Dividimos el trabajo en tres bloques: En el primer bloque, se han revisado las técnicas de escalado que utilizan una media simple, el método laplaciano simple, el laplaciano con piel y el escalado con mallado no uniforme y se han evaluado en un ejercicio tridimensional de escalado de la conductividad hidráulica. El campo usado como referencia es una realización condicional a escala fina de la conductividad hidráulica del experimento de macrodispersión realizado en la base de la fuerza aérea estadounidense de Columbus en Misuri (MADE en su acrónimo inglés). El objetivo de esta sección es doble, primero, comparar la efectividad de diferentes técnicas de escalado para producir modelos capaces de reproducir el comportamiento observado del movimiento del penacho de tritio, y segundo, demostrar y analizar las condiciones bajo las cuales el escalado puede proporcionar un modelo a una escala gruesa en el que el flujo y el transporte puedan predecirse con al ecuación de advección-dispersión en condiciones aparentemente no fickianas. En otros casos, se observa que la discrepancia en la predicción del transporte entre las dos escalas persiste, y la ecuación de advección-dispersión no es suficiente para explicar el transporte en la escala gruesa. Por esta razón, se ha desarrollado una metodología para el escalado del transporte en formaciones muy heterogéneas en tres dimensiones. El método propuesto se basa en un escalado de la conductividad hidráulica por el método laplaciano con piel y centrado en los interbloques, seguido de un escalado de los parámetros de transporte que requiere la inclusión de un proceso de transporte con transferencia de masa multitasa para compensar la pérdida de heterogeneidad inherente al cambio de escala. El método propuesto no sólo reproduce el flujo y el transporte en la escala gruesa, sino que reproduce también la incertidumbre asociada con las predicciones según puede observarse analizando la variabilidad del conjunto de curvas de llegada. / Li ., L. (2011). Upscaling and Inverse Modeling of Groundwater Flow and Mass Transport in Heterogeneous Aquifers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/12268

The Sustainable Water Interactive for Tomorrow (SWIFT) project in eastern Virginia is a Managed Aquifer Recharge project designed to alleviate the depletion of the Potomac Aquifer System due to unsustainable groundwater withdrawals. At the SWIFT Research Center (SWIFTRC) in Nansemond, VA, a pilot testing well (TW-1) has been implemented to help determine the feasibility of full-scale implementation. The pumping data from TW-1 and observation head data from surrounding monitoring wells (MW) at the SWIFTRC were used to calculate hydrogeological parameters (transmissivity, hydraulic conductivity, specific storage, and storage coefficient). Two sets of data were analyzed from before and after TW-1 was rehabilitated to account for the change in the flow distribution to each screen in TW-1. Comparing the results to past literature, the calculated (Theis and Cooper-Jacob methods) hydraulic conductivity/transmissivity values are within the same order of magnitude. Using borehole logs as well as apparent conductance and resistivity logs, multiple single and multi-layered models for both the upper and middle Potomac aquifers were produced with MODFLOW. Parameter estimation using MODFLOW and PEST and the two sets of observation data resulted in hydrogeological parameters similar to those calculated using Theis and Cooper-Jacob methods. The change in the hydraulic conductivity and specific storage between the pre and post rehabilitation flow distributions is proportional to that change in the flow distribution. For future modeling of the aquifer system, the hydrogeological parameters from the model using the 4/26/19 data set with the post rehabilitation flow distribution is recommended. Drawdown results from a multi-layered MODFLOW model were compared to results using the Theis method using both the Theis-calculated and MODFLOW-PEST modeled hydrogeological parameters. The results were nearly identical except for the Upper Potomac Aquifer (UPA) layer 1, as the model has a large change in aquifer thickness with distance from TW-1 that the Theis-based calculations do not consider. Travel times from the monitoring wells to TW-1 were calculated with the single and multi-layered models pumping 700 GPM from TW-1. Travel times from the SWIFT MW within the UPA sublayers ranged from 204 to 597 days depending on the sublayer, while travel times from the USGS MW within the UPA sublayers ranged from 2,395 to 7,859 days. For the single layer model of the UPA, the travel time from the SWIFT MW to TW-1 was 372 days while the travel time from the USGS MW was 4,839 days. Travel times from the SWIFT MW within the MPA sublayers were 416 and 1,195 days, while travel times from the USGS MW within the MPA sublayers were 4,339 and 11,245 days. For the single layer model of the MPA, the travel time from the SWIFT MW to TW-1 was 743 days while the travel time from the USGS MW was 7,545 days. / Master of Science / The Sustainable Water Interactive for Tomorrow (SWIFT) project in eastern Virginia is a project designed to help slow the depletion of the Potomac Aquifer System due to unsustainable groundwater withdrawals. At the SWIFT Research Center (SWIFTRC) in Nansemond, VA, a testing well (TW-1) has been implemented to help determine if the full-scale implementation of the SWIFT project is feasible. The pumping data from TW-1 and observation head data from surrounding monitoring wells (MW) at the SWIFTRC were used to calculate hydrogeological parameters (transmissivity, hydraulic conductivity, specific storage, and storage coefficients). These parameters help describe the behavior of the aquifer system. Two sets of data were analyzed from before and after TW-1 was rehabilitated to account for the change in the flow distribution within TW-1. Comparing the results to past literature, the calculated (using analytical methods, Theis and Cooper-Jacob methods) hydraulic conductivity/transmissivity values are within the same order of magnitude. Using data from the boreholes, multiple single and multi-layered models for both the upper and middle Potomac aquifers were produced with MODFLOW, a groundwater modeling software. Estimating parameters using observation data within MODFLOW resulted in hydrogeological parameters similar to those calculated using the Theis and Cooper-Jacob methods. The change in the hydraulic conductivity and specific storage between the pre and post rehabilitation flow distributions within TW-1 is proportional to that change in the flow distribution. For future modeling of the aquifer system, the hydrogeological parameters from the model using the 4/26/19 (most recent) data set with the post rehabilitation (more current) flow distribution is recommended. Drawdown (decrease in the water table) results from a multi-layered MODFLOW model were compared to results using the Theis method using both the Theis-calculated and MODFLOW modeled hydrogeological parameters. The results were nearly identical except for the Upper Potomac Aquifer (UPA) layer 1, as the model has a large change in aquifer thickness with distance from TW-1 that the Theis-based calculations do not consider. The time it took for a particle of water to travel from the monitoring wells to TW-1 were calculated with the single and multi-layered models pumping 700 GPM from TW-1. Travel times from the SWIFT MW within the UPA sublayers ranged from 204 to 597 days depending on the sublayer, while travel times from the USGS MW within the UPA sublayers ranged from 2,395 to 7,859 days. For the single layer model of the UPA, the travel time from the SWIFT MW to TW-1 was 372 days while the travel time from the USGS MW was 4,839 days. Travel times from the SWIFT MW within the MPA sublayers were 416 and 1,195 days, while travel times from the USGS MW within the MPA sublayers were 4,339 and 11,245 days. For the single layer model of the MPA, the travel time from the SWIFT MW to TW-1 was 743 days while the travel time from the USGS MW was 7,545 days.

