Deponering är globalt sett det vanligaste sättet att hantera avfall, men i Sverige får sedan 2001 enbart avfall som inte kan återanvändas deponeras. Innan deponiförordningen trädde i kraft 2001 deponerades många olika typer av avfall. En deponi används idag som ett slutförvar för avfall och för att minimera infiltration av regnvatten och eventuell föroreningsspridning sluttäcks gamla deponier. Sluttäckningen består av flera skikt som tillsammans ska täta deponin och leda bort vatten. Att förvara avfall i en sluttäckt deponi är miljöfarlig verksamhet och det är därför av intresse att kontrollera omgivningarna under och efter sluttäckning för att säkerställa att eventuell föroreningsspridning minskar. På Hovgårdens avfallsanläggning i Uppsala kommun har en deponi som använts sedan 1971 sluttäckts under hösten 2018. I två provtagningsrör vid deponin, i vilka provtagning och analys skett regelbundet sedan 1991, har förhöjda halter av vissa ämnen kunnat uppmätas efter att arbetet med sluttäckningen påbörjades. Syftet med detta examensarbete var att få ökad förståelse för trender i ämneshalter samt att utreda hur sluttäckning påverkar grundvattennivåer och ämneskoncentrationer runt deponin. Uppmätta halter i provtagningsrören sammanställdes och trender analyserades med statistiska verktyg i mjukvaran R. Dessutom konstruerades en grundvattenmodell över avfallsanläggningen i MODFLOW och MT3DMS. Stationära flödessimuleringar och transportsimuleringar med klorid utfördes. Tolv av 33 analyserade ämnen och parametrar uppvisar statistiskt signifikanta ökningar i antingen ett av provtagningsrören, båda eller båda analyserade tillsammans. Dessa är alkalinitet, elektrisk konduktivitet, sulfat, klorid, kalcium, natrium, svavel, kalium, magnesium, strontium, barium, och nitratkväve. Sex av dem minskar statistiskt signifikant och dessa är pH-värdet, kadmium, zink, kvicksilver, bly och arsenik. Grundvattenmodellen visar att grundvattnet under etapp 1 flödar mot resten av anläggningen men att flöden ut från deponin finns i de sydvästra och sydöstra hörnen. Sluttäckningen leder till lägre nivåer och en förändrad grundvattendelare vilket kommer minska läckaget, främst i den sydvästra delen. Modellsimuleringar med olika grundvattenbildningsmängder och kloridkoncentrationer visade att ökningar av kloridhalter inte kan förklaras med minskad grundvattenbildning i kombination med förhöjda koncentrationer. Förklaringen bör därmed vara andra fysikaliska och eventuellt kemiska processer som skett samtidigt som sluttäckningen. De parametrar som påverkade simulerade ämneshalter mest var konduktansen i diken och dränering samt moränens hydrauliska konduktivitet. / Landfills are globally the most common waste treatment method but in Sweden the method is since 2001 used only for waste that cannot be reused in any way. Before 2001, almost any type of waste could be landfilled. Today a landfill is used as a final storage and old landfills are capped to minimize infiltration and contaminant transport. A capping consists of several layers which together seal and drain the landfill surface. Storing waste in a capped landfill is considered an environmentally hazardous activity, therefore it is of great interest to monitor the surrounding groundwater during and after capping to make sure that any contaminant concentrations decreases. At Hovgården waste treatment plant in Uppsala, Sweden, a landfill used since 1971 was capped during 2018. Elevated contaminant concentrations have been measured in two monitoring wells close to the landfill after the capping procedure started. The aim of this master thesis was to increase the understanding of trends in contaminant concentrations and to investigate how capping affects groundwater levels and concentrations. Concentration data were compiled and statistical tools in R were used to analyze trends. Additionally, a groundwater model of the area was created in MODFLOW and MT3DMS. The model was used to simulate different steady state scenarios with and without chloride transport. Twelve of 33 analyzed substances and parameters show a statistically significant increase. These are alkalinity, electrical conductance, sulphate, chloride, calcium, sodium, sulfur, potassium, magnesium, strontium, barium and nitrate. Six show a decrease, these are pH, cadmium, zinc, mercury, lead and arsenic. The groundwater model indicates that the groundwater flow in the landfill is directed towards the rest of the waste treatment plant except for two places where leakage occurs: the southwest and southeast corners of the landfill. The capping results in lower groundwater levels and an altered groundwater divide, which will reduce the contaminant leakage, particularly in the southwest part. Model simulations with varying recharge and chloride concentrations showed that the increase in chloride levels cannot be explained with only decreased infiltration combined with increased concentrations. Therefore, the explanation is assumed to be other physical processes and possibly chemical reactions due to or at the same time as the capping. The model parameters that effected the simulated concentrations to the greatest extent are the conductances in drains, and the hydraulic conductivity of the till soil.

