Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

Die vorliegende Arbeit umfasst im ersten Teil eine Literaturrecherche zu Aquifer Storage and Recovery (ASR) im Allgemeinen und den Einfluss physikalisch-chemischer Prozesse auf ASR. Aus dieser konnte abgeleitet werden, dass durch standortbedingte Untergrundeigenschaften stark unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse ablaufen und eine eindeutige Vorhersage zum Verhalten und zur Effizienz von ASR an einem neuen oder bereits genutzten Standort ohne spezifische Informationen nicht möglich ist. Des Weiteren wurde eine Literaturstudie zum Einfluss der transversalen Dispersivität, als Maß für die Vermischung von transportierten Stoffen quer zu einer (natürlichen) Fließrichtung, auf den (reaktiven) Transport durchgeführt. Letztlich wurde im Rahmen einer betreuten Masterarbeit (M. Sc. Chang Liu) eine Bewertung aus der Literatur entnommener transversaler Dispersivitäten durchgeführt. In den weiteren Teilen der Arbeit wurden Fallstudien mit unterschiedlichen Fragestellungen für die Planung und den Betrieb von künstlichen Grundwasseranreicherungen und speziell ASR numerisch modelliert und bewertet. Zuerst wurden numerische Simulationen zum konservativen Transport am Testfeld „Lauswiesen“, Tübingen, Baden-Württemberg durchgeführt. Diese beinhalteten über Direct-Push(DP)-Erkundungsmethoden gewonnene Informationen zur Untergrundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Vorhersage des standortspezifischen Transports in den „Lauswiesen“ und für vergleichbare hydraulische Situationen, auch in Hinsicht auf ASR, deterministische hydrogeologische Einheiten und ihre situationsgerechte Berücksichtigung in numerischen Modellen höchst relevant sind. Aufbauend auf den genannten Ergebnissen wurde eine Masterarbeit durch Herrn M. Sc. Tsegaye Abera Sereche durchgeführt. Diese Masterarbeit zeigte für diesen Fall erneut die hohe Relevanz deterministischer Strukturen gegenüber kleinskaligen, dreidimensionalen Heterogenitäten für ASR. Weiterführende numerische Simulationen zu einem möglichen ASR-Feldtest am Standort „Lauswiesen“ ergaben, dass dieser unter den gegebenen Untergrundbedingungen nur bei Abweichungen von einem vertretbaren Konzept für einen Ein-Brunnen-Test, z. B. bei sehr großen Infiltrationsmengen, oder durch Umwandlung in einen Zwei-Brunnen-Test durchführbar ist. Während dieser Arbeit wurden gemeinsame Forschungsarbeiten mit dem Kansas Geological Survey, Kansas, USA durchgeführt, welche die Bewertung der Verwendbarkeit von DP-Brunnen als alternative Infiltrationsmethode zu Oberflächenmethoden beinhalteten. Als Teil der gemeinsamen Arbeiten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine synthetisierte, numerische Bewertung der neuen DP-Infiltrationsbrunnen sowie einen Vergleich mit einer herkömmlichen Oberflächeninfiltrationsmethode übernommen. Im Einklang mit der Zielstellung der Arbeit wurde ebenfalls eine numerische Bewertung natürlicher und anthropogener Heterogenitäten auf die Infiltration durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten für die neue Infiltrationsmethode signifikante Vorteile abgeleitet werden. Weitere numerische Modellierungen wurden durchgeführt, um die wesentlichen Ergebnisse auf einen Feldstandort in der Südlichen Steiermark, Österreich, anzuwenden, welcher: a) bereits ein horizontales Versickerungssystem besitzt, b) weitere Systeme erhalten soll und c) letztlich eine besondere Herausforderung für vertikale Versickerungssysteme darstellt. Die Modellierung des vorhandenen Systems zeigt die hohe Komplexität der Infiltrationsprozesse. Jedoch konnten hydraulische Parameter bestätigt und in weitere planerische Simulationen zu Verwendung von DP-basierten Infiltrationsbrunnen eingefügt werden. Diese zeigen, dass ein Brunnenfeld am Standort auf relativ geringem Raum installiert werden kann. Zusätzlich zeigt ein Feldversuch an einem weiteren Standort (Pirna, Sachsen), dass hohe Infiltrationsraten unter Nutzung von DP-Brunnen möglich sind. / The works presented in the thesis include in the first part a literature research on Aquifer Storage and Recovery (ASR) in general and the impacts of different physico-chemical processes on ASR. This research concludes that site-specific subsurface conditions lead to varying physical and chemical processes and that a conclusive prediction of function and efficiency of ASR at any site, in-operation or new site design, is not possible without site-specific information. Additionally, a literature study was conducted that focused on the impacts of transverse dispersivity, as a measure for mixing of transported species perpendicular to the (natural) flow direction, on (reactive) transport. Finally, evaluation of transverse dispersivity data available in the literature was performed, which included a supervision of a master thesis (of M. Sc. Chang Liu). Numerical simulations of case studies for different questions of planning and operation of artificial recharge systems and more specifically ASR were realized for the other parts of the thesis. The first evaluated case was the “Lauswiesen” test site, Tübingen, Baden-Wuerttemberg. This study used new insights into the subsurface structure gained by Direct-Push(DP) exploration methods. The results obtained show that for further works at the site and for comparable hydraulic conditions, also in the view of ASR, deterministic hydrogeological subunits and their consideration in numerical models are critical for prediction of site-specific transport. Based on the previous findings, a master thesis was conducted by M. Sc. Tsegaye Abera Sereche. The master thesis yet again revealed for this case the high relevance of deterministic subunits compared to small-scale, three-dimensional heterogeneities for ASR. Further, numerical simulations of a possible ASR field test at “Lauswiesen” site showed that under the prevailing subsurface conditions, a field test can only be realized when the set-up of a single-well-test is impracticably changed, by e.g. very high infiltration volumes, or by transformation into a two-well-test. During the thesis joint research works were performed with the Kansas Geological Survey, Kansas, USA, which contained the evaluation of the applicability of DP wells as an alternative to surface infiltration methods. As part of the joint work, this thesis presents a synthesized numerical evaluation of the new DP well infiltration as well as a comparison to a common surface infiltration system. Furthermore, in accordance with the main objective of the work, numerical evaluation of natural and anthropogenic heterogeneities was performed. The results concluded the advantages for the DP wells for infiltration process. Further numerical models were implemented to convey the important results to a field site at Southern Styria, Austria, where: a) an existing infiltration system is already in operation, b) further infiltration systems are planned and c) the subsurface conditions are rather challenging for vertical infiltration systems. Modeling of the existent system revealed the high complexity of the infiltration processes. However, hydraulic parameters could be verified and included into planning simulations for DP-based infiltration wells. The findings show, that a well field can be installed at a comparably small land. Additionally, a field test at a further test site (Pirna, Sachsen) indicates that high infiltrations rates are possible when DP wells are used.