Landslides in Pleistocene sediments along the Thompson River, south of Ashcroft, British Columbia have been known since before the Canadian Pacific (CP) railway was built through the valley in the 1880s. The Canadian National (CN) mainline railway, built in the early twentieth century, also follows the valley. Since the CP mainline was open to traffic in 1886, landslides have occurred along both sides of the Thompson valley and have resulted in derailments and traffic disruption along this strategic railway corridor. Past work identified a critical interbedded glaciolacustrine silt and clay unit at the base of the valley fill in which the sliding planes of the landslides were located. In our geotechnical characterization of this unit we identify the clay as the main contributing factor towards the instability of slopes in the Thompson River Valley due to its low residual strength parameters. Ring shear testing of this unit indicate residual friction angles between 10o and 15o. The use of residual shear strength parameters is necessitated by the presence of pre-sheared surfaces in the valley fill material caused by historical landsliding and glacial overriding. An additional contributing factor to slope instability in Thompson River Valley is the presence of artesian pore water pressures located below the failure surfaces of landslides in the valley. Previously suggested explanations for development of the elevated pore pressures include dynamic change in the Thompson River stage, and over irrigation of upslope farm lands. Groundwater models of Thompson River Valley were constructed using the advanced modeling tool HydroGeoSphere in order to determine the origin of these elevated pressures, and to explore additional influences on the regional groundwater flow system, including irrigation and river stage. Analysis of groundwater simulations showed that due to its low permeability, the glaciolacustrine silt and clay unit is important in controlling groundwater flow patterns, and explains the development of artesian pressures in the valley bottom. Further, it was shown that fluctuation in river stage and additional infiltration due to irrigation of upslope farm lands had minimal impact on pore water pressures, and cannot explain the development of landslides in the study area. Groundwater simulations were coupled with slope stability analyses in order to assess the slope Factor of Safety associated with certain groundwater conditions. This was achieved by using SLOPE/W and SEEP/W. Slopes were found to be unstable under natural conditions with a Factor of Safety close to unity. Significant changes to the Factor of Safety were noted for scenarios where precipitation was doubled and halved, but irrigation was again shown to have a minimal effect on the stability of Thompson Valley slopes.

Landslides in Pleistocene sediments along the Thompson River, south of Ashcroft, British Columbia have been known since before the Canadian Pacific (CP) railway was built through the valley in the 1880s. The Canadian National (CN) mainline railway, built in the early twentieth century, also follows the valley. Since the CP mainline was open to traffic in 1886, landslides have occurred along both sides of the Thompson valley and have resulted in derailments and traffic disruption along this strategic railway corridor. Past work identified a critical interbedded glaciolacustrine silt and clay unit at the base of the valley fill in which the sliding planes of the landslides were located. In our geotechnical characterization of this unit we identify the clay as the main contributing factor towards the instability of slopes in the Thompson River Valley due to its low residual strength parameters. Ring shear testing of this unit indicate residual friction angles between 10o and 15o. The use of residual shear strength parameters is necessitated by the presence of pre-sheared surfaces in the valley fill material caused by historical landsliding and glacial overriding. An additional contributing factor to slope instability in Thompson River Valley is the presence of artesian pore water pressures located below the failure surfaces of landslides in the valley. Previously suggested explanations for development of the elevated pore pressures include dynamic change in the Thompson River stage, and over irrigation of upslope farm lands. Groundwater models of Thompson River Valley were constructed using the advanced modeling tool HydroGeoSphere in order to determine the origin of these elevated pressures, and to explore additional influences on the regional groundwater flow system, including irrigation and river stage. Analysis of groundwater simulations showed that due to its low permeability, the glaciolacustrine silt and clay unit is important in controlling groundwater flow patterns, and explains the development of artesian pressures in the valley bottom. Further, it was shown that fluctuation in river stage and additional infiltration due to irrigation of upslope farm lands had minimal impact on pore water pressures, and cannot explain the development of landslides in the study area. Groundwater simulations were coupled with slope stability analyses in order to assess the slope Factor of Safety associated with certain groundwater conditions. This was achieved by using SLOPE/W and SEEP/W. Slopes were found to be unstable under natural conditions with a Factor of Safety close to unity. Significant changes to the Factor of Safety were noted for scenarios where precipitation was doubled and halved, but irrigation was again shown to have a minimal effect on the stability of Thompson Valley slopes.