When protection zones for wells are delineated, it is important to acquire good knowledge about possible travel time from different points in the catchment area to the well. Often, simple analytical methods are used for estimating travel times and the assumption is made that the hydraulic conductivity is relatively homogenous within the aquifer. Nevertheless, many aquifers are strongly heterogeneous which may lead to differences between estimates and actual travel times. As a part of the process to develop improved methods for delineating protection zones for groundwater supply wells, a tracer experiment was performed in a glaciofluvial esker formation in Järlåsa. On the basis of the experiment, a numerical flow model was created for the test site. The purpose of this master’s thesis was to apply the flow model to an aquifer where the hydraulic conductivity shows great variability and should be described by a stochastic distribution. The purpose was also to determine the statistical properties of the hydraulic conductivity and to simulate the transport times and their variation from different locations in the aquifer to the pumping well. The hydraulic conductivity was estimated from grain size distributions in soil samples that were taken at various locations within the test site. The analysis of the hydraulic conductivity showed a large variation and confirmed the hypothesis that the aquifer is heterogeneous. Using the statistics, a large number of stochastic conductivity fields were created and flow simulation was performed for each realization. From the simulation result, frequency distributions of the transport times were produced describing the probability for the transit time for a water particle between a certain location in the aquifer and the pumping well. A comparison with the tracer experiment shows higher simulated transport times implying the need for improved model calibration. The conclusion is that the method used in this project is suitable for glaciofluvial esker aquifers. When protection zones are delineated, stochastic modeling can be used to express the zone boundaries in statistical terms. / När skyddsområden för grundvattentäkter skapas är det viktigt att ha god kännedom om vattnets transporttider från olika delar i tillrinningsområdet till uttagsplatsen av grundvattnet. Metoderna för att bestämma dessa tider är ofta enkla och vanligen görs antagandet att områdets hydrauliska konduktivitet är relativt homogen. Många akviferer är dock kraftigt heterogena och de verkliga transporttiderna kan då skilja sig från de uppskattade. Som ett led i metodutvecklingen för bättre avgränsning av skyddsområden genomfördes ett spårämnesförsök i en isälvsavlagring i Järlåsa. Med utgångspunkt från försöket har en numerisk flödesmodell konstruerats över försöksområdet. Syftet med examensarbetet var att tillämpa flödesmodellen i en akvifer där den hydrauliska konduktiviteten visar sådana variationer att den beskrivs bäst av en stokastisk fördelning. Vidare var syftet att bestämma den hydrauliska konduktivitetens statistiska egenskaper och att simulera transporttiderna och deras variation från olika punkter i akviferen till pumpbrunnen. Den hydrauliska konduktiviteten uppskattades utifrån kornstorleksfördelningar i jordprover som togs på en mängd platser i försöksområdet. Analysen av den hydrauliska konduktiviteten visar stora variationer i området vilket bekräftar att akviferen är heterogen. Utifrån konduktivitetens statistik genererades ett stort antal stokastiska konduktivitetsfält och transporttiderna beräknades för varje realisering. Resultatet från simuleringarna gav frekvensfördelningar för transporttiderna som beskriver sannolikheten för hur lång uppehållstid en vattenpartikel har i marken mellan en startpunkt och pumpbrunnen. Jämfört med spårämnesförsöket blev de simulerade transporttiderna något större vilket tyder på att flödesmodellen kräver en bättre kalibrering mot fältmätningar. Slutsatsen är att metodiken är lämplig för att studera vattnets transporttider i isälvsavlagringen och när ett skyddsområde skapas för den här typen av akvifer kan stokastisk modellering användas för att beskriva skyddszoner i form av statistiska termer.

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Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime. / Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem.