Managed aquifer recharge (MAR) is widely applied for sustainable groundwater management. Despite its apparent simplicity, the evaluation of MAR schemes can be challenging especially with regard to feasibility assessment, planning but also operation. The absence of proper evaluation methods hinders the optimal operational management, reduces the level of public trust and raises questions about the impact of MAR on the affected ecosystem. The development of appropriate tools could help water utilities to maximize the use of groundwater while satisfying physical, financial, and sustainability constraints. As overall objective, the application of new and advanced tools can increase the understanding of the underlying processes and in that way increase the confidence in MAR and foster the successful implementation of MAR schemes. The thesis consists of three main parts which objectives are to: 1) understand the role of modelling in MAR and identify information gaps by a review of available modelling studies; 2) increase the availability of efficient database and analytical tools including their development and web-based implementation; and 3) improve and contribute to new advances in numerical modelling of MAR. A survey of conducted modelling studies, mainly based on numerical methods, revealed that groundwater flow models are most frequently applied to assess MAR schemes. Modelling objectives comprise the planning and optimization of the design and operation of a MAR facility as well as its impact on the groundwater system. Simulations help to assess the achievable recovery efficiency and occurring geochemical processes to minimize the risk of failure of a planned facility, also with regard to long-term impacts. Furthermore, site-selection and the influence of MAR on seawater intrusion are frequently analysed by modelling. The literature review served as a basis for the MAR model selection tool which enables, dependent on objectives, methods and model types, to extract suitable models and case studies. Based on analytical equations to determine groundwater mounding, saltwater intrusion or the pumping-induced river drawdown, further tools were developed and compiled on a web-based platform for easy access and utilization. The web-based applications can be used as screening tools to assess MAR-related issues. For a more detailed analysis, numerical models represent useful instruments to analyse MAR schemes on various scales. On regional scale, the feasibility of MAR implementation at proposed locations is often a challenging question due to the lack of detailed knowledge of the local groundwater system and its response to MAR. Consequently, an approach combining numerical groundwater flow modelling and GIS-based multi-criteria decision-analysis (MCDA) was formulated and subsequently tested for the city centre of Hanoi, Vietnam. The results indicate that MAR could help to reduce the local overexploitation of groundwater and stop land subsidence. For existing MAR schemes on local scale, the residence time in the subsurface is a critical parameter determining e.g. the removal of pathogens. As the influence of viscosity on the seasonal residence time is not fully clear, a numerical groundwater flow and heat transport model was set up for a MAR scheme in Berlin, Germany to evaluate the seasonal impact of viscosity. The results suggest that the consideration of viscosity in the numerical modelling scheme has an influence on the subsurface travel time and results in shorter residence times. At point scale, clogging represents a critical issue with regard to the long-term viability of a MAR scheme which is frequently neglected in numerical models. The numerical unsaturated flow model HYDRUS-1D/2D was enhanced to enable the simulation of time-variable hydraulic conductivities as an approximation of clogging. With the help of the time-variable scaling factor in combination with the reservoir boundary condition, the increasing water head in the laboratory aquifer well and infiltration basin due to clogging was reproduced. The presented tools and numerical modelling approaches are useful to assess a wide range of MAR-specific issues, to manage the risks associated with implementation and operation and improve the overall performance and reliability of MAR schemes. Through the application of suitable data-based, analytical and numerical tools, the thesis contributes to the perception of MAR as a suitable and reliable technique for water resource management.:1 INTRODUCTION 1 2 ASSESSMENT OF MANAGED AQUIFER RECHARGE THROUGH MODELLING 11 3 WEB-BASED EMPIRICAL AND ANALYTICAL TOOLS FOR INITIAL MAR-RELATED ASSESSMENT 29 4 MANAGED AQUIFER RECHARGE FEASIBILITY ASSESSMENT USING GIS-BASED SUITABILITY MAPPING AND NUMERICAL MODELLING 53 5 INFLUENCE OF VISCOSITY ON THE SEASONAL RESIDENCE TIME DURING MAR OPERATION 73 6 SIMULATION OF HYDRAULIC CONDUCTIVITY CHANGES OVER TIME DURING MAR OPERATION 91 7 SCIENTIFIC IMPLICATIONS AND RESEARCH PERSPECTIVES...113 Bibliography 117 A Appendix 143 / Grundwasseranreicherung (engl. Managed Aquifer Reharge, MAR) wird oftmals für ein nachhaltiges Grundwassermanagement eingesetzt. Trotz der scheinbaren Einfachheit von MAR, kann die Bewertung insbesondere in Bezug auf Machbarkeitsstudien, Planung, aber auch Betrieb herausfordernd sein. Das Fehlen geeigneter Bewertungsmethoden hindert ein optimales Betriebsmanagement, reduziert das Vertrauen der Öffentlichkeit und wirft Fragen über die Auswirkungen von MAR auf das betroffene Ökosystem auf. Die Entwicklung geeigneter Instrumente könnte daher Wasserversorgern helfen, die Nutzung des Grundwassers zu maximieren und gleichzeitig physische, finanzielle und nachhaltige Bedingungen einzuhalten. Als übergeordnetes Ziel kann die Anwendung neuer und fortschrittlicher Instrumente das Verständnis für die zugrunde liegenden Prozesse verbessern und so das Vertrauen in MAR stärken und die erfolgreiche Umsetzung von MAR-Anlagen fördern. Die Arbeit besteht aus drei Hauptteilen, deren Ziele es sind: 1) die Rolle der Modellierung von MAR zu verstehen und Informationslücken durch eine Überprüfung der verfügbaren Modellierungsstudien zu identifizieren; 2) die Verfügbarkeit effizienter datenbankbasierter und analytischer Instrumente einschließlich ihrer Entwicklung und webbasierten Implementierung zu erhöhen; und 3) mit Hilfe von neuen Fortschritten die numerische Modellierung von MAR-Anlagen zu verbessern und zu unterstützen. Eine Literaturrecherche bereits durchgeführter Modellierungsstudien, die vor allem auf numerischen Modellen beruhen, ergab, dass Grundwasserströmungsmodelle am häufigsten zur Beurteilung von MAR-Anlagen eingesetzt werden. Die Modellierungsziele umfassen die Planung und Optimierung des Aufbaus und des Betriebs einer MAR-Anlage sowie deren Auswirkungen auf das Grundwassersystem. Simulationen helfen, die erreichbare Rückgewinnungseffizienz und die auftretenden geochemischen Prozesse zu beurteilen, um das Ausfallrisiko einer geplanten Anlage auch im Hinblick auf langfristige Auswirkungen zu minimieren. Darüber hinaus wird die Standortauswahl und der Einfluss von MAR auf das Eindringen von Meerwasser häufig durch