Veränderungen des Klimas, zunehmende Grundwassernutzungen sowie die Verdichtung der städtischen Strukturen wirken sich auf Temperaturen, Mengenbilanzen und den Wasserspiegel des Grundwassers aus. Schon heute lassen sich anthropogene Einflüsse wie tief liegende Gebäudestrukturen und Einleitungen von Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf das Temperaturniveau des Grundwassers nachweisen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen dieser natürlichen und anthropogenen Effekte in Dresden und die Aufstellung von Ansätzen eines Grundwasser-Temperaturmanagements. Auf der Grundlage aktueller Daten zu Grundwassernutzung und zur Grundwasserneubildung wurden Ist-Zustands-Berechnungen sowie Projektionen künftiger Systemzustände mit dem Grundwassermodell Dresden realisiert. Aufgrund des von TESCH (2013) in Szenarienberechnungen projizierten Rückgangs der Grundwasserneubildung um ca. zwei Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist ein deutlich geringeres Grundwasserdargebot zu erwarten. Defizite in der Grundwasserbilanz werden jedoch durch einen höheren Anteil an Uferfiltrat zum Teil ausgeglichen. Wesentlich ist, dass in den Szenarienberechnungen die maximale Entnahmemenge einen größeren Einfluss auf die Grundwasserbilanzen ausübt als der projizierte Rückgang der Grundwasserneubildung. Die Gewinnung von ausreichend Grundwasser für die Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs von Bevölkerung, Gewerbe und Industrie scheint auch künftig sicher. Wärmeeinträge in das Grundwasser wurden anhand von Daten aus Stichtagsmessungen der Jahre 2009 und 2011 (FUGRO HGN; 2009 und SCHOLZ UND LEVIS, 2011) identifiziert. Hierbei konnte eine Reihe von Temperaturanomalien im Stadtgebiet den Quellen eindeutig zugeordnet werden. Anhand der Untersuchung von drei Teilgebieten zeigte sich, dass das Temperaturniveau des Grundwassers im Stadtzentrum (Teilgebiet Altstadt) gegenüber den anderen untersuchten Teilgebieten (Elbbogen Übigau und Johannstadt/Striesen) erhöht ist, was zuerst auf die Vielzahl von Bauwerken zurück geführt wird, die bis in das Grundwasser reichen. Des Weiteren zeigte sich ein deutlicher Zusammenhang von Messstellendichte und Ergebnisqualität. Während in der Altstadt die Identifikation von Wärmequellen gut möglich war, sind die Ergebnisse zu anderen Teilgebieten aufgrund der deutlich geringeren Messstellendichte weniger belastbar. Temperaturen im Boden und in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle in der Dresdner Altstadt wurden über einen Zeitraum von ca. 2 Jahren ausgewertet. Die Untersuchungen belegen die Durchprägung des Jahresgangs der Lufttemperatur bis zum Grundwasser mit einer zeitlichen Verzögerung des Eintreffens der Extremwerte von ca. drei Monaten. Mit den Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das gleichzeitig angewendete Verfahren der Messung von Temperaturen in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle zur Identifizierung der vertikalen Temperaturverteilung im Boden praktisch anwendbar ist. Der Wärmetransport im Boden wurde mit dem Programm HYDRUS 1-D für den Ist-Zustand auf Basis der Bodentemperaturmesswerte und für die Zukunftsszenarien auf der Basis von WETTREG 2010-Daten abgebildet. Die Berechnungen ergaben im Vergleich zum Ist-Zustand erhöhte Bodentemperaturen. Besonders interessant ist, dass die Änderungssignale der Bodentemperaturen für alle berechneten Tiefen bei den Minima deutlicher ausfallen als bei den Maxima. Des Weiteren zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Berechnungsergebnissen der beiden untersuchten Zeitscheiben (2021 bis 2050 und 2071 bis 2100). Die höheren Bodentemperaturen im Winter bieten gegebenenfalls Ansatzpunkte zur Nutzung dieses Wärmeangebots, die erhöhten Temperaturen im Sommer können gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Temperaturen des Wassers in Abschnitten des Trinkwassernetzes mit zeitweise größeren Aufenthaltsdauern führen. Die gefundenen Ergebnisse implizieren zudem künftig höhere Grundwassertemperaturen. Die Auswirkungen von Wärmeeinträgen auf das Grundwasser wurden mit Hilfe von MODFLOW/SEAWAT-Konzeptmodellen untersucht. Für den Ist-Zustand berücksichtigen diese Konzeptmodelle bereits Wärmeeinträge durch Gebäude und thermische Grundwassernutzungen (MIX, 2013). In den Szenarienberechnungen wurden projizierte erhöhte mittlere Lufttemperaturen aufgeprägt und weitere, zum Teil fiktive Nutzungen und Wärmeeinträge durch Gebäude implementiert. Die mit dem Anstieg der Lufttemperatur erwartete Erhöhung der mittleren Grundwassertemperatur und somit die Wirkung der natürlichen Anteile der Wärmeeinträge wird für die weniger anthropogen beeinflussten Grundwasserleiterabschnitte am deutlichsten. Die Modellergebnisse zeigen, dass unter den angenommenen Voraussetzungen mittlere Grundwassertemperaturen über 20°C nicht erreicht werden und modellgestützte Managementmaßnahmen für größere Grundwasserleiterabschnitte hinsichtlich der Bewertung energetischer Nutzungen des Grundwassers zielführend sind. Aufgrund des heutigen Standes der Forschungen zur Auswirkung von Wärmeeinträgen auf die Grundwasserqualität kann noch kein Handlungszwang abgeleitet werden, gleichsam fehlt ohne verbindliche Temperaturrichtwerte ein rechtlicher Rahmen. In der Klärung dieser Fragen, der verstärkten Wärmerückgewinnung