Ein kontinuierlich ansteigender Wasserbedarf, verursacht durch verstärktes Bevölkerungswachstum, zunehmende Urbanisierung und Industrialisierung, einhergehend mit einer Übernutzung der verfügbaren Wasserressourcen, führt weltweit zu einem dauerhaften Absinken der Grundwasserstände. Um das zeitliche Ungleichgewicht zwischen lokalem Wasserbedarf und Verfügbarkeit zu überwinden und die daraus resultierenden negativen Auswirkungen abzumildern, erfolgt im Rahmen einer künstlichen Grundwasseranreicherung die gezielte Anreicherung oder Wiederaufladung eines Aquifers. Dazu wird überschüssiges Oberflächenwasser unter kontrollierten Bedingungen versickert oder infiltriert, um es in Zeiten von Wassermangel zur Verfügung zu stellen oder die ökologischen Randbedingungen zu verbessern. Beim Betrieb der dafür häufig eingesetzten Infiltrationsbecken kommt es in Abhängigkeit von den Standort- (Boden/Klima/Wasserqualität) und den Betriebsparametern (Hydraulische Beladungsrate, Hydraulischer Beladungszyklus) allerdings durch verschiedene Prozesse (Kolmation, Sauerstoff- und Nährstofftransport) häufig zur negativen Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz solcher Anlagen. Bisher durchgeführte Untersuchungen im Labor- und Feldmaßstab sowie die im Zuge des Betriebes bestehender Infiltrationsbecken gewonnenen Daten liefern hauptsächlich Informationen zum Einfluss einzelner Randbedingungen auf die Veränderung der Infiltrationskapazität bzw. die quantitative Effizienz. Allerdings können auf Basis dieser Daten nicht alle offenen Fragen hinsichtlich des Einflusses der Standort- und Betriebsparameter auf die quantitative und qualitative Effizienz von Infiltrationsbecken vollumfänglich und abschließend beantwortet werden. Aufgrund nicht untersuchter Aspekte sowie widersprüchlicher Daten existieren Unsicherheiten bezüglich der Bewertung hinsichtlich des Einflusses der einzelnen Standort- und Betriebsparameter auf die Effizienz solcher Anlagen. Zur Generierung von weiterem Wissen über den Einfluss von Standort- und Betriebsparametern auf die Effizienz von Infiltrationsbecken und zur anschließenden Formulierung von Empfehlungen für eine optimierte Standortauswahl sowie Betriebsweise von Infiltrationsbecken erfolgt die Durchführung von Laborversuchen mittels kleinskaliger und großskaliger, physikalischer Modelle. Es werden verschiedene Infiltrationsszenarien bei wechselnden Randbedingungen (Bodenart, Temperatur, Wasserqualität, Hydraulische Beladungsrate, Hydraulischer Beladungszyklus) durchgeführt. Anhand der gewonnenen Daten kann die Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch die verschiedenen Standort- und Betriebsparameter sowie die dadurch beeinflussten Prozesse sehr gut aufgezeigt werden. Das bisher existierende Wissen kann dabei zum Teil bestätigt und um zusätzliche Erkenntnisse erweitert werden. Es zeigt sich, dass eine höhere hydraulische Durchlässigkeit des anstehenden Bodens eine geringere Reduzierung der Infiltrationskapazität durch Kolmationsprozesse verursacht und zudem für eine bessere Sauerstoffverfügbarkeit sorgt. Darüber hinaus wird ersichtlich, dass Bodentexturen mit einem mittleren Porendurchmesser von 230 µm optimale Bedingungen für eine hohe biologische Aktivität einhergehend mit einem Abbau infiltrierter Substanzen bieten. Der Nachweis einer verstärkten Reduzierung der Infiltrationskapazität durch Kolmationsprozesse bei erhöhten Temperaturen, aber nicht vorhandener Sonneneinstrahlung, kann nicht erbracht werden, da das Fließen des infiltrierten Wassers signifikant durch die erhöhte Viskosität beeinflusst wird. Eine schlechtere Wasserqualität, gleichbedeutend mit erhöhten Konzentrationen an abfiltrierbaren Stoffen sowie gelöstem organischen Kohlenstoff, verursacht in den simulierten Infiltrationsszenarien eine stärkere Reduzierung der Infiltrationskapazität. Die physikalischen Kolmationsprozesse tragen dabei den Hauptanteil an der Reduzierung der Infiltrationskapazität. Des Weiteren wird nachgewiesen, dass eine erhöhte HBR zu einer verstärkten Reduzierung der Infiltrationskapazität und zu einer verschlechterten Sauerstoffverfügbarkeit führt. Die Länge der Infiltrations- und Trockenphasen während des simulierten Betriebes von Infiltrationsbecken beeinflusst entscheidend die Reduzierung der Infiltrationskapazität sowie die Sauerstoffverfügbarkeit. Dabei kann gezeigt werden, dass unabhängig von der Länge der Infiltrations- und Trockenphasen eine vollständige Wiederherstellung