Modellierung analysiert. Die Literaturrecherche diente als Grundlage für das MAR-Modellauswahl-Tool, bei dem in Abhängigkeit von Zielen, Methoden und Modelltypen geeignete Modelle und Fallstudien extrahiert werden können. Weitere Werkzeuge, die auf analytischen Gleichungen zur Bestimmung von Grundwasseraufwölbung, Salzwasserintrusion oder der pumpinduzierten Durchflussreduzierung im Fließgewässer basieren, wurden entwickelt und auf der webbasierten INOWAS-Plattform für einen einfachen Zugang und Nutzung zusammengestellt. Die webbasierten Anwendungen können als Screening-Instrumente zur Beurteilung von MAR-bezogenen Problemen eingesetzt werden. Für eine detailliertere Analyse stellen numerische Modelle nützliche Instrumente zur Analyse von MAR-Anlagen auf verschiedenen Skalen dar. Auf regionaler Ebene ist die Machbarkeit der Umsetzung von MAR an den vorgeschlagenen Standorten oft eine schwierige Frage, da das lokale Grundwassersystem und seine Reaktion auf die Anwendung von MAR nicht hinreichend bekannt sind. Dazu wurde ein Ansatz entwickelt, der numerische Grundwasserströmungsmodellierung und GIS-basierte multikriterielle Entscheidungsanalyse (MCDA) kombiniert, um die Machbarkeit und mögliche Auswirkungen der MAR-Implementierung zu bewerten. Der kombinierte Ansatz wurde im Stadtzentrum von Hanoi, Vietnam, getestet, wo die Ergebnisse darauf hindeuten, dass MAR dazu beitragen könnte, die lokale Übernutzung zu reduzieren und die Bodensenkung zu stoppen. Auf lokaler Ebene bei bestehenden MAR-Systemen ist die Verweilzeit im Untergrund ein kritischer Parameter, der z.B. die Entfernung von Krankheitserregern bestimmt. Da der Einfluss von Viskosität auf die saisonale Verweildauer nicht eindeutig ist, wurde für eine MAR-Anlage in Berlin ein numerisches Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell erstellt, um die saisonalen Auswirkungen des Prozesses zu bewerten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Viskosität einen Einfluss auf die unterirdische Verweilzeit hat und zu einer Verkürzung der Aufenthaltszeiten führt. Auf kleiner Skala stellt die Kolmatierung ein wichtiges Thema dar, das den Erfolg eines MAR-Systems erheblich bestimmt, jedoch in numerischen Modellen häufig vernachlässigt wird. Das numerische ungesättigte Strömungsmodell HYDRUS-1D/2D wurde erweitert, um die Simulation von zeitlich variablen hydraulischen Leitfähigkeiten als vereinfachte Näherung von Kolmatierung zu ermöglichen. Mit Hilfe des zeitlich variablen Skalierungsfaktors in Kombination mit der Speicherrandbedingung konnte der im Labor gemessene, durch Kolmatierung verursachte, ansteigende Wasserspiegel im Brunnen und Infiltrationsbecken reproduziert werden. Die vorgestellten Werkzeuge und numerischen Modellierungsansätze sind nützlich, um eine breite Palette von MAR-spezifischen Fragen zu bewerten, um die mit der Implementierung und dem Betrieb verbundenen Risiken zu managen und die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit von MAR-Anlagen zu verbessern. Durch den Einsatz geeigneter empirischer, analytischer und numerischer Werkzeuge trägt die Arbeit dazu bei, dass MAR als eine geeignete und zuverlässige Technik für das Wasserressourcenmanagement angesehen wird.:1 INTRODUCTION 1 2 ASSESSMENT OF MANAGED AQUIFER RECHARGE THROUGH MODELLING 11 3 WEB-BASED EMPIRICAL AND ANALYTICAL TOOLS FOR INITIAL MAR-RELATED ASSESSMENT 29 4 MANAGED AQUIFER RECHARGE FEASIBILITY ASSESSMENT USING GIS-BASED SUITABILITY MAPPING AND NUMERICAL MODELLING 53 5 INFLUENCE OF VISCOSITY ON THE SEASONAL RESIDENCE TIME DURING MAR OPERATION 73 6 SIMULATION OF HYDRAULIC CONDUCTIVITY CHANGES OVER TIME DURING MAR OPERATION 91 7 SCIENTIFIC IMPLICATIONS AND RESEARCH PERSPECTIVES...113 Bibliography 117 A Appendix 143

Die vorliegende Arbeit umfasst im ersten Teil eine Literaturrecherche zu Aquifer Storage and Recovery (ASR) im Allgemeinen und den Einfluss physikalisch-chemischer Prozesse auf ASR. Aus dieser konnte abgeleitet werden, dass durch standortbedingte Untergrundeigenschaften stark unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse ablaufen und eine eindeutige Vorhersage zum Verhalten und zur Effizienz von ASR an einem neuen oder bereits genutzten Standort ohne spezifische Informationen nicht möglich ist. Des Weiteren wurde eine Literaturstudie zum Einfluss der transversalen Dispersivität, als Maß für die Vermischung von transportierten Stoffen quer zu einer (natürlichen) Fließrichtung, auf den (reaktiven) Transport durchgeführt. Letztlich wurde im Rahmen einer betreuten Masterarbeit (M. Sc. Chang Liu) eine Bewertung aus der Literatur entnommener transversaler Dispersivitäten durchgeführt. In den weiteren Teilen der Arbeit wurden Fallstudien mit unterschiedlichen Fragestellungen für die Planung und den Betrieb von künstlichen Grundwasseranreicherungen und speziell ASR numerisch modelliert und bewertet. Zuerst wurden numerische Simulationen zum konservativen Transport am Testfeld „Lauswiesen“, Tübingen, Baden-Württemberg durchgeführt. Diese beinhalteten über Direct-Push(DP)-Erkundungsmethoden gewonnene Informationen zur Untergrundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Vorhersage des standortspezifischen Transports in den „Lauswiesen“ und für vergleichbare hydraulische Situationen, auch in Hinsicht auf ASR, deterministische hydrogeologische Einheiten und ihre situationsgerechte Berücksichtigung in numerischen Modellen höchst relevant sind. Aufbauend auf den genannten Ergebnissen wurde eine Masterarbeit durch Herrn M. Sc. Tsegaye Abera Sereche durchgeführt. Diese Masterarbeit zeigte für diesen Fall erneut die hohe Relevanz deterministischer Strukturen gegenüber kleinskaligen, dreidimensionalen Heterogenitäten für ASR. Weiterführende numerische Simulationen zu einem möglichen ASR-Feldtest am Standort „Lauswiesen“ ergaben, dass dieser unter den gegebenen Untergrundbedingungen nur bei Abweichungen von einem vertretbaren Konzept für einen Ein-Brunnen-Test, z. B. bei sehr großen Infiltrationsmengen, oder durch Umwandlung in einen Zwei-Brunnen-Test durchführbar ist. Während dieser Arbeit wurden gemeinsame Forschungsarbeiten mit dem Kansas Geological Survey, Kansas, USA durchgeführt, welche die Bewertung der Verwendbarkeit von DP-Brunnen als alternative Infiltrationsmethode zu Oberflächenmethoden beinhalteten. Als Teil der gemeinsamen Arbeiten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine synthetisierte, numerische Bewertung der neuen DP-Infiltrationsbrunnen sowie einen Vergleich mit einer herkömmlichen Oberflächeninfiltrationsmethode übernommen. Im Einklang mit der Zielstellung der Arbeit wurde ebenfalls eine numerische Bewertung natürlicher und anthropogener Heterogenitäten auf die Infiltration durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten für die neue Infiltrationsmethode signifikante Vorteile abgeleitet werden. Weitere numerische Modellierungen wurden durchgeführt, um die wesentlichen Ergebnisse auf einen Feldstandort in der Südlichen Steiermark, Österreich, anzuwenden, welcher: a) bereits ein horizontales Versickerungssystem besitzt, b) weitere Systeme erhalten soll und c) letztlich eine besondere Herausforderung für vertikale Versickerungssysteme