Estimation of the variation in the integrated hydraulic conductivity around the Tunåsen infiltration facility - An investigation of the effects of uncertainties in existing information Almost half of Sweden’s drinking water volume is produced from groundwater. The main fraction of this is extracted from eskers, some of which allow for very large extraction rates. Despite this, the groundwater volume is not sufficient in some areas. This has led to an extensive use of artificial recharge. In Uppsala, the total volume added through artificial recharge is divided between four infiltration facilities. The largest of these facilities is Tunåsen basin infiltration facility, which is situated along the Uppsala esker. For Tunåsen as well as for other recharge facilities, it is of great importance that the infiltrated water is allowed a sufficient transport time before it is extracted further down the flow path. This is in order to ensure that the water obtains characteristics similar to those of natural groundwater. A way to estimate the transport time is to model the groundwater flow in the area between the infiltration facility and the extraction site. However, due to the fact that groundwater flow in eskers often is very complex, modeling such a system requires data of high quality and resolution. The aim of this master’s thesis was to document the variation in estimated values of integrated horizontal hydraulic conductivity and to investigate how the variation was affected by uncertainties connected to existing information for the area between the Tunåsen infiltration facility and the extraction sites in Storvad and Galgbacken. The thesis was done as a pilot study for Uppsala vatten och avfall AB’s upcoming construction of a high-resolution model of the Uppsala and Vattholma eskers. The investigation began with a literature review, from which existing information was compiled. An integrated horizontal hydraulic conductivity was calculated based on two types of information: descriptions of the layers in borehole profiles and information from sieve analyses. The obtained values were then compared to a rough estimate based on information about groundwater flow and hydraulic gradient. The compilation of existing material showed that the largest uncertainties were related to borehole profiles. This was due to the use of different ways to describe soil layers and to lack of information of a soil layer’s true grain size composition. The calculations of integrated hydraulic conductivity showed the largest variation when based on descriptions of borehole profiles. The calculations that were made based on sieve analyses as well as the rough estimate based on groundwater flow and hydraulic gradient showed a smaller variation. However, without the existence of measurements of the actual hydraulic conductivity, it is impossible to say for certain how the documented uncertainties affect the variation. In the upcoming work with the construction of the high-resolution model it is therefore of great importance that such information is obtained, for example by performing pumping tests. / Skattning av den integrerade hydrauliska konduktivitetens variation kring Tunåsens infiltrationsanläggning - En utredning av påverkan från möjliga osäkerheter i befintlig information I Sverige utgörs nästan hälften av den totala dricksvattenvolymen av grundvatten. Den största delen av grundvattnet utvinns ur rullstensåsar, vilka i vissa fall tillåter mycket stora uttag. Trots detta är grundvattenvolymen på vissa håll inte tillräcklig. Detta har lett till att den naturliga grundvattenmängden i sex procent av landets grundvattentäkter kompletteras genom konstgjord infiltration. I Uppsala sker konstgjord infiltration på fyra platser, där Tunåsens infiltrationsanläggning belägen på Uppsalaåsen är den största. För Tunåsen såväl som för andra områden där konstgjord infiltration används, är det av stor betydelse att det infiltrerade vattnet har en tillräckligt lång transporttid mellan infiltrations- och uttagspunkt för att möjliggöra att det får grundvattenliknande egenskaper innan det pumpas upp. Ett sätt att uppskatta denna transporttid är genom att modellera grundvattenflödet i området mellan infiltrationsanläggningen och den eller de grundvattentäkter där vattnet pumpas upp. Till följd av att grundvattenströmningen i rullstensåsar ofta är komplex, ställer dock en modellering av ett sådant område stora krav på både kvalitet och upplösning hos den information från vilken modellen byggs upp. Syftet med detta examensarbete var att dokumentera variationen i en skattad integrerad horisontell hydraulisk konduktivitet och utvärdera hur denna påverkades av osäkerheter relaterade till den idag befintliga informationen för området mellan Tunåsens infiltrationsanläggning och Storvads respektive Galgbackens grundvattentäkt. Detta gjordes som en förstudie till Uppsala vatten och avfall ABs kommande arbete med upprättandet av en noggrann modell över hela Uppsala- och Vattholmaåsen. Arbetet började med en litteraturstudie och en informationsinsamling, genom vilka den idag tillgängliga informationen sammanställdes. Utifrån den sammanställda informationen beräknades sedan värden på hydraulisk konduktivitet baserat på beskrivningarna i de upprättade lagerföljderna och baserat på information från tidigare utförda siktanalyser. De beräknade värdena jämfördes därefter med värden framtagna genom en överslagsberäkning baserad på information om grundvattenflöde och hydraulisk gradient. Sammanställningen av befintlig information visade på att de mest betydande osäkerheterna var relaterade till jordlagerdata, där de kunde kopplas till såväl användandet av olika beskrivningssätt i lagerföljderna som till brister i informationen om verklig kornstorleksfördelning. Skattningarna av integrerad horisontell hydraulisk konduktivitet resulterade i störst variation när de baserades på jordlagerföljderna, då det högsta värdet i många fall var 107 gånger så stort som det lägsta. De beräkningar som utfördes på siktanalyser visade på en mer begränsad variation, vilket även var fallet för överslagsberäkningarna. Utan mätningar på den verkliga hydrauliska konduktiviteten går det dock inte att säkert avgöra hur mycket de funna osäkerheterna påverkar variationen. Inför utvecklingen av den kommande modellen är det därför nödvändigt att komplettera den idag befintliga informationen med ny data, till exempel genom att provpumpningar utförs.

