gekennzeichnet, was auf eine heterogene Verteilung der Durchlässigkeiten im angeschlossenen Aquifer zurückzuführen ist. Die gemessenen Flussbett-Temperaturen weisen auf Zonen hohen oder niedrigen Grundwasserzustroms hin, und damit auf Zonen hoher oder niedriger Durchlässigkeiten. In einem Grundwasserfluss- und Wärmetransportmodell wurde gezeigt, dass die Heterogenität des Aquifers aus Flussbett-Temperaturen hergeleitet werden kann. Die Varianz der Durchlässigkeitsbeiwerte als Eingangsdaten für die Generierung von stochastisch verteilten Durchlässigkeitsfeldern wurde mit gemessenen Flussbett-Temperaturen kalibriert, um die beobachtete Verteilung von Temperaturen und Durchflüssen im untersuchten Flussbett zu simulieren. Zusätzlich zu den Aquifereigenschaften können die Eigenschaften der Flussbett-Sedimente ebenso zu einer heterogenen Verteilung von Grundwasserzuflüssen durch das Flussbett beitragen. Vier Szenarien mit unterschiedlichen Verteilungen der Durchlässigkeiten im Aquifer sowie im Flussbett wurden definiert, um den Einfluss der Aquifer- und Flussbettheterogenität auf die Verteilung der Durchflüsse durch das Flussbett zu simulieren und zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Aquifer einen stärkeren Einfluss auf die Verteilung der Durchflüsse hat als die Flussbettsedimente selbst., Interactions between groundwater and streams play an important role for the functioning of stream ecosystems. Most nutrient cycling and stream metabolism takes place in the transition zone between aquifers and streams. Since flow patterns are the major controlling factor for the transformation of dissolved compounds in the transition zone, the characterization and quantification of flow is an important component for integrated river basin management and the protection of both groundwater and surface water resources. The flow pathways in the transition zone commonly display a complex pattern, resulting from heterogeneities in the permeability distribution in the aquifer and in the streambed sediments. A careful selection of measuring methods is therefore required to capture the range of flows as a consequence of subsurface heterogeneities on the one hand, and to obtain representative results on the other hand. At the Schachtgraben, a small stream in the industrial area of Bitterfeld/Wolfen, Germany, contaminated groundwater discharges into the stream. The general objectives of this study were the determination of water and contaminant fluxes between the contaminated aquifer and the Schachtgraben stream and the investigation of the underlying processes and controlling factors with a focus on subsurface heterogeneity. A review of measuring methods revealed that numerous methods exist which are either applied in the aquifer, in the surface water, or in the transition zone itself. The methods differ in resolution, sampled volume, and the time scales they represent. A multi-scale approach combining multiple techniques can considerably reduce uncertainties and constrain estimates of fluxes between groundwater and surface water. For the quantification of water and solute flows at the stream – aquifer interface of the Schachtgraben, two novel approaches were combined into an efficient new methodology: Streambed temperature mapping for determining the spatial distribution and magnitude of groundwater discharge through the streambed, and integral pumping tests for the estimation of average contaminant concentrations and mass flow rates in the groundwater migrating toward the stream. The combination of these methods yielded potential contaminant mass fluxes between aquifer and stream. The water fluxes between aquifer and stream at the investigated stream reach showed substantial heterogeneity, which is commonly assumed to be a result of a heterogeneous distribution of permeabilities within the connected aquifer. Observed streambed temperatures indicated zones of high or low groundwater discharge and, thus, zones of high or low permeability. Application of a two-dimensional groundwater flow and heat transport model showed that the heterogeneity of the aquifer can be inferred from streambed temperatures. The variance of the logarithm of hydraulic conductivities as input data for a stochastically generated permeability distribution was calibrated with observed streambed temperatures to simulate the observed temperature and groundwater flux distribution in the investigated streambed. In addition to the properties of the aquifer, the properties of the streambed sediments may further contribute to a heterogeneous distribution of groundwater fluxes through the streambed. Four scenarios with different aquifer and streambed permeability distributions were defined to simulate and assess the impact of aquifer and streambed heterogeneity on the distribution of groundwater fluxes through the streambed. The results showed that the aquifer has a stronger influence on the distribution of groundwater fluxes through the streambed than the streambed itself.