darstellt. Die Modellierung des vorhandenen Systems zeigt die hohe Komplexität der Infiltrationsprozesse. Jedoch konnten hydraulische Parameter bestätigt und in weitere planerische Simulationen zu Verwendung von DP-basierten Infiltrationsbrunnen eingefügt werden. Diese zeigen, dass ein Brunnenfeld am Standort auf relativ geringem Raum installiert werden kann. Zusätzlich zeigt ein Feldversuch an einem weiteren Standort (Pirna, Sachsen), dass hohe Infiltrationsraten unter Nutzung von DP-Brunnen möglich sind. / The works presented in the thesis include in the first part a literature research on Aquifer Storage and Recovery (ASR) in general and the impacts of different physico-chemical processes on ASR. This research concludes that site-specific subsurface conditions lead to varying physical and chemical processes and that a conclusive prediction of function and efficiency of ASR at any site, in-operation or new site design, is not possible without site-specific information. Additionally, a literature study was conducted that focused on the impacts of transverse dispersivity, as a measure for mixing of transported species perpendicular to the (natural) flow direction, on (reactive) transport. Finally, evaluation of transverse dispersivity data available in the literature was performed, which included a supervision of a master thesis (of M. Sc. Chang Liu). Numerical simulations of case studies for different questions of planning and operation of artificial recharge systems and more specifically ASR were realized for the other parts of the thesis. The first evaluated case was the “Lauswiesen” test site, Tübingen, Baden-Wuerttemberg. This study used new insights into the subsurface structure gained by Direct-Push(DP) exploration methods. The results obtained show that for further works at the site and for comparable hydraulic conditions, also in the view of ASR, deterministic hydrogeological subunits and their consideration in numerical models are critical for prediction of site-specific transport. Based on the previous findings, a master thesis was conducted by M. Sc. Tsegaye Abera Sereche. The master thesis yet again revealed for this case the high relevance of deterministic subunits compared to small-scale, three-dimensional heterogeneities for ASR. Further, numerical simulations of a possible ASR field test at “Lauswiesen” site showed that under the prevailing subsurface conditions, a field test can only be realized when the set-up of a single-well-test is impracticably changed, by e.g. very high infiltration volumes, or by transformation into a two-well-test. During the thesis joint research works were performed with the Kansas Geological Survey, Kansas, USA, which contained the evaluation of the applicability of DP wells as an alternative to surface infiltration methods. As part of the joint work, this thesis presents a synthesized numerical evaluation of the new DP well infiltration as well as a comparison to a common surface infiltration system. Furthermore, in accordance with the main objective of the work, numerical evaluation of natural and anthropogenic heterogeneities was performed. The results concluded the advantages for the DP wells for infiltration process. Further numerical models were implemented to convey the important results to a field site at Southern Styria, Austria, where: a) an existing infiltration system is already in operation, b) further infiltration systems are planned and c) the subsurface conditions are rather challenging for vertical infiltration systems. Modeling of the existent system revealed the high complexity of the infiltration processes. However, hydraulic parameters could be verified and included into planning simulations for DP-based infiltration wells. The findings show, that a well field can be installed at a comparably small land. Additionally, a field test at a further test site (Pirna, Sachsen) indicates that high infiltrations rates are possible when DP wells are used.

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

The current pressure on water resources is such, that water scarcity is now an important issue in regions with abundant water resources like the Tropics. These regions are characterized by high precipitation rates almost all year long. This results in a relatively large availability of water resources. However, these water resources are not always equally distributed in time or space, which causes periods and puts areas under water stress in tropical regions. Added to this is the challenge related to the access to these water resources, resulting in a reduced availability in general terms. Costa Rica is a clear example of a country in the Tropical regions, where water scarcity is, actually, on the top of the water agenda. Costa Rica is in the torrid tropical region in Central America, yet it experiences periods of shortage in its available water resources at the end of the dry season. This affects all water sectors, specially agriculture and drinking water supply systems. This situation has been magnified by global change, with a greater demand of resources from population growth, impermeabilization of recharge areas due to urbanization, and reduction of resources due to climate change. To adapt to the situation, it is necessary to conduct an evaluation of suitable water management tools for the country’s environmental conditions in a systematic way. This work focuses on one of these tools: managed aquifer recharge (MAR) MAR techniques are a promising approach to address the defined problems, by storing the excess of available water resources during the rainy season in suitable aquifer systems for later use during the dry season. MAR techniques present certain advantages compared to surface storage: less losses through evaporation, less demand of superficial area, among others. In order to determine if MAR techniques are suitable for Costa Rica and will help overcome the temporary water scarcity challenge, three main topics at different scale are investigated. First, at a country scale, the search of suitable areas for specific MAR techniques within the country is carried out based on physical criteria. Second, at a research scale, it is reduced to a basin level. For this case, the assessment of a MAR project based on the first stage of the Australian MAR guidelines is done. This consists of a checklist of five critical elements, which constitutes the base for the assessment of a MAR project. Third, the research is taken into a laboratory scale, where the research focuses on an injection well in an unconfined aquifer system. For the first topic, suitable areas for the implementation of MAR technique spreading methods are identified in Costa Rica by conducting a geographical information science-multi-criteria decision analysis (GIS-MCDA) approach. This is based on four criteria: hydrogeological geoaptitude, terrain slope, top soil texture, and drainage network density. By carrying out a GIS-MCDA, the country is classified into suitable and unsuitable. Based on this method, 61 % of the country is suitable for spreading methods. Among the higher ranked suitable areas are the ones located in the northern