aus dem Grundwasser und dem modellgestützten Grundwasserwärmemanagement sind zukünftige Aufgabenfelder der Grundwasserbewirtschaftung erkennbar.:1 EINLEITUNG 1 1.1 Rezente und erwartete künftige Grundwasserhaushaltssituation 1 1.2 Mögliche Auswirkungen natürlicher und anthropogener Wärmeeinträge auf die zukünftige Grundwassernutzung 2 2 ZIEL UND STRUKTUR DER ARBEIT 3 2.1 Zielstellung der Arbeit 3 2.2 Struktur der Arbeit 3 3 STAND DER FORSCHUNG 5 4 THEORETISCHE GRUNDLAGEN, RELEVANTE BEGRIFFE UND GLEICHUNGEN 9 4.1 Ungesättigte Bodenzone 9 4.2 Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer 9 4.3 Grundwasser 9 4.4 Wasserbewegung in der ungesättigten Zone 10 4.5 Grundwasserströmung in Porengrundwasserleitern 10 4.6 Grundwasserbewirtschaftung 12 4.7 Grundwasservorsorge und Grundwasserschutz 13 4.8 Grundwassernutzungen 13 4.9 Modell 13 4.10 Quellen und Senken 15 4.11 Kalibrierung und Validierung 16 4.12 Epignose, Prognose und Projektion 18 4.13 Temperaturanomalie im Grundwasser 18 4.14 Grundlagen des Wärmetransports in porösen Medien 19 5 METHODIK DER BEARBEITUNG 23 5.1 Auswertung von rezenten Daten zur Grundwassertemperatur 23 5.2 Messtechnische Erfassung von Bodentemperaturen 23 5.2.1 Messstellenauswahl – Methodik der Standortanalyse 23 5.2.2 Konzept der Pilotmessstelle 25 5.3 Szenarioberechnungen mit dem Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1 Grundwassermodell und Konzeption der modelltechnischen Arbeiten 27 5.3.1.1 Das Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1.2 Ergänzung der Methodik zur Ausweisung zukünftiger Grundwasserüberschuss-, gleichgewichts und defizitgebiete 29 5.3.1.3 Bilanzierung der Grundwasservolumenströme 35 5.3.1.4 Berechnung maximaler Grundwasserflurabstände 36 5.3.2 Beschreibung der Szenarien 36 5.4 Modellierung des Wärmetransports in der Aerationszone 36 5.4.1 Modellvorstellung 36 5.4.2 Beschreibung der Szenarien 38 5.5 Konzeptmodelle zur Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 38 5.6 Untersuchungsgebiet 39 5.6.1 Geologische und hydrogeologische Einordnung 39 5.6.2 Überblick zur urbanen Grundwassernutzung 40 5.6.2.1 Trink- und Brauchwassernutzung 40 5.6.2.2 Energetische Grundwassernutzung 40 6 GRUNDWASSER- UND BODENTEMPERATUREN 43 6.1 Temperaturbezogene großräumige Grundwasserüberwachung 43 6.2 Grundwassertemperaturen und Temperaturanomalien 45 6.2.1 Grundwassertemperaturen 45 6.2.2 Ursachen von Temperaturunterschieden und -anomalien 46 6.2.2.1 Temperaturunterschiede in der Innenstadt und am Stadtrand 46 6.2.2.2 Natürliche Temperaturanomalien 47 6.2.2.3 Anthropogene Temperaturanomalien 47 6.2.3 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 55 6.3 Messtechnische Erfassung der Wärmemigration in der Aerationszone 56 6.3.1 Zielstellung der Messungen 56 6.3.2 Auswahl des Messstellenstandortes 57 6.3.3 Durchführung der Messungen 58 6.3.4 Ergebnisse der Messungen 59 6.3.5 Vergleichbarkeit der Messergebnisse in Boden und Luftsäule 66 6.3.6 Weitere Messungen an Grundwassermessstellen 67 6.3.7 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 70 7 MODELLIERUNG DER WASSERSTRÖMUNG UND DES WÄRMETRANSPORTS 71 7.1 Zielsetzung der modelltechnischen Arbeiten 71 7.2 Modellierung der Grundwasserströmung 71 7.2.1 Grundwassernutzung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.2 Aktualisierung der Eingangsgröße Grundwasserneubildung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.3 Ableitung der Größe rezenter und künftiger Randzuflüsse aus der Grundwasserneubildung 74 7.2.4 Rohrnetzverluste 74 7.2.5 Fließgewässer 75 7.2.6 Simulation der Grundwasserströmung mit dem Grundwassermodell 76 7.2.7 Güte der Modellanpassung 77 7.2.8 Ergebnisse der Szenarienberechnung 78 7.2.8.1 Abgrenzung von Grundwasserbilanzgebieten 78 7.2.8.2 Grundwasserbilanzen 79 7.2.8.3 Grundwasserflurabstände 82 7.2.9 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 85 7.3 Modellierung des Wärmetransports 86 7.3.1 Teilmodellansatz 86 7.3.2 Berechnung des vertikalen Wärmetransports in der Aerationszone mit HYDRUS 1D 86 7.3.2.1 Epignose 86 7.3.3 Projektionen 91 7.3.3.1 Datenbasis der Modellierung 91 7.3.3.2 Ergebnisse 94 7.3.4 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 96 7.4 Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 97 7.4.1 MODFLOW/SEAWAT – Konzeptmodelle 97 7.4.1.1 Szenarienberechnung 100 7.4.1.2 Konzeptmodell „Altstadt“ 100 7.4.1.3 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 102 7.4.1.4 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 102 7.4.2 Ergebnisse der Modellierung 103 7.4.2.1 Konzeptmodell „Altstadt“ 103 7.4.2.2 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 106 7.4.2.3 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 107 7.4.3 Bewertung der Ergebnisse 108 7.4.3.1 Einschätzung der Ergebnisse und Nutzung der Modelle 108 7.4.3.2 Beschränkungen der Modellaussagen und Schritte zum Detailmodell 109 8 MÖGLICHE MAßNAHMEN UND ANPASSUNGSOPTIONEN 110 8.1 Grundwassermenge 110 8.2 Grundwasserwärmehaushalt 110 8.3 Grundwasserwärmemanagement 111 9 ZUSAMMENFASSUNG 112 10 LITERATURVERZEICHNIS 114 / Climate change, the rise of energetic groundwater use and the compact city structures cause an impact to the groundwater temperatures, groundwater quantity balance and the groundwater table. Today impacts of anthropogenic influences like deep basements of big