L'étude du système aquifère du Chari Baguirmi vise à améliorer sa connaissance en vue d'une gestion durable etprudente de la ressource en eaux souterraines. Dans la zone d'étude qui couvre 70000 Km2, des campagnes demesures et d'échantillonnages des eaux et de sédiments ont été réalisés. Les eaux échantillonnées ont fait l'objetd'analyses chimiques et isotopiques (O18 et 2H) afin de comprendre le comportement hydrogéochimique dusystème aquifère. La synthèse des données géologiques existantes et la mise en évidence de l'hétérogénéité litho-stratigraphiquepar l'étude granulométrique ont confirmé la complexité hydrogéologique de la zone d'étude. La minéralogie desargiles a montré que le dépôt des différents sédiments se fait de la périphérie vers le centre de la dépression. Cemode de sédimentation permet d'avancer l'hypothèse de l'existence d'une dépression vers laquelle les sédimentsseraient entrainés par l'agent de transport. Cette hypothèse de “ dépression structurale ” réfute l'hypothèseadmise jusqu'à présent d'une origine hydrogéologique (forte évaporation) de cette dépression piézométrique.L'étude basée sur la piézométrie et les données chimiques et isotopiques (O18 et 2H) des eaux a permis decomprendre les processus hydrogéochimiques qui gouvernent la minéralisation des eaux. En plus des isotopes(O18 et 2H), l'utilisation des ratios Br/Cl, Sr/Ca et l'indice d'échanges de bases a permis de mettre en évidenced'une part, l'origine de la salinité des eaux de la dépression piézométrique et d'autre part, les phénomènesd'échanges de bases liés au long temps de séjour des eaux au contact des roches encaissantes et les zones derecharge potentielles de la nappe. / The study of the Chari Baguirmi aquifer system aims to improve the knowledge about this system forsustainable groundwater resource management. In the study area, which covers 70,000 km2, measurementcampaigns and sampling of water and sediments were undertaken. The waters have been sampled for chemicaland isotopic analyzes (18O and 2H) to understand the hydrogeochemical behavior of the aquifer system.The synthesis of existing geological data and highlighting the litho-stratigraphic heterogeneity through thegranulometric study confirmed the hydrogeological complexity of the study area. Clay mineralogy showed thatthe deposition of different sediments occurred from the periphery to the center of the depression. This mode ofsedimentation can hypothesize the existence of a depression into which sediments are trained by the transportagent. This assumption of "structural depression" refutes the hypothesis of a hitherto accepted hydrogeologicalorigin (high evaporation) of the piezometric depression. The study based on the piezometry and chemical and isotopic data (18O and 2H) of water enabled to understand the hydrogeochemical processes that govern the mineralization of the water. In addition to isotopes (2H and 18O), the use of ratios Br/Cl, Sr/Ca and base exchanges index has highlighted on the one hand, the origin of the salinity of waters in the piezometric depression and secondly, the phenomena of base exchanges related to longresidence time of water in contact with rocks and areas of potential groundwater recharge. Numerical modeling of the aquifer was performed in steady state and the results confirm the prevalence of the phenomenon of evaporation in the western p

Le bassin hydrologique du Barada et de l’Awaj est le plus important et le plus intensément exploité de Syrie. Le sous bassin amont de la rivière Awaj occupe la partie sud-ouest de ce bassin. Dans cette région aride, l’eau souterraine représente la principale réserve et ressource de production d’eau. Dans l’optique de caractériser le fonctionnement du système hydrogéologique multicouche local et de calculer un bilan hydrologique pour l’aquifère superficiel, une méthodologie multi techniques couplant hydrochimie, isotopie et hydrodynamisme a été déployée. L’analyse détaillée des données hydrochimiques recueillies a mis en évidence la grande variabilité du fond géochimique local, directement fonction de la stratigraphie. Cette complexité stratigraphique induit une vision hydrogéologique complexe de nombreux corps aquifères. L’évolution de la chimie des eaux révèle la prépondérance du phénomène de dissolution/précipitation des roches carbonatées comme principal mécanisme de contrôle de l’hydrochimie, devant l’hydrolyse des silicates, la dissolution du gypse et l’échange ionique. En conséquence il n’a pas été possible de déduire