and northwest regions. The ranking of the country based on spreading methods by means of a GIS-MCDA method is a first course of action to determine where further research is needed. In the second research level, the feasibility of a MAR project was assessed in the Machuca River basin. This river basin was chosen because: the drinking water supply systems (WSS) do not meet the actual demand, there is government interest to research new water supply alternatives and there is enough basic information on this water basin. To evaluate the feasibility of a MAR project in the basin, the first stage of the feasibility assessment proposed by the Australian MAR guidelines was performed. This consists of a checklist of five critical elements: 1) sufficient demand, 2) adequate recharge source, 3) suitable aquifer, 4) space to treat and, 5) human capability. For an easier analysis of the whole river basin, it was divided into five locations based on the superficial aquifer water levels. It was concluded that a MAR project seems viable in this river basin in the Coyolar and Orotina locations. Regarding the MAR technique to be applied in the MAR project at the Machuca River basin, two considerations were taken: the previously determined suitability and the local conditions. First, the entire Machuca River is ranked as suitable for surface infiltration (MAR spreading method) based on the results from the country scale analysis. The Coyolar and Orotina locations are ranked as having a moderate suitability (between 0.4-0.6). Second, the best material aquifer for recharge in these two locations are the fractured lavas and alluvium located under clay layers. For these two reasons (moderate spreading methods suitability and local conditions), it was decided that direct injection MAR techniques (aquifer storage and recovery – ASR) will be more appropriate for these two locations. At the laboratory research scale, the effect of the well screen length on the injection rate for an unconfined aquifer was corroborated under controlled laboratory conditions. This is one of the first experiments on the topic to the best of the author’s knowledge. One of the main findings of the laboratory research is the almost neglectful effect on the injection rate for screen lengths above 80 % of the saturated thickness in an unconfined aquifer. The effect on the screen length is notable in the injection rate for open screen length under 80 % of the total aquifer thickness (95 % of the maximum achievable injection rate) and it increases for open screen lengths under 40 % (90 % of the maximum achievable injection rate). Based on the experimental results, it is recommended to use a screen length of 40 % of the saturated aquifer thickness for ASR wells and of 80 % for injection wells. This assessment shows that MAR techniques are suitable for Costa Rica’s environmental conditions. Further on, the assessment at the basin level shows MAR techniques as a promising solution to overcome water scarcity issues. The laboratory scale aquifer-well interactions show promising results regarding the effect of the screen well in the injection rate. Still, more research is needed in this field regarding other aquifer types. Based on all these findings, MAR techniques are an appropriate tool for the integrated water management in the tropical regions. / Der gegenwärtige Druck auf die Wasserressourcen ist so groß, dass Wasserknappheit sogar in den Tropen zum Thema wird. Diese Regionen sind von hohen Niederschlagsraten geprägt, was zu einer relativ großen Verfügbarkeit von Wasserressourcen führt. Diese sind jedoch nicht immer zeitlich und räumlich gleich verteilt, was temporären und/oder regionalen Wasserstress verursacht. Darüber hinaus hängt die Herausforderung auch mit dem Zugang zu diesen Wasserressourcen zusammen, was zu einer allgemein reduzierten Verfügbarkeit führt. Costa Rica ist ein Beispiel für ein tropisches Land, in dem Wasserknappheit in den letzten Jahren zunehmend an Relevanz gewonnen hat. Costa Rica leidet gegen Ende der Trockenzeit fast jedes Jahr an einem temporären Wassermangel. Dies betrifft alle Wassersektoren, insbesondere die Landwirtschaft und die Trinkwasserversorgung. Diese Situation wird durch den globalen Wandel verstärkt, mit einer größeren Nachfrage nach Ressourcen aufgrund von Bevölkerungswachstum, der Verhinderung von Grundwasserneubildung durch Urbanisierung und Versiegelung und, nicht zuletzt, den Klimawandel. Um sich an diese Situation anzupassen, ist es notwendig, eine systematische Evaluierung geeigneter Wasserbewirtschaftungsinstrumente für die Umweltbedingungen des Landes durchzuführen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf eines dieser Werkzeuge: Managed Aquifer Recharge (MAR). MAR-Techniken stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um die zuvor definierten Probleme anzugehen, indem die überschüssigen Wasserressourcen während der Regenzeit in geeigneten Grundwasserleitersystemen zur späteren Nutzung in der Trockenzeit gespeichert werden. MAR-Techniken bieten im Vergleich zur Oberflächenspeicherung gewisse Vorteile, unter anderem geringere Verdunstungsverluste und geringeren Raumbedarf. Um zu bestimmen, ob MAR-Techniken für Costa Rica geeignet sind und dabei helfen können, die zeitlichen Wasserknappheitsherausforderungen zu überwinden, wurden drei Hauptthemen in unterschiedlichen Skalen untersucht. Die Suche nach geeigneten Gebieten für spezifische MAR-Techniken im Land erfolgte zunächst auf der Grundlage von physikalischen Kriterien. Als Zweites wurde die Forschungsskala auf ein Beckenniveau reduziert. Für diesen Fall wurde die Bewertung eines MAR-Projekts auf der Grundlage der ersten Stufe der australischen MAR-Richtlinien durchgeführt. Diese basiert auf einer Checkliste mit fünf kritischen Elementen, welche die Grundlage für die Bewertung eines MAR-Projektes bilden. Zuletzt wurde die Untersuchung im Labormaßstab durchgeführt, wobei sich die Experimente auf Injektionsbohrlöcher in einem ungespannten Grundwasserleitersystem konzentrierten. Für das erste Thema wurden in Costa Rica geeignete Bereiche für die Implementierung von MAR-Technik-Verteilungsmethoden mithilfe eines GIS-basierten Multikriterien- Entscheidungsanalysen-Ansatzes (GIS-MCDA) identifiziert. Dieser basierte auf vier Kriterien: Hydrogeologie, Geländegefälle, oberste Bodentextur und Drainagenetzdichte. Durch die Realisierung eines GIS-MCDA wurde das Land in geeignete und ungeeignete Gebiete eingeteilt. Mit dieser Methode wurden 61 % des Landes als geeignet für die Beckeninfiltration befunden. Gut eingestufte Gebiete liegen hierbei größtenteils im Norden und im Nordwesten. Das Ranking-Verfahren des Landes mit Hilfe einer GIS-MCDA-Methode ist eine erste Vorgehensweise zur Bestimmung weiterer Forschungsgebiete. In der zweiten Forschungsstufe wurde die Machbarkeit eines MAR-Projekts im Machuca-Einzugsgebiet untersucht. Dieses Flussgebiet wurde aus folgenden Gründen gewählt: Die Trinkwasserversorgungsanlagen erfüllen die tatsächliche Nachfrage nicht, weshalb es auch im Interesse der Regierung liegt, nach Alternativen für die Wasserversorgung zu forschen. Darüber hinaus ist die Region geologisch