buildings and the infiltration of heated or cooled water from groundwater using heat pumps were already detected. The target of this dissertation has been the investigation of these natural and anthropogenic effects in Dresden and planning steps for a groundwater temperature management. Basing on existing data of groundwater use and recharge in Dresden, a modelling of the recent and future system status scenarios with the three-dimensional model has been done. According to the latest results of the regional climate model WETTREG 2010 and a work by Tesch about the groundwater recharge until the end of the 21st Century, a significant reduction in resources are expected. Partly the balance deficit will be regulated by bank filtration. It is an important fact that the maximum discharge rate, which is larger than the permitted real use, has a bigger influence in the balance than the lower groundwater recharge. The water catchment to supply inhabitants and industrial units seems to be secure in the future. Heat impacts to the groundwater were detected by measurements in 2011 and 2012. With the results of these measurements anomalies of the temperature field and the emission points of heat inputs were distinctly located. Based on the investigation of three subareas, a higher level of groundwater temperatures in the city center (subarea Altstadt) compared to the other subareas (Übigau and Jogannstadt/Striesen) was detected. The reason of this fact is the multitude of big buildings which are reaching the aquifer. The investigation has also showed the relationship between the quantity of the measuring points and the quality of the results. In the subarea Altstadt an identification of heat inputs could be very well found. The results in the other subareas with a lower amount of sampling points have not the same level of validity. Information from time series over two years about soil and air column temperatures of a close-by groundwater measurement point were analyzed. The research documents the heat transport from the air to the groundwater with a retardation of the extreme values along about three months. With this analysis, the method of measurement air column temperatures in groundwater measurement points aiming to identify the vertical soil temperature distribution could be attested. The measured heat transport in the unsaturated soil was reproduced with the HYDRUS 1-D program. After this, future scenarios on the basic of WETTREG 2010 results were computed. The findings are higher soil temperature levels in the future with higher alteration signals in the minimum than in the maximum values. The modeling results have also showed a significant difference in the investigated time series (2021 - 2050 and 2071 - 2100). The higher temperatures in winter could be a chance to use this heat. In the summer it could partly affect parts of the water supply. Furthermore the findings implicate higher ground water temperatures in the future. To investigate heat impacts to the ground water concept, models of MIX (2013) were used for the heat transport in the aquifer which combines the heat impact of buildings and heat pumps with the natural air temperature rise. The WETTREG2010 result (air temperatures), heat inputs and possible new energetic groundwater use systems were implemented in the conceptual models. Results of the modeling has showed that the expected rise of the ground water temperature will be more significant for the less anthropogenic influenced parts of the urban aquifer than the parts with high initial level of heat pollution. In the model results, the temperatures do not reach mean values of 20°C (LAWA guideline). An important finding is also that these models could be used for a more efficient groundwater heat management and for the evaluation of energetic groundwater projects of its use. Because of the recent stand of research on the impacts of higher ground water temperatures to the ground water quality, a need for action can’t be indicated at the moment. At present there are no guideline values neither standard of law for the energetic use of groundwater. This facts and the question of heat recycling from the urban aquifer are fields for the groundwater management in the future.:1 EINLEITUNG 1 1.1 Rezente und erwartete künftige Grundwasserhaushaltssituation 1 1.2 Mögliche Auswirkungen natürlicher und anthropogener Wärmeeinträge auf die zukünftige Grundwassernutzung 2 2 ZIEL UND STRUKTUR DER ARBEIT 3 2.1 Zielstellung der Arbeit 3 2.2 Struktur der Arbeit 3 3 STAND DER FORSCHUNG 5 4 THEORETISCHE GRUNDLAGEN, RELEVANTE BEGRIFFE UND GLEICHUNGEN 9 4.1 Ungesättigte Bodenzone 9 4.2 Grundwasserleiter und Grundwasserhemmer 9 4.3 Grundwasser 9 4.4 Wasserbewegung in der ungesättigten Zone 10 4.5 Grundwasserströmung in Porengrundwasserleitern 10 4.6 Grundwasserbewirtschaftung 12 4.7 Grundwasservorsorge und Grundwasserschutz 13 4.8 Grundwassernutzungen 13 4.9 Modell 13 4.10 Quellen und Senken 15 4.11 Kalibrierung und Validierung 16 4.12 Epignose, Prognose und Projektion 18 4.13 Temperaturanomalie im Grundwasser 18 4.14 Grundlagen des Wärmetransports in porösen Medien 19 5 METHODIK DER BEARBEITUNG 23 5.1 Auswertung von rezenten Daten zur Grundwassertemperatur 23 5.2 Messtechnische Erfassung von Bodentemperaturen 23 5.2.1 Messstellenauswahl – Methodik