der Sauerstoffverfügbarkeit innerhalb von 24 h im Anschluss an eine Infiltrationsphase gewährleistet wird. Das Verhältnis von Infiltrations- und Trockenphasen, auch als Hydraulischer Beladungszyklus bezeichnet, hat hingegen nahezu keinen Einfluss auf die quantitative Effizienz. Bei der Betrachtung aller simulierten Infiltrationsszenarien inklusive der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Standort- und Betriebsparametern können die optimalen Bedingungen für eine hohe quantitative und qualitative Effizienz von Infiltrationsbecken identifiziert werden. Diese sind gegeben beim Vorhandensein eines gut durchlässigen Bodens (hydraulische Leitfähigkeit > 10-4 m s-1), idealerweise mit einem mittleren Porendurchmesser von 230 µm, gepaart mit einer intermittierenden Infiltration von Wasser höherer Qualität ((AFS ≤ 10 mg L-1, BDOC ≤ 10 mg L-1) und der Vermeidung von Infiltrationsphasen länger als 24 h. Eine Widerspiegelung der experimentellen Ergebnisse sowie eine Vorhersage der Reduzierung der Infiltrationskapazität ist mit dem ausgewählten, analytischen Modell nach Pedretti et al., 2012 aufgrund der unzureichend implementierten Berücksichtigung veränderlicher Eingangsparameter nur bedingt möglich. Auf Basis der gewonnenen Daten und dem damit einhergehenden erweiterten Wissen über den Einfluss von Standort- und Betriebsparametern auf die Effizienz von Infiltrationsbecken können schlussendlich Empfehlungen für die Standortauswahl und die optimale Betriebsweise ausgesprochen werden.:1 Einleitung...1 2 Grundlagen der künstlichen Grundwasseranreicherung...7 3 Vorliegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...38 4 Methoden...49 5 Gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich der Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...87 6 Empfehlungen zur Optimierung von Standort- und Betriebsbedingungen von Infiltrationsbecken zur künstlichen Grundwasseranreicherung...128 7 Schlussfolgerung und Ausblick...136 / A continuously rising demand for water, caused by increased population growth, growing urbanization and industrialization, accompanied by overuse of available water resources, is leading to a permanent drop in groundwater levels worldwide. In order to overcome the temporal imbalance between local water demand and availability and to mitigate the resulting negative effects, artificial groundwater recharge involves the managed enrichment or recharging of an aquifer. For this purpose, excess surface water is percolated or infiltrated under controlled conditions in order to make it available in times of water shortage or to improve the ecological boundary conditions. However, the quantitative and qualitative efficiency of frequently used infiltration basins during the operation is often negatively influenced by a wide variety of processes (clogging, oxygen and nutrient transport), depending on the location (soil/climate/water quality) and the operating parameters (loading rate, loading cycle). Investigations conducted to date on laboratory and field scale as well as data obtained during the operation of existing infiltration basins provide information on the influence of individual boundary conditions on the change in infiltration capacity or quantitative efficiency. However, not all open questions regarding the influence of site specific and operating parameters on the quantitative and qualitative efficiency of infiltration tanks can be answered completely and conclusively on the basis of these data. Due to aspects that have not been investigated and contradictory data, there are uncertainties in the evaluation regarding the influence of the individual site and operating parameters on the efficiency of the plants. Laboratory tests using small-scale and large-scale physical models were carried out, in order to generate further knowledge about the influence of site specific and operating parameters on the efficiency of infiltration basins and to formulate subsequently recommendations for an optimised site selection and operation of these plants. Various infiltration scenarios were carried out under changing boundary conditions (soil type, temperature, water quality, hydraulic loading rate, hydraulic loading cycle). Based on the data obtained, the influence on the quantitative and qualitative efficiency by the various site specific and operating parameters and the processes influenced by them can be demonstrated very well. The existing knowledge can be partially confirmed and extended by additional findings. It shows that a higher hydraulic permeability of the existing soil causes a lower reduction of the infiltration capacity by clogging processes and provides also a better oxygen availability. Furthermore, it can be observed that soil textures with an average pore diameter of 230 µm offer optimal conditions for high biological activity combined with a strong degradation of infiltrated substances. In case of higher temperatures but without solar radiation, an increased reduction of the infiltration capacity by clogging processes cannot be observed, since the flow of the infiltrated water is significantly influenced by the increased viscosity. In the simulated infiltration scenarios, poorer water quality, synonymous with increased concentrations of filterable substances as well as dissolved organic carbon, cause a stronger reduction of the infiltration capacity. Physical clogging processes are contributing the major part to the reduction of the infiltration capacity. Furthermore, it can be shown that an increased hydraulic loading rate leads to an increased reduction of the infiltration capacity and to a decreased oxygen availability. The length of the infiltration and drying phases during the simulated operation of infiltration basins has a decisive influence on the reduction of the infiltration capacity and the oxygen availability. It is demonstrated that regardless of the length of the infiltration and drying phases, a complete restoration of oxygen availability can be guaranteed within 24 h following an infiltration phase. In contrast, the ratio of infiltration and dry phases, also known as the hydraulic loading cycle, has almost no influence on the quantitative efficiency. Optimal conditions for a high quantitative and qualitative efficiency of infiltration basins can be identified, when considering all simulated infiltration scenarios including the interactions between the different site specific and operating parameters. These are given in the presence of a well-permeable soil (hydraulic conductivity > 10-4 m s-1), ideally with an average pore diameter of 230 µm, coupled with an intermittent infiltration of water of higher quality ((AFS ≤ 10 mg L-1, BDOC ≤ 10 mg L-1) and the prevention of infiltration phases longer than 24 h. A reflection of the experimental results as well as a prediction of the reduction of the infiltration capacity with the selected analytical model according to Pedretti et al., 2012 is only conditionally possible due to the insufficiently implemented consideration of variable input parameters. Recommendations for site selection and optimal operation were finally made on the basis of the data obtained and the resulting extended knowledge about the influence of site specific and operating parameters on the efficiency of infiltration basins.:1 Einleitung...1 2 Grundlagen der künstlichen Grundwasseranreicherung...7 3 Vorliegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...38 4 Methoden...49 5 Gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich der Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...87 6 Empfehlungen zur Optimierung von Standort- und Betriebsbedingungen von Infiltrationsbecken zur künstlichen Grundwasseranreicherung...128 7 Schlussfolgerung und Ausblick...136

Uppsalas dricksvattenförsörjning baseras på konstgjord grundvattenbildning som innebär att vatten från Fyrisån får rinna ned till grundvattnet från infiltrationsbassänger. Detta examensarbete syftar till att undersöka vad som händer med naturligt organiskt material (NOM) i Uppsalaåsen vid konstgjord grundvattenbildning. De viktigaste processerna för minskning av NOM är biologisk avskiljning genom nedbrytning, fysikalisk-kemisk avskiljning genom sorption till metalloxider samt utspädning genom inblandning av naturligt grundvatten. Arbetet bestod av tre delar: 1) analys av vattenkemidata från grundvattenprover, 2) analys av extraktion av TOC, Al och Fe från jordprover för att undersöka utfällning av NOM med metalloxider samt 3) ett inkuberingsexperiment för att utvärdera potentialen för biologisk nedbrytning i löst organiskt material (DOC). Jordproverna hämtades från borrkärnor som tagits på fem platser längs åsen under sommaren 2014. Grundvattenprover togs i 19 brunnar minst en gång per månad från november 2014 fram till april 2015. TOC-halten i grundvattnet är som högst vid infiltrationsbassängerna, ca 15 mg/l. TOC- minskar med 30 % de första 200 metrarna i flödesriktningen men minskningen avtar under grundvattentransporten. I den omättade zonen avskiljs mindre än 10 %. Vattnet i Fyrisån har en varierande sammansättning över ett år, vilket också observerades i provtagningspunkter som ligger närmast infiltrationsanläggningarna. Analys av uran och stabila isotoper visar att dispersion i åsen utjämnar dessa variationer. Analys av UV-absorbans och fluorescens tyder på att det organiska materialet i grundvattnet byter karaktär i den mättade zonen och blir hydrofilt. Resultaten från extraktionerna i jordprover visar på god korrelation mellan Fe och TOC. Bidning till järnoxider antas därför vara den viktigaste avskiljningsmekanismen i åsen. Resultaten indikerar på anrikningar av humuskomplex i de ytligaste jordlagren under sandfiltren samt precis under grundvattenytan i närheten av bassängerna. Inkuberingsexperimentet utfördes genom att grundvatten från fem olika provpunkter sterilfiltrerades. 15 vattenprover tillsattes med inockulat innehållande mikroorganismer och övriga 15 sterila prover användes som referenser. TOC undersöktes varannan vecka på samtliga vattenprover under 1,5 månader. Efter två veckor minskade halten TOC i samtliga prover och referenser med cirka 25 % och var därefter relativt konstant. Sammanfattningsvis sker en snabb minskning av NOM i grundvattnet nära infiltrationsbassängerna. Det antas bero på adsorption till metalloxider och fasta partiklar och biologisk nedbrytning. Minskningstakten av NOM avtar med transportsträckan. Längre bort antas inblandning av naturligt grundvatten vara den viktigaste orsaken till att halten NOM minskar. / The drinking water supply in Uppsala is based on this technique which involves surface water from Fyrisån percolating to the ground water through an infiltration basin. This master thesis aims to evaluate the fate of natural organic matter (NOM) in the Uppsala esker during artificial groundwater recharge. The most important processes for the removal of NOM are biological degradation, physical-chemical sorption to metal complexes and dilution by mixing with natural ground water. The work consisted of three parts: 1) analysis of water chemistry data from groundwater samples, 2) analysis of extractions of TOC, Al and Fe from soil samples to evaluate deposition of NOM with metal oxides, and 3) an incubation test to evaluate the potential for biological degradation in dissolved organic carbon (DOC). Soil samples were collected from drill cores taken from five locations along the Uppsala esker in the summer of 2014. Ground water was sampled in 19 wells at least once every month from November 2014 to April 2015. The levels of TOC in ground water are highest at the infiltration basins, about 15 mg/l. The TOC levels drop by 30 % the first 200 meters in the flow direction, but the removal rate decreases during the ground water transport. Less than 10 % is removed in the unsaturated zone. The water in Fyrisån has a variation in composition during a year, which is also observered in sampling points close to the infiltration basins. Analysis of uranium and stable isotopes shows that dispersion in the esker evens these variations. The analysis of absorbance and fluorescence shows that the NOM changes character in the saturated zone and becomes less humificated and becomes hydrophilic. The results from the extractions in the soil samples show a good correlation between Fe and TOC. Complexes of NOM and iron oxides are thought to be the most important complex in the Uppsala esker. The extractions also indicate that enrichments of humus complexes in the uppermost soil of the infiltration basins and right below the ground water table in several locations near the basins. The incubation test was done by sterilization filtering of ground water from five different locations. Inoculate with microorganisms was added to 15 of these samples, while 15 without inoculate was used as reference samples. Analysis of TOC was done every two weeks during 1,5 months. The levels of TOC decreased by 25 % after two weeks in all samples and reference samples, and were stable afterwards. In summary, a quick decrease of NOM occurs in the groundwater close to the infiltration basins. This is mainly caused by sorption and biological degradation. The removal rate of NOM decreases with distance. Further away from the basins, the most important process for decrease of NOM is mixing with local ground water.

This research project focuses on the Walla Walla River Basin located on the east side of the states of Oregon and Washington, USA. With the support and collaboration of the Walla Walla Basin Watershed Council, this work embraces four research topics. The first topic includes the feasibility study of artificial aquifer recharge in the Walla Walla Basin. Through development and application of a regional hydrological model, a methodology for evaluating locations of artificial aquifer recharge is presented with a test case. The second research topic evaluates the recharge rates observed from pilot test studies of artificial aquifer recharge. Scale dependence of recharge rates should be considered when excessive induced groundwater mounding forms beneath the infiltrating basins. The third topic utilizes groundwater tracers and simulation models to evaluate the hydraulic connection of springs to infiltrating basins of artificial aquifer recharge. Finally, the fourth topic as a proof of a technique, utilizes distributed temperature sensing technology with a pair of black and white coated fiber optic cables to estimate the effective exposure to solar radiation over the Walla Walla River. / Graduation date: 2013

[Truncated abstract] Managed Aquifer Recharge (MAR) is a technique that can be used to capture and store water in aquifers for later reuse. This method recycles water that would normally be lost or discarded to the environment. MAR has been observed to have the potential for improving the quality of recharged water through a combination of physical, chemical and biological processes. The aim of this study was to investigate the changes in groundwater microbial population structure during MAR and the major influences that drive these population changes. Biogeochemical MAR studies have the potential to assist in the improved prediction of the removal of contaminants such as nutrients, pathogens and trace organics from the recharged water. Biological clogging during recharge also has the potential to overwhelm an aquifers ability to process wastewater thus reducing the hydraulic conductivity of the aquifer. Therefore further research into the spatial and temporal biogeochemical processes that occur during MAR is required. The geochemical and microbial population dynamics of two contrasting MAR techniques were investigated at two different geographical locations (Perth, Western Australia and Adelaide, South Australia). These MAR sites contained aquifers of dissimilar properties that were recharged with wastewater that contrasted in water quality. The Perth MAR site received secondary treated effluent which continuously infiltrated the unsaturated zone into an unconfined aquifer aided by infiltration galleries. Reclaimed water was extracted from a well at distance from the infiltration gallery. ... Notably the background and recovered water was most dissimilar in microbial and chemical population structure to that described for the infiltration gallery and injection well. Microbial and chemical evidence suggested that the background and extraction well groundwater were unaffected by plume migration. These results suggested that extraction well groundwater was similar in quality to that of ambient groundwater. Significant geochemical and microbial changes of secondary treated effluent during infiltration and lateral movement through aquifer were implicated in addition to the forced hydraulic gradient created from extracting fives time the volume of infiltrating wastewater. This study demonstrated that microbial populations and the geochemical processes associated with MAR can be studied and compared. Multivariate statistical methodology greatly simplified a vast array of dynamic biogeochemical information that could be dissected for meaningful interpretation over distance and time. The study evaluated the major biogeochemical influences which resulted in microbial and geochemical changes where it was noted that microbial populations were more dynamic than geochemical variation over time. Additionally biogeochemical comparative analysis indicated that microbial populations could change in population structure before a shift in aquifer geochemistry was detected. It is anticipated that the results from this study will benefit further research into the biogeochemical processes involved in water quality changes (e.g. nutrient removal, pathogen decay and biodegradation of trace organics) as well as controlling biological clogging of MAR schemes.