gut erschlossen und die Informationsdichte ist ausreichend hoch. Um die Realisierbarkeit eines MAR-Projektes im Einzugsgebiet zu bewerten, wurde die erste Stufe der Machbarkeitsbewertung anhand der Checkliste an fünf kritischen Elementen durchgeführt: 1) ausreichende Nachfrage, 2) angemessene Wiederaufladungsquelle, 3) geeigneter Grundwasserleiter, 4) Raum für Maßnahmen und 5) Humanressourcen. Um die Analyse des gesamten Flusseinzugsgebietes zu vereinfachen, wurde es in fünf Bereiche eingeteilt, die auf den oberflächennahen Grundwasserständen basieren. Es wurde der Schluss gezogen, dass ein MAR-Projekt in diesem Flussgebiet an den Standorten Coyolar und Orotina nachhaltig erscheint. In Bezug auf die MAR-Technik, die in einem MAR-Projekt am Machuca-Flussbecken angewendet werden soll, wurden Überlegungen angestellt hinsichtlich der zuvor ermittelten Eignung und der örtlichen Gegebenheiten. Zunächst wurde der gesamte Machuca-Fluss aufgrund der Ergebnisse der Länderanalyse als geeignet für die Oberflächeninfiltration eingestuft. Die Coyolar- und Orotina-Standorte wurden mit einer moderaten Eignung eingestuft. Weiterhin wurde festgestellt, dass die für die Grundwasseranreicherung geeignetste Formation die Kies- und Bruchlavenlagen darstellen, die sich unter einer Tonschicht befinden. Aus diesen beiden Gründen (moderate Eignung für Beckeninfiltration, und lokale Hydrogeologie) wurde entschieden, dass MAR-Techniken mit direkter Injektion (Aquifer Storage and Recovery - ASR) für diese beiden Standorte geeigneter sind. In der kleinsten Untersuchungsskala wurde der Einfluss der Filterlänge auf die Injektionsrate für einen freien Grundwasserleiter unter kontrollierten Laborbedingungen bestätigt. Dies ist eines der ersten Experimente zu diesem Thema nach bestem Wissen des Autors. Eines der Hauptergebnisse der Laborforschung ist der fast vernachlässigbare Effekt auf die Injektionsrate bei Filterlängen von über 80 % der gesättigten Mächtigkeit in einem freien Grundwasserleiter. Die Wirkung auf die Filterlänge ist bei der Injektionsrate für offene Filterlängen unter 80 % der gesamten Grundwasserleiterhöhe (95 % der maximal erreichbaren Injektionsrate) und bei offenen Filterlängen unter 40 % (90 % der maximal erreichbaren Injektionsrate). Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird empfohlen, eine Filterlänge von 40 % der gesättigten Grundwasserleiterhöhe für ASR-Brunnen und 80 % für Injektionsbohrungen zu verwenden. Die vorliegende Bewertung zeigt, dass MAR-Techniken für die Umweltbedingungen in Costa Rica gut geeignet sind. Darüber hinaus demonstriert die Bewertung auf der Einzugsgebietsebene MAR als eine Lösung zur Überwindung von Wasserknappheitsproblemen. Die Grundwasserleiter-Brunnen-Interaktionen im Labormaßstab zeigen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Wirkung der Filterlänge auf die Injektionsrate. Dennoch ist auf diesem Gebiet mehr Forschung in Bezug auf andere Aquifertypen erforderlich. Basierend auf all diesen Erkenntnissen sind MAR-Techniken ein geeignetes Werkzeug für das integrierte Wassermanagement in der tropischen Umwelt. / La presión actual sobre los recursos hídricos es tal, que la escasez de agua es ahora un problema importante en áreas con abundantes recursos hídricos como las regiones tropicales. Estas regiones se caracterizan por altas tasas de precipitación casi durante todo el año. Esto da como resultado una disponibilidad relativamente grande de recursos hídricos. Sin embargo, estos recursos hídricos no siempre se distribuyen equitativamente en el tiempo y el espacio, lo que causa períodos y pone áreas bajo estrés hídrico en las regiones tropicales. Además de esto, el desafío también está relacionado con el acceso a estos recursos hídricos, lo que crea una disponibilidad reducida en términos generales. Costa Rica es un claro ejemplo de un país en las regiones tropicales, donde la escasez de agua se encuentra en lo más alto de la agenda del agua. Costa Rica está situada en la región tropical tórrida de América Central, sin embargo, experimenta períodos de escasez en sus recursos hídricos disponibles al final de la estación seca. Esto afecta a todos los sectores de agua, especialmente a la agricultura y a los sistemas de suministro de agua potable. Esta situación ha sido magnificada por el cambio global, con una mayor demanda de recursos por el crecimiento de la población, la impermeabilización de las áreas de recarga por la urbanización y la reducción de recursos debido al cambio climático. Para adaptarse a esta situación, es necesario llevar a cabo una evaluación sistemática de las herramientas de gestión del agua adecuadas para las condiciones ambientales del país. Este trabajo se centra en una de estas herramientas: la gestión de la recarga acuíferos gestionados (MAR). Las técnicas de MAR son un enfoque prometedor para abordar los problemas previamente definidos, almacenando el exceso de recursos hídricos disponibles durante la estación lluviosa en sistemas acuíferos adecuados para su uso posterior en la estación seca. Las técnicas de MAR presentan ciertas ventajas en comparación con el almacenamiento en superficie: menos pérdidas por evaporación y menor demanda de área superficial, entre otras. Con el fin de determinar si las técnicas de MAR son adecuadas para Costa Rica y ayudarán a superar los desafíos temporales de escasez de agua, se investigaron tres temas principales a diferentes escalas. Primero, en una escala de país, la búsqueda de áreas adecuadas para técnicas específicas de MAR en el país se realizó con base en criterios físicos. En segundo lugar, la escala de investigación se reduce a un nivel de cuenca. Para este caso, se realizó la evaluación de un proyecto de MAR basado en la primera etapa de las directrices australianas de MAR. Esta consiste en una lista de verificación de cinco elementos críticos, que constituye la base para la evaluación de un proyecto MAR. En tercer lugar, la investigación se lleva a escala de laboratorio, donde la investigación se centra en los pozos de inyección en un sistema acuífero no confinado. Para el primer tema, las áreas adecuadas para la implementación de los métodos de infiltración de la MAR se identifican en Costa Rica mediante un enfoque de ciencia la información geográfica y análisis de decisión multicriterio (SIG-MCDA). Esto se basa en cuatro criterios: geoaptitud hidrogeológica, pendiente del terreno, textura del suelo superior y densidad de la red de drenaje. Al realizar un GIS-MCDA, el país se clasifica en áreas adecuadas e inadecuadas. Con base en este método, el 61 % del país se consideró adecuado para métodos de infiltración. Las áreas adecuadas mejor clasificadas se encuentran en las regiones del norte y noroeste del país. La clasificación del país según el potencial de los métodos de infiltración por medio de un método GIS-MCDA es un primer curso de acción para determinar otras áreas de investigación. En el segundo nivel de investigación, se evaluó la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca. Esta cuenca hidrográfica se eligió porque: los sistemas de suministro de agua potable no satisfacen la demanda real, existe un interés del gobierno en buscar nuevas alternativas de suministro de agua y hay suficiente información básica en esta cuenca hidrográfica. Para evaluar la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca, la primera etapa de la evaluación se realizó sobre la base de la lista de cinco elementos críticos: 1) demanda suficiente, 2) fuente de recarga adecuada, 3) acuífero adecuado, 4) espacio para tratar el agua y, 5) la capacidad humana. Para facilitar el análisis de toda la cuenca del río, se dividió en cinco localidades en función de los niveles de agua superficiales del acuífero. Se concluyó que un proyecto MAR parece viable en esta cuenca en las localidades Coyolar y Orotina. Con respecto a la técnica de MAR que se aplicará en un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca, se tomaron dos consideraciones: la idoneidad previamente determinada y las condiciones locales. En primer lugar, todo el río Machuca se clasifica como adecuado para la infiltración superficial (método de infiltración MAR) en función de los resultados del análisis a escala de país. Las localidades Coyolar y Orotina se clasifican con una idoneidad moderada. En segundo lugar, el mejor material acuífero para la recarga en estos dos lugares son las fracturas lavas y aluviones ubicados bajo capas de arcilla. Se decidió que las técnicas de inyección directa MAR (almacenamiento y recuperación - ASR) serán más apropiadas para estas dos ubicaciones por estas dos razones (idoneidad de los métodos de propagación moderada y condiciones locales). En la escala de investigación más pequeña, el efecto de la longitud de la pantalla del pozo sobre la tasa de inyección para un acuífero no confinado se corroboró bajo condiciones de laboratorio controladas. Este es uno de los primeros experimentos sobre el tema según el mejor conocimiento del autor. Uno de los principales hallazgos de la investigación de laboratorio es el efecto casi nulo en la tasa de inyección para longitudes de pantalla superiores al 80 % del espesor saturado en un acuífero no confinado. El efecto en la longitud de la pantalla es apreciable en la velocidad de inyección para pantalla abierta inferior al 80 % del espesor total del acuífero (95 % de la máxima velocidad de inyección alcanzable) y aumenta para longitudes de pantalla abierta por debajo del 40 % (90 % de la máxima tasa de inyección alcanzable). En base a los resultados experimentales, se recomienda utilizar una longitud de malla del 40 % del espesor del acuífero saturado para los pozos ASR y del 80 % para los pozos de inyección. La presente evaluación muestra que las técnicas de MAR son adecuadas para las condiciones ambientales de Costa Rica. Más allá, la evaluación a nivel de cuenca muestra las técnicas de MAR como una solución para superar los problemas de escasez de agua. Las interacciones entre acuíferos y pozos a escala de laboratorio muestran resultados prometedores con respecto al efecto de la pantalla en la velocidad de inyección. Aun así, se necesita más investigación en este campo con respecto a otros tipos de acuíferos. Con base en todos estos hallazgos, las técnicas de MAR son una herramienta apropiada para la gestión integrada del agua en las regiones tropicales.

In der vorliegenden Dissertation sollten die hydrogeochemischen Prozesse herausgearbeitet werden, die für die Wasserqualitätsänderung während eines ASR Experiments in Bolivar, Südaustralien und während der Versickerung in einem künstlichen Grundwasseranreicherungsbecken in Berlin von Bedeutung waren. Reaktive Stofftransportmodellierung des ASR Experiments in Bolivar, Südaustralien zeigte, dass die hydrochemischen Veränderungen in der direkten Umgebung des Injektionsbrunnens während der Speicherphase nur durch rapide Änderungen der Sauerstoff- und Nitrat reduzierenden Bakterienmasse erklärt werden können. Die hydrochemischen Veränderungen in größerer Distanz zum Injektionsbrunnen wurden überwiegend durch Ionenaustauschprozesse und Kalzitlösung verursacht. Geochemische und hydraulische Messungen unter einem Sickerbecken in Berlin zeigten, dass die beobachteten geochemischen Änderungen im Sickerwasser mit den periodisch auftretenden wassergesättigten/wasserungesättigen Bedingungen unter dem Becken einhergehen. Während der ungesättigten Periode wird Luft unter das Becken gezogen und führt zur plötzlichen Reoxidierung von bereits in der gesättigten Periode gebildeten Eisensulfiden und zur beschleunigten Mineralisation von sedimentärem organischem Kohlenstoff. Reaktive Stofftransportmodellierung auf größerer Skale zeigte, dass allein die saisonalen Temperaturunterschiede im Infiltrationswasser für die beobachtete zeitliche und räumliche Dynamik der Redoxzonen im weiteren Abstrom des Sickerbeckens verantwortlich sind. Das Abbauverhalten der Arzneimittelsubstanz Phenazon hängt ausschließlich von der Verfügbarkeit von gelöstem Sauerstoff und damit indirekt von der Wassertemperatur im Aquifer ab. In der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass ein adäquates Verständnis der wasserqualitätsändernden Prozesse in künstlichen Anreicherungsystemen nur dann erreicht werden kann wenn Strömung, Transport und reaktive Prozesse, im Feld als auch in der Modellierung, simultan betrachtet werden. / In this thesis, three major studies were carried out in order to understand the key factors controlling the water quality changes that occurred during a reclaimed water Aquifer Storage and Recovery (ASR) experiment at Bolivar, South Australia and during ponded infiltration in Berlin, Germany. Multi-component reactive transport modelling of the ASR experiment suggested that during the storage phase, dynamic changes in bacterial mass have a significant influence on the local geochemistry in the vicinity of the injection well. Water quality changes further away from the injection well were mainly driven by ion exchange and calcite dissolution. Geochemical and hydraulic measurements below an artificial recharge pond in Berlin, Germany, showed that the observed dynamic changes of the hydrochemistry within the seepage water are strongly linked to the periodic saturated/unsaturated hydraulic conditions below the pond. During unsaturated conditions, atmospheric oxygen penetrates from the pond margins to the centre below the pond, leading to (i) a sudden re-oxidation of sulphide minerals that have formed previously during saturated conditions and (ii) an enhanced mineralisation of sedimentary particulate organic carbon. Reactive transport modelling showed that at larger scale, seasonal temperature changes of the infiltration water are the key control for the observed temporal and spatial redox dynamics further downstream the recharge pond. Moreover, the degradation behaviour of the pharmaceutically residue phenazone solely depends on the availability of dissolved oxygen, and thus indirectly on the water temperature within the aquifer. Overall this thesis shows that a sound understanding and analysis of the key processes affecting the water quality changes during artificial recharge of groundwater could only be achieved when flow, transport and reactive processes are considered simultaneously, both in the field and during modelling.