der Standortanalyse 23 5.2.2 Konzept der Pilotmessstelle 25 5.3 Szenarioberechnungen mit dem Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1 Grundwassermodell und Konzeption der modelltechnischen Arbeiten 27 5.3.1.1 Das Grundwassermodell Dresden 27 5.3.1.2 Ergänzung der Methodik zur Ausweisung zukünftiger Grundwasserüberschuss-, gleichgewichts und defizitgebiete 29 5.3.1.3 Bilanzierung der Grundwasservolumenströme 35 5.3.1.4 Berechnung maximaler Grundwasserflurabstände 36 5.3.2 Beschreibung der Szenarien 36 5.4 Modellierung des Wärmetransports in der Aerationszone 36 5.4.1 Modellvorstellung 36 5.4.2 Beschreibung der Szenarien 38 5.5 Konzeptmodelle zur Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 38 5.6 Untersuchungsgebiet 39 5.6.1 Geologische und hydrogeologische Einordnung 39 5.6.2 Überblick zur urbanen Grundwassernutzung 40 5.6.2.1 Trink- und Brauchwassernutzung 40 5.6.2.2 Energetische Grundwassernutzung 40 6 GRUNDWASSER- UND BODENTEMPERATUREN 43 6.1 Temperaturbezogene großräumige Grundwasserüberwachung 43 6.2 Grundwassertemperaturen und Temperaturanomalien 45 6.2.1 Grundwassertemperaturen 45 6.2.2 Ursachen von Temperaturunterschieden und -anomalien 46 6.2.2.1 Temperaturunterschiede in der Innenstadt und am Stadtrand 46 6.2.2.2 Natürliche Temperaturanomalien 47 6.2.2.3 Anthropogene Temperaturanomalien 47 6.2.3 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 55 6.3 Messtechnische Erfassung der Wärmemigration in der Aerationszone 56 6.3.1 Zielstellung der Messungen 56 6.3.2 Auswahl des Messstellenstandortes 57 6.3.3 Durchführung der Messungen 58 6.3.4 Ergebnisse der Messungen 59 6.3.5 Vergleichbarkeit der Messergebnisse in Boden und Luftsäule 66 6.3.6 Weitere Messungen an Grundwassermessstellen 67 6.3.7 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 70 7 MODELLIERUNG DER WASSERSTRÖMUNG UND DES WÄRMETRANSPORTS 71 7.1 Zielsetzung der modelltechnischen Arbeiten 71 7.2 Modellierung der Grundwasserströmung 71 7.2.1 Grundwassernutzung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.2 Aktualisierung der Eingangsgröße Grundwasserneubildung für den Epignose- und Projektionszeitraum 71 7.2.3 Ableitung der Größe rezenter und künftiger Randzuflüsse aus der Grundwasserneubildung 74 7.2.4 Rohrnetzverluste 74 7.2.5 Fließgewässer 75 7.2.6 Simulation der Grundwasserströmung mit dem Grundwassermodell 76 7.2.7 Güte der Modellanpassung 77 7.2.8 Ergebnisse der Szenarienberechnung 78 7.2.8.1 Abgrenzung von Grundwasserbilanzgebieten 78 7.2.8.2 Grundwasserbilanzen 79 7.2.8.3 Grundwasserflurabstände 82 7.2.9 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 85 7.3 Modellierung des Wärmetransports 86 7.3.1 Teilmodellansatz 86 7.3.2 Berechnung des vertikalen Wärmetransports in der Aerationszone mit HYDRUS 1D 86 7.3.2.1 Epignose 86 7.3.3 Projektionen 91 7.3.3.1 Datenbasis der Modellierung 91 7.3.3.2 Ergebnisse 94 7.3.4 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 96 7.4 Berechnung des Wärmetransports im Grundwasser 97 7.4.1 MODFLOW/SEAWAT – Konzeptmodelle 97 7.4.1.1 Szenarienberechnung 100 7.4.1.2 Konzeptmodell „Altstadt“ 100 7.4.1.3 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 102 7.4.1.4 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 102 7.4.2 Ergebnisse der Modellierung 103 7.4.2.1 Konzeptmodell „Altstadt“ 103 7.4.2.2 Konzeptmodell „Elbbogen Übigau“ 106 7.4.2.3 Konzeptmodell „Johannstadt/Striesen“ 107 7.4.3 Bewertung der Ergebnisse 108 7.4.3.1 Einschätzung der Ergebnisse und Nutzung der Modelle 108 7.4.3.2 Beschränkungen der Modellaussagen und Schritte zum Detailmodell 109 8 MÖGLICHE MAßNAHMEN UND ANPASSUNGSOPTIONEN 110 8.1 Grundwassermenge 110 8.2 Grundwasserwärmehaushalt 110 8.3 Grundwasserwärmemanagement 111 9 ZUSAMMENFASSUNG 112 10 LITERATURVERZEICHNIS 114

A new method for estimation of risks at settlement calculations is presented. By quantifying uncertainties of settlement calculations, it is possible to make risk analysis and to compare the costs of risk reducing efforts with the benefit these efforts would lead to. The settlement estimations are done by combining uncertainties about soil data, groundwater drawdown and settlement calculations. This master degree thesis describes how the groundwater drawdown is estimated using a numerical model. The model reflects the groundwater decrease around a drainage well with respect to estimated groundwater recharge, dependent on the geology and precipitation. There are four parameters in the model which are connected to soil properties and precipitation; hydraulic conductivity for clay, hydraulic conductivity for till, hydraulic conductivity for sand and mean annual net precipitation. Drawdown is estimated in a deterministic and a probabilistic model, where the probabilistic model uses stochastic parameter values in a Monte Carlo simulation. The risks concerning settlements are found when the groundwater model is integrated with a soil model and a settlement model. When integrated, the new model estimates risks related to all three separate models. Results of groundwater drawdown and ground settlement estimations are spatially presented in a sensitivity and risk analysis. By finding and comparing the most influencing parameters of the settlement, project decision makers will have an easier task deciding on what further measures should be focused on.

Hawke's Bay is situated on the east coast of the North Island of New Zealand and has experienced several earthquakes in the past during which liquefaction occurred. The 1931 Hawke's Bay earthquake is particularly interesting because it was the deadliest and one of the most damaging earthquakes in New Zealand's history. The study presented herein provides insights into the liquefaction hazards in Napier and Hastings based on the assessment of data from the 1931 Hawke's Bay event. Previous studies on the liquefaction hazard of the region have been performed, but the present work differs from those in that the liquefaction triggering and severity procedures are used to see if they can accurately predict observations from the 1931 event. Towards this end, the Cone Penetration Test (CPT)-based liquefaction triggering evaluations are used in liquefaction vulnerability assessment frameworks. It was found that liquefaction hazard in Napier is greater than Hastings. Additionally, Liquefaction Potential Index and Liquefaction Severity Number distributions across Napier and Hastings suggest that the analysis frameworks used are over-predicting the liquefaction hazard. This observation was reached through the comparison of predictions and 1931 post-earthquake observations. Possible causes for this over-prediction include the shortcomings in the analysis frameworks to account for the influence of non-liquefied layers in the profile on the severity of surficial liquefaction manifestations, shortcomings of the simplified liquefaction evaluation procedures to fully account for the depositional and compositional characteristics of the soil on liquefaction resistance, and the use of the assumption that the soils below the ground water table are fully saturated, which has been shown not to be the case at sites in Christchurch, New Zealand. The research community is still learning about earthquakes and liquefaction and this study demonstrates how historical earthquake accounts in a region can be used to assess the risk of the region from future earthquakes. / Master of Science / In light of the liquefaction-induced damage in Christchurch, New Zealand, there has been an increased awareness of the potential risk of liquefaction across New Zealand. Liquefaction is a phenomenon which occurs during earthquakes and results in a loss of strength in the soil. Hawke’s Bay, situated on the east coast of the North Island of New Zealand, has experienced several earthquakes in the past during which liquefaction occurred. The most common manifestations of liquefaction are the appearance of sand boils (i.e., ejecting water and mud), ground subsidence, and lateral displacements near “free” faces such as river banks. As part of this study, these observations were compiled in a database. The 1931 Hawke’s Bay earthquake is particularly an interesting case study because it was the deadliest and one of the most damaging earthquakes in New Zealand’s history. Thus, this study aims to provide insights into the liquefaction hazards in areas of Hawke’s Bay based on the assessment of data from the 1931 event. The liquefaction analysis is performed using procedures widely used in practice. Input to the analysis comes from geotechnical site investigations, intensity of the shaking during the 1931 earthquake, and estimated groundwater elevations at the time of the earthquake. The results from the analysis are then compared to the mapped observations from the 1931 event. The research community is still learning about earthquakes and liquefaction and this study demonstrates how historical earthquake accounts in a region can be used to assess the risk of the region from future earthquakes.

Veränderungen des Klimas, zunehmende Grundwassernutzungen sowie die Verdichtung der städtischen Strukturen wirken sich auf Temperaturen, Mengenbilanzen und den Wasserspiegel des Grundwassers aus. Schon heute lassen sich anthropogene Einflüsse wie tief liegende Gebäudestrukturen und Einleitungen von Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf das Temperaturniveau des Grundwassers nachweisen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen dieser natürlichen und anthropogenen Effekte in Dresden und die Aufstellung von Ansätzen eines Grundwasser-Temperaturmanagements. Auf der Grundlage aktueller Daten zu Grundwassernutzung und zur Grundwasserneubildung wurden Ist-Zustands-Berechnungen sowie Projektionen künftiger Systemzustände mit dem Grundwassermodell Dresden realisiert. Aufgrund des von TESCH (2013) in Szenarienberechnungen projizierten Rückgangs der Grundwasserneubildung um ca. zwei Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist ein deutlich geringeres Grundwasserdargebot zu erwarten. Defizite in der Grundwasserbilanz werden jedoch durch einen höheren Anteil an Uferfiltrat zum Teil ausgeglichen. Wesentlich ist, dass in den Szenarienberechnungen die maximale Entnahmemenge einen größeren Einfluss auf die Grundwasserbilanzen ausübt als der projizierte Rückgang der Grundwasserneubildung. Die Gewinnung von ausreichend Grundwasser für die Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs von Bevölkerung, Gewerbe und Industrie scheint auch künftig sicher. Wärmeeinträge in das Grundwasser wurden anhand von Daten aus Stichtagsmessungen der Jahre 2009 und 2011 (FUGRO HGN; 2009 und SCHOLZ UND LEVIS, 2011) identifiziert. Hierbei konnte eine Reihe von Temperaturanomalien im Stadtgebiet den Quellen eindeutig zugeordnet werden. Anhand der Untersuchung von drei Teilgebieten zeigte sich, dass das Temperaturniveau des Grundwassers im Stadtzentrum (Teilgebiet Altstadt) gegenüber den anderen untersuchten Teilgebieten (Elbbogen Übigau und Johannstadt/Striesen) erhöht ist, was zuerst auf die Vielzahl von Bauwerken zurück geführt wird, die bis in das Grundwasser reichen. Des Weiteren zeigte sich ein deutlicher Zusammenhang von Messstellendichte und Ergebnisqualität. Während in der Altstadt die Identifikation von Wärmequellen gut möglich war, sind die Ergebnisse zu anderen Teilgebieten aufgrund der deutlich geringeren Messstellendichte weniger belastbar. Temperaturen im Boden und in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle in der Dresdner Altstadt wurden über einen Zeitraum von ca. 2 Jahren ausgewertet. Die Untersuchungen belegen die Durchprägung des Jahresgangs der Lufttemperatur bis zum Grundwasser mit einer zeitlichen Verzögerung des Eintreffens der Extremwerte von ca. drei Monaten. Mit den Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das gleichzeitig angewendete Verfahren der Messung von Temperaturen in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle zur Identifizierung der vertikalen Temperaturverteilung im Boden praktisch anwendbar ist. Der Wärmetransport im Boden wurde mit dem Programm HYDRUS 1-D für den Ist-Zustand auf Basis der Bodentemperaturmesswerte und für die Zukunftsszenarien auf der Basis von WETTREG 2010-Daten abgebildet. Die Berechnungen ergaben im Vergleich zum Ist-Zustand erhöhte Bodentemperaturen. Besonders interessant ist, dass die Änderungssignale der Bodentemperaturen für alle berechneten Tiefen bei den Minima deutlicher ausfallen als bei den Maxima. Des Weiteren zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Berechnungsergebnissen der beiden untersuchten Zeitscheiben (2021 bis 2050 und 2071 bis 2100). Die höheren Bodentemperaturen im Winter bieten gegebenenfalls Ansatzpunkte zur Nutzung dieses Wärmeangebots, die erhöhten Temperaturen im Sommer können gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Temperaturen des Wassers in Abschnitten des Trinkwassernetzes mit zeitweise größeren Aufenthaltsdauern führen. Die gefundenen Ergebnisse implizieren zudem künftig höhere Grundwassertemperaturen. Die Auswirkungen von Wärmeeinträgen auf das Grundwasser wurden mit Hilfe von MODFLOW/SEAWAT-Konzeptmodellen untersucht. Für den Ist-Zustand berücksichtigen diese Konzeptmodelle bereits Wärmeeinträge durch Gebäude und thermische Grundwassernutzungen (MIX, 2013). In den Szenarienberechnungen wurden projizierte erhöhte mittlere Lufttemperaturen aufgeprägt und weitere, zum Teil fiktive Nutzungen und Wärmeeinträge durch Gebäude implementiert. Die mit dem Anstieg der Lufttemperatur erwartete Erhöhung der mittleren Grundwassertemperatur und somit die Wirkung der natürlichen Anteile der Wärmeeinträge wird für die weniger anthropogen beeinflussten Grundwasserleiterabschnitte am deutlichsten. Die Modellergebnisse zeigen, dass unter den angenommenen Voraussetzungen mittlere Grundwassertemperaturen über 20°C nicht erreicht werden und modellgestützte Managementmaßnahmen für größere Grundwasserleiterabschnitte hinsichtlich der Bewertung energetischer Nutzungen des Grundwassers zielführend sind. Aufgrund des heutigen Standes der Forschungen zur Auswirkung von Wärmeeinträgen auf die Grundwasserqualität kann noch kein Handlungszwang abgeleitet werden, gleichsam fehlt ohne verbindliche Temperaturrichtwerte ein rechtlicher Rahmen. In der Klärung dieser Fragen, der verstärkten Wärmerückgewinnung aus dem Grundwasser und dem modellgestützten Grundwasserwärmemanagement sind zukünftige Aufgabenfelder der Grundwasserbewirtschaftung erkennbar. / Climate change, the rise of energetic groundwater use and the compact city structures cause an impact to the groundwater temperatures, groundwater quantity balance and the groundwater table. Today impacts of anthropogenic influences like deep basements of big buildings and the infiltration of heated or cooled water from groundwater using heat pumps were already detected. The target of this dissertation has been the investigation of these natural and anthropogenic effects in Dresden and planning steps for a groundwater temperature management. Basing on existing data of groundwater use and recharge in Dresden, a modelling of the recent and future system status scenarios with the three-dimensional model has been done. According to the latest results of the regional climate model WETTREG 2010 and a work by Tesch about the groundwater recharge until the end of the 21st Century, a significant reduction in resources are expected. Partly the balance deficit will be regulated by bank filtration. It is an important fact that the maximum discharge rate, which is larger than the permitted real use, has a bigger influence in the balance than the lower groundwater recharge. The water catchment to supply inhabitants and industrial units seems to be secure in the future. Heat impacts to the groundwater were detected by measurements in 2011 and 2012. With the results of these measurements anomalies of the temperature field and the emission points of heat inputs were distinctly located. Based on the investigation of three subareas, a higher level of groundwater temperatures in the city center (subarea Altstadt) compared to the other subareas (Übigau and Jogannstadt/Striesen) was detected. The reason of this fact is the multitude of big buildings which are reaching the aquifer. The investigation has also showed the relationship between the quantity of the measuring points and the quality of the results. In the subarea Altstadt an identification of heat inputs could be very well found. The results in the other subareas with a lower amount of sampling points have not the same level of validity. Information from time series over two years about soil and air column temperatures of a close-by groundwater measurement point were analyzed. The research documents the heat transport from the air to the groundwater with a retardation of the extreme values along about three months. With this analysis, the method of measurement air column temperatures in groundwater measurement points aiming to identify the vertical soil temperature distribution could be attested. The measured heat transport in the unsaturated soil was reproduced with the HYDRUS 1-D program. After this, future scenarios on the basic of WETTREG 2010 results were computed. The findings are higher soil temperature levels in the future with higher alteration signals in the minimum than in the maximum values. The modeling results have also showed a significant difference in the investigated time series (2021 - 2050 and 2071 - 2100). The higher temperatures in winter could be a chance to use this heat. In the summer it could partly affect parts of the water supply. Furthermore the findings implicate higher ground water temperatures in the future. To investigate heat impacts to the ground water concept, models of MIX (2013) were used for the heat transport in the aquifer which combines the heat impact of buildings and heat pumps with the natural air temperature rise. The WETTREG2010 result (air temperatures), heat inputs and possible new energetic groundwater use systems were implemented in the conceptual models. Results of the modeling has showed that the expected rise of the ground water temperature will be more significant for the less anthropogenic influenced parts of the urban aquifer than the parts with high initial level of heat pollution. In the model results, the temperatures do not reach mean values of 20°C (LAWA guideline). An important finding is also that these models could be used for a more efficient groundwater heat management and for the evaluation of energetic groundwater projects of its use. Because of the recent stand of research on the impacts of higher ground water temperatures to the ground water quality, a need for action can’t be indicated at the moment. At present there are no guideline values neither standard of law for the energetic use of groundwater. This facts and the question of heat recycling from the urban aquifer are fields for the groundwater management in the future.

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The tidal influence on the Big Pine Key saltwater/freshwater interface was analyzed using time-lapse electrical resistivity imaging and shallow well measurements. The transition zone at the saltwater/freshwater interface was measured over part of a tidal cycle along three profiles. The resistivity was converted to salinity by deriving a formation factor for the Miami Oolite. A SEAWAT model was created to attempt to recreate the field measurements and test previously established hydrogeologic parameters. The results imply that the tide only affects the groundwater within 20 to 30 m of the coast. The effect is small and caused by flooding from the high tide. The low relief of the island means this effect is very sensitive to small changes in the magnitude. The SEAWAT model proved to be insufficient in modeling this effect. The study suggests that the extent of flooding is the largest influence on the salinity of the groundwater.