de l’hydrochimie des eaux les preuves d’une recharge par drainance ascendante depuis l’aquifère du jurassique vers les aquifères superficiels, bien que la similarité des faciès hydrochimiques tend à consolider l’hypothèse d’une origine unique des eaux, sans toutefois permettre une identification des chemins d’écoulement. Les données isotopiques indiquent quant à elles, une infiltration importante et rapide des eaux météoritiques, avant qu’une importante phase d’évaporation n’ait lieu. Ainsi, l’important flux d’infiltration qui se produit essentiellement dans la partie montagneuse de la zone, représente la principale source de recharge du système aquifère multicouche régional. De ce fait la zone d’étude peut se subdiviser en deux sous régions : la première (A) se caractérise par une dissolution active et des flux de circulation d’eau souterraine fortement orientés verticalement vers la profondeur, alors que la seconde (B) est caractérisée par des écoulements peu profonds associés à des interactions hydrochimiques avec les roches encaissantes. Les résultats de la modélisation hydrodynamique du système mettent en évidence la connexion hydraulique entre l’aquifère profond du Jurassique et les aquifères surincombants par le biais d’une drainance ascendante. Le bilan hydrologique de l’aquifère se surface a ainsi pu être appréhendé : les principaux flux de recharge proviennent de l’infiltration des eaux météoritiques mais également de l’écoulement latéral du Jurassique dans la partie montagneuse. La drainance ascendante depuis le Jurassique dans la partie aval est également non négligeable. Du point de vue des sorties, le flux d’écoulement le plus important se situe en direction de l’est vers le centre du bassin. Ce constat permet de concevoir que La sous bassin amont de le rivière Awaj est la principale zone de recharge occidentale du bassin de Barada et Awaj. / Barada and Awaj basin is the most important and extensively used water basin in Syria. The upper part of Awaj River occupies the southwestern part of this basin. In this arid region, groundwater is considered to be as a main source of water supply. In order to assess the main features which characterize the hydrogeological system in this area and calculate the water budget of the first aquifer horizon, a multi approach methodology using hydrochemistry, environmental stable isotopes and groundwater modeling were used as integrated tools. The detailed description of hydrogeochemical conditions has underlined the very complex variability of the stratigraphic sequences and hence the numerous hydrogeological units within the study area. Hydrogeochemical evolution reveals the domination of dissolution/precipitation of carbonate rocks as a main mechanism controlling groundwater chemical composition and to less extend, the silicate hydrolysis, dissolution of gypsum and reverse ion exchange. Consequently, hydrochemical patterns did not give enough evidences for the expecting of huge feeding flow from the Jurassic aquifers towards the Neogene/Quaternary aquifer. The similarity in water type tends to express the existence of a unique hydrochemical system where the individualised groundwater flow paths are difficult to delineate. The isotope compositions imply an important rapid infiltration of atmospheric precipitation before significant evaporation takes place. Hence the infiltrated precipitation provides the main source of groundwater recharge all over the study area and mainly throughout the mountainous parts. The study area can be dividing into two main sub-regions. The sub-region (A) which characterizes by active dissolution phenomena and deep vertical groundwater flow. And sub-region (B) which characterizes by a shallow horizontal flow component associated with active interaction between groundwater and hosting rocks. The result of groundwater model indicates a hydraulic connection between the deep aquifers and the overlying first aquifer through the upward leakage of groundwater. The components of the water budget of the first aquifer had determined. The lateral discharge from the Jurassic aquifer as well as the meteoric recharge is the most important recharging component of this budget. The upward leakage of groundwater from deeper aquifers also plays an important role. However, the lateral discharge from the eastern boundary is the largest discharge component which indicates that the study area can be considered as a main recharge region of the western side of the Barada and Awaj Basin.

The aim of this work is the improvement of model-based data worth analysis for groundwater systems with the use of surrogate models. Physically-based groundwater models are wide-spread tools used to make diverse predictions for research and management problems. They allow incorporation of system knowledge and a multitude of data. Often, this complexity is accompanied with high model run times. This is especially problematic for applications such as uncertainty analysis or data worth analysis, which necessitate many model runs. Surrogate models aim to address these challenges with run time reduction through simplification of the model, usually through techniques of the following three major categories: projection-based methods, data-driven methods and structural reduction methods. The run time reduction through the use of surrogate models is associated with impairments regarding their applicability, accuracy of system representation, predictive uncertainty quantification and integration of system knowledge. In light of these potential limitations, this thesis compares the ability of three different surrogate models in reproducing diverse model predictions and data worth estimates of a complex, real-world benchmark model. The surrogates used are a spatially and parametrically simplified physically-based model, a set of artificial neural networks (ANNs) and a projection-based 'proper orthogonal decomposition' (POD) model. In the first part of this dissertation, the potentials and shortcomings of the popular POD method in regard to boundary representation are detailed and an extension of the method for accurate boundary depiction is proposed. The explicit treatment of boundary conditions is shown to eliminate reduction-induced errors at Dirichlet and Neumann boundaries (and reduce errors at Cauchy boundaries) for a small trade-off in general groundwater head accuracy. Ease of implementation and the potential for purposeful application of the extension allow modelers a target-oriented refinement of POD models. The second part of this dissertation addresses the challenge of quantifying the model simplification error of a surrogate model in light of erroneousness of their model predictions. An existing method for predictive uncertainty quantification is extended to estimate the simplification error and bias of different model predictions of all three surrogate models compared to the complex benchmark model predictions. Results show that the magnitude and structure of model simplification error is highly dependent on both the type of model prediction and surrogate model. In the final part of the thesis, two of the surrogate models are compared with the complex model in their application for analysis of worth of different data types. First-order second-moment data worth analysis methods are extended to account for the non-uniqueness of calibrated model parameters in a robust method. It is then used in collaboration with the surrogate models to analyze the worth of existing, 'future' and 'parametric' data for varying model predictions. The comparison of changes in predictive uncertainty variance between complex model and the surrogates shows that the simplified, physically-based model is only able to identify data worth in the existing calibration data set. The POD model is a suitable surrogate for data worth analysis in regards to all differing predictions and worth of existing, 'future' and 'parametric' data when combined with the strengths of the proposed robust data worth analysis method.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Surrogate modeling for groundwater systems 2.1.1 Introduction 2.1.2 Projection-based methods 2.1.3 Data-driven methods 2.1.4 Structural simplification methods 2.1.5 Open research questions 2.2 Uncertainty and data worth analysis 2.2.1 Introduction 2.2.2 Sources of uncertainty in groundwater modeling 2.2.3 Types of uncertainty analysis 2.2.4 Data worth analysis 2.2.5 Open research questions 3 Objectives and contributions 3.1 Explicit boundary treatment in POD 3.2 Analysis of model simplification error 3.3 Robust data worth analysis using surrogate models 3.4 Expected impact 4 Methods 4.1 The Wairau Plain aquifer, the complex model and its surrogates 4.1.1 The Wairau Plain aquifer 4.1.2 Complex MODFLOW model of the Wairau Plain aquifer (CM) 4.1.3 Surrogate 1: simplified MODFLOW model (SM1,sMm) 4.1.4 Surrogate 2: linearized POD model (SM2,POD) 4.1.5 Surrogate 3: artificial neural networks (SM3,ANN) 4.2 POD extension for explicit boundary treatment 4.2.1 Groundwater models and basic POD 4.2.2 Theory of explicit treatment of boundary conditions in POD 4.2.3 Different boundary conditions in eb-POD 4.2.4 Cost of eb-POD compared to basic POD 4.3 Model simplification error analysis - theory 4.3.1 A linear model, solution space and null-space 4.3.2 Surrogate model: definition and calibration 4.3.3 Parameter simplification - relationship between complex model and surrogate model parameters 4.3.4 Simplification error of surrogate model predictions 4.4 Model simplification error analysis - scatter plot analysis 4.4.1 Methodology 4.4.2 General features of the scatter plots 4.4.3 Contributions of error terms 4.4.4 Prediction pairs 4.4.5 Summary 4.5 Robust data worth analysis 4.5.1 First-order second-moment uncertainty estimation 4.5.2 Worth of data 4.5.3 Generating calibrated parameter sets - null-space parameter perturbation 4.5.4 Robust data worth analysis 5 Results and discussion 5.1 Explicit treatment of boundary conditions in POD 5.1.1 (Variable) Dirichlet boundaries 5.1.2 Neumann boundaries 5.1.3 Cauchy boundaries 5.1.4 Applying eb-POD: summary 5.2 Quantifying model simplification error 5.2.1 Simplified MODFLOW model: SM1,sMm 5.2.2 POD surrogate model: SM2,POD 5.2.3 ANN surrogate model: SM3,ANN 5.2.4 Surrogate comparison: simplification errors in model predictions 5.3 Robust data worth analysis using surrogate models 5.3.1 Worth of existing data 5.3.2 Worth of 'future' data 5.3.3 Worth of 'parametric' data 5.3.4 Data worth with surrogate models: summary 5.4 Discussion 6 Conclusions and outlook A Appendix: Publications / Das Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung modellbasierter Datenwertanalyse in Grundwassersystemen mittels Ersatzmodellen. Vielfältige Fragestellungen im Fachgebiet Grundwasser werden in Wissenschaft und Praxis mithilfe von physikalisch basierten Modellen beantwortet. Solche Modelle können hierbei vorhandene Kenntnisse über das System sowie eine Vielzahl gemessener Daten einbinden. Jedoch führt die zugrundeliegende Komplexität häufig zu langen Modelllaufzeiten, was insbesondere für Anwendungen mit vielen Modellläufen, wie Unsicherheits- oder Datenwertanalyse, problematisch ist. Hier greifen Ersatzmodelle an: eine Vereinfachung des Modells reduziert die zugehörigen Laufzeiten. Solche Ersatzmodelle lassen sich in drei Kategorien einteilen: projektionsbasierte Methoden, datengetriebene Methoden und strukturreduzierende Methoden. Ersatzmodelle haben jedoch auch verschiedene Nachteile: eingeschränkte Anwendbarkeit, geringere Genauigkeit der Systemabbildung, verringerte Qualität ihrer Vorhersage- und Unsicherheitsschätzung, sowie Restriktionen bei der Integrierung vorhandener Systemkenntnisse. Zur Abschätzung dieser möglichen Einschränkungen vergleicht diese Arbeit drei verschiedene Ersatzmodelle mit einem realen, komplexen Benchmarkmodell in Bezug auf ihre Fähigkeit, verschiedene Modellvorhersagen und Datenwertabschätzungen glaubhaft zu reproduzieren. Die drei Ersatzmodelle sind: ein räumlich und parametrisch vereinfachtes, physikalisch basiertes Modell, ein Verbund künstlicher neuronaler Netze und ein projektionsbasiertes 'proper orthogonal decomposition' (POD) Modell. Der erste Teil der Arbeit widmet sich den Ungenauigkeiten der weitverbreiteten POD Methode bei der Abbildung von Randbedingungen und zeigt eine Erweiterung der Methode zur präziseren Darstellung der Randbedingungen in POD auf. Es wird nachgewiesen, dass diese explizite Behandlung der Randbedingungen in POD reduktionsbasierte Fehler in den Dirichlet- und Neumann-Randbedingungen eliminiert sowie Fehler in den Cauchy-Randbedingungen reduziert. Die Methode führt jedoch zu einer leicht verringerten Genauigkeit bei der allgemeinen Abbildung der Grundwasserstände im Vergleich zu herkömmlichen POD. Dennoch ist die Methode ein nützliches Werkzeug, da sie eine zielgerichtete Anpassung von POD-Ersatzmodellen erlaubt. Der zweite Teil der Arbeit stellt sich der Aufgabe, den durch die Modellvereinfachung eingebrachten Fehler der Ersatzmodelle bezogen auf ihre Modellvorhersagen zu beurteilen. Hierzu wird eine vorhandene Methode zur Berechnung von Vorhersageunsicherheiten angepasst und erweitert, um Fehler und Bias durch Modellvereinfachung zwischen den drei Ersatzmodellen und dem Benchmarkmodell für verschiedene Modellvorhersagen abzuschätzen. Die Ergebnisse zeigen, dass Größe und Struktur des Fehlers durch Modellvereinfachung stark von der Art der Modellvorhersage und des jeweiligen Ersatzmodells abhängen. Im letzten Teil der Arbeit werden zwei der Ersatzmodelle mit dem Benchmarkmodell bezüglich ihrer Nutzbarkeit zur Datenwertanalyse verglichen. Die verwendete, lokale Methode zur Datenwertanalyse wird auf mehrere plausible Parameterfelder angewandt, um die Nichteindeutigkeit kalibrierter Modellparameter mit einzubeziehen. Mittels dieser erweiterten, robusten Methode werden vorhandene, 'zukünftige' und 'parametrische' Datenwerte in Bezug auf verschiedene Modellvorhersagen für die Ersatzmodelle sowie das Benchmarkmodell evaluiert. Der Vergleich der auf Vorhersageunsicherheiten bezogenen Datenwerte zwischen Benchmarkmodell und dem vereinfachten, physikalisch basierten Modell zeigt, dass dieses Ersatzmodell nur die Ergebnisse für vorhandene Daten korrekt wiedergibt. Das POD Modell dagegen ist ein geeignetes Ersatzmodell hinsichtlich seiner Fähigkeit, Datenwerte des Benchmarkmodells mittels der vorgestellten robusten Methode zu reproduzieren. Dies ist unabhängig von der gewählten Vorhersage und davon, ob vorhandene, 'zukünftige' oder 'parametrische' Daten betrachtet werden.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Surrogate modeling for groundwater systems 2.1.1 Introduction 2.1.2 Projection-based methods 2.1.3 Data-driven methods 2.1.4 Structural simplification methods 2.1.5 Open research questions 2.2 Uncertainty and data worth analysis 2.2.1 Introduction 2.2.2 Sources of uncertainty in groundwater modeling 2.2.3 Types of uncertainty analysis 2.2.4 Data worth analysis 2.2.5 Open research questions 3 Objectives and contributions 3.1 Explicit boundary treatment in POD 3.2 Analysis of model simplification error 3.3 Robust data worth analysis using surrogate models 3.4 Expected impact 4 Methods 4.1 The Wairau Plain aquifer, the complex model and its surrogates 4.1.1 The Wairau Plain aquifer 4.1.2 Complex MODFLOW model of the Wairau Plain aquifer (CM) 4.1.3 Surrogate 1: simplified MODFLOW model (SM1,sMm) 4.1.4 Surrogate 2: linearized POD model (SM2,POD) 4.1.5 Surrogate 3: artificial neural networks (SM3,ANN) 4.2 POD extension for explicit boundary treatment 4.2.1 Groundwater models and basic POD 4.2.2 Theory of explicit treatment of boundary conditions in POD 4.2.3 Different boundary conditions in eb-POD 4.2.4 Cost of eb-POD compared to basic POD 4.3 Model simplification error analysis - theory 4.3.1 A linear model, solution space and null-space 4.3.2 Surrogate model: definition and calibration 4.3.3 Parameter simplification - relationship between complex model and surrogate model parameters 4.3.4 Simplification error of surrogate model predictions 4.4 Model simplification error analysis - scatter plot analysis 4.4.1 Methodology 4.4.2 General features of the scatter plots 4.4.3 Contributions of error terms 4.4.4 Prediction pairs 4.4.5 Summary 4.5 Robust data worth analysis 4.5.1 First-order second-moment uncertainty estimation 4.5.2 Worth of data 4.5.3 Generating calibrated parameter sets - null-space parameter perturbation 4.5.4 Robust data worth analysis 5 Results and discussion 5.1 Explicit treatment of boundary conditions in POD 5.1.1 (Variable) Dirichlet boundaries 5.1.2 Neumann boundaries 5.1.3 Cauchy boundaries 5.1.4 Applying eb-POD: summary 5.2 Quantifying model simplification error 5.2.1 Simplified MODFLOW model: SM1,sMm 5.2.2 POD surrogate model: SM2,POD 5.2.3 ANN surrogate model: SM3,ANN 5.2.4 Surrogate comparison: simplification errors in model predictions 5.3 Robust data worth analysis using surrogate models 5.3.1 Worth of existing data 5.3.2 Worth of 'future' data 5.3.3 Worth of 'parametric' data 5.3.4 Data worth with surrogate models: summary 5.4 Discussion 6 Conclusions and outlook A Appendix: Publications

Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime. / Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem.

Lieu de développement économique et démographique intense, les zones littorales font l'objet de pressions importantes sur l'environnement et, en particulier, sur les ressources en eau. Bien que la gestion des eaux souterraines côtières bénéficie de nombreux résultats issus de la recherche scientifique, une des problématiques majeures reste la connaissance de la géométrie des aquifères. Des interprétations géologiques de la genèse du bassin Plio-Quaternaire du Roussillon, issues de la stratigraphie séquentielle, sont confrontées, par l'intermédiaire d'une base données, à l'hydrogéologie de cet hydrosystème complexe localisé sur la partie littorale des Pyrénées-Orientales. L'étude statistique des points de prélèvement (distribution des crépines, productivité des forages...), l'analyse fonctionnelle (traitement du signal des chroniques piézométriques), l'hydrochimie et la géophysique électrique ont été utilisées afin d'élaborer un modèle conceptuel hydrogéologique des écoulements à l'échelle du bassin et de son prolongement vers le domaine offshore. La présence de la mer, de zones à salinité résiduelle et de cours d'eaux littoraux contribue à augmenter la salinité d'un aquifère libre supérieur (Quaternaire) sus-jacent aux différents aquifères captifs (Pliocène) exploités pour l'eau potable dans la zone littorale. La vulnérabilité face aux intrusions salines de cette ressource de bonne qualité, tant sur le point de vue quantitatif que qualitatif est appréhendée par modélisation. Dans le domaine offshore, le rôle protecteur des formations géologiques à faible et moyenne perméabilité est mis en évidence vis-à-vis de la préservation de la qualité de l'eau potable.