The Distrito Federal in Western Central Brazil is characterized by a high share of urban population and a predicted growth of population. The corresponding increasing water consumption is associated with a falling groundwater table. The existing wastewater treatment plants could reach their capacity limits due to further increasing amounts of urban wastewater in conjunction with heavy precipitation events. During these events, untreated wastewater can become a contamination source for protected resources such as soil and water. This problem can be solved by soil aquifer recharge. This is a unique technique to take the load off the treatment plants, to store the water in the aquifer, and to improve the water quality during the soil passage. The controlled infiltration of pretreated municipal wastewater in the tropical soils can ensure the regional groundwater balance and backup high quality water as a suitable drinking water resource. The objective of the present thesis was to define suitable soils and areas for a soil aquifer treatment in the Distrito Federal to support the decentralized wastewater treatment management. For the identification of suitable soils, representative samples were taken. The soil samples were examined with respect to their pedological and geochemical properties. For the characterization of the unsaturated hydraulic conditions, in situ infiltration tests and a 3D infiltration monitoring were performed. Additionally, the retention potentials for sewage ingredients were determined for each soil with unsaturated, hydrochemical and geoelectrical column tests. Thus, it was possible to calculate the retention potentials of each soil against the wastewater content of an artificial wastewater. The artificial wastewater with known composition was infiltrated through the soil columns. The retention potentials of the soils were calculated by balancing the hydrochemical data. Afterwards, for the implementation of the hydraulic data and the data from the column tests, a utility analysis was performed to merge all parameters. Finally, the field and laboratory studies were combined within a GIS-based usability analysis to blend the determined parameter with geo-data to identify suitable areas for a soil aquifer treatment. Parameters as slope, land use and land cover were included in this analysis. After the evaluation of the hydrochemical balances, predominantly the younger soils turn out as suitable for an artificial recharge with water of impaired quality because of their high retention potential for TOC. The Gleissolo featured a retention potential of almost 100 % for TOC. However, a high hydraulic conductivity in the soils is necessary to ensure an effective artificial recharge. The Gleissolo featured the lowest measured hydraulic conductivity in the field test with 1,12 x 10-8 m/s. Due to the consideration of the determined hydraulic and hydrochemical data in the utility analysis, each parameter was weighted to embrace the requirement of an effective artificial recharge. The results of the laboratory and field tests have shown that the soil group of Latossolos is suitable for a soil aquifer treatment. These soils offer the best infiltration characteristics and a good retention potential against sewage ingredients for an effective artificial groundwater recharge with pretreated wastewater. Additional to that, slope, land use/land cover, depth of soil, and a defined distance to conservation area were considered in a GIS-based usability analysis. Additionally, the categorized soils from the utility analysis were included to identify suitable regions. The outcome of the thesis is a GIS-based usability analysis map which shows suitable areas for a soil aquifer treatment ranked by their category of suitability. Additionally, the thesis provides crucial evidences for soil parameters which have positive effects on wastewater infiltration. In addition, the 3D infiltration monitoring and the measured resistivity distribution showed that the gravitatively controlled infiltration influences only the soil zone immediately beneath the irrigation. Furthermore, it was found that the proxy of the geoelectrical resistivity is not (sufficiently) conclusive for the sorption potential of conductive wastewater ingredients. / O Distrito Federal, localizado no Centro-Oeste Brasileiro, é caracterizado por um intenso processo de urbanização o qual deve aumentar ainda mais nas próximas décadas. O correspondente crescimento no consumo de água está, também, associado ao rebaixamento dos níveis das águas subterrâneas. O atual sistema de tratamento de efluentes pode atingir seu limite de operação diante do crescimento demográfico e aumento de eventos extremos de chuva. Durante esses eventos, efluentes não tratados podem tornar-se uma fonte de contaminação aos recursos hídricos e solos. Uma solução é recarga artificial de águas subterrâneas. A mesma armazena o efluente pré-tratado nas águas subterrâneas e melhora a qualidade do mesmo durante o processo de percolação no solo. A infiltração controlada em solos tropicais pode contribuir para a qualidade das águas subterrâneas e balanço hídrico, servindo assim como fonte para o abastecimento de água. Essa tese tem como objetivo a identificação de áreas e solos propícios à recarga artificial de águas subterrâneas no Distrito Federal a fim de dar suporte à gestão decentralizada de tratamento de efluentes. Para a identificação dessas áreas, amostras representativas à diferentes tipos de solos foram obtidas. As amostras foram examinadas de acordo com suas propriedades pedológicas e geoquímicas. Para a caracterização das condições hidráulicas não saturadas, realizaram-se diversos testes de infiltração in situ, bem como o monitoramento 3D. Ainda, determinou-se para cada solo o potencial de retenção de poluentes através de testes de coluna insaturados, hidroquímico e geoelétricos. Dessa forma foi possível calcular os potenciais de retenção para cada solo quando utilizados efluentes sintéticos. Com base na contabilização de todos os dados hidroquímicos, calculou-se os potenciais de retenção de poluentes para o determinado efluente de composição conhecida. Mais a frente, para a implementação de dados hidráulicos e dados dos testes de coluna, utilizou-se uma análise de utilidade considerando todos os parâmetros. Finalmente, estudos de laboratório e campo foram combinados em uma análise baseada em sistema de informação geográfica (SIG). O mesmo permite o cruzamento de um determinado parâmetro obtido com uma base de dados georeferenciados (p. ex. classes de solos) a fim de identificar as áreas mais propícias. Parâmetros tais como declividade, uso e cobertura de solo foram incluídos nessa análise. Após a avaliação dos balanços hidroquímicos, identificou-se que os solos jovens possuem um alto potencial de retenção de carbono orgânico total (COT). Os mesmos mostraram-se adequados para recarga de águas subterrâneas com efluente residuário pré-tratado. Como exemplo, o Gleisolo apresentou um potencial de retenção de aproximadamente 100% de COT. No entanto, é importante lembrar que, a fim de garantir uma retenção efetiva, a condutividade hidráulica do solo deve ser alta. Nesse caso, o Gleisolo apresentou baixos valores no teste de campo com uma condutividade hidráulica de 1,12 x 10-8 m/s. Ainda, os dados hidráulicos e hidroquímicos medidos foram integrados à uma análise de uso-benefício. No caso, cada parâmetro recebe um peso de modo a atender às demandas de uma recarga efetiva de águas subterrâneas. Resultados mostram que o grupo de solo classificado com Latossolo é propício para a recarga de águas subterrâneas. O mesmo oferece a melhor característica de infiltração e potencial de retenção de contaminantes para uma recarga artificial com efluentes pré-tratados. Declividade, uso e ocupação de solo, profundidade do solo e uma distância devida de áreas de conservação foram contemplados na análise de utilidade baseada em SIG. Além disso, os colos caracterizados pela análise de uso-benefício foram incluídos com o intuito de identificar as regiões mais propícias para a prática. O resultado da tese é uma representação gráfica georeferenciada das áreas propícias para a aplicação de recarga artificial de águas subterrâneas. Ainda, a tese fornece evidências cruciais de parâmetros do solo que tem efeitos positivos na infiltração de efluentes pré-tratados. O monitoramento 3D de infiltração e a distribuição de resistividade medida mostram que infiltração controlada por gravidade influencia apenas a zona do solo imediata à superfície de irrigação. Mas a frente, foi determinado que o proxy da resistividade geoelétrica não é válido para o potencial de retenção de contaminantes condutores. / Der Distrito Federal ist durch eine starke Urbanisierung geprägt. Das ohnehin bereits starke Bevölkerungswachstum wird Prognosen zufolge weiter zunehmen. Der damit verbundene Anstieg des Wasserverbrauchs wird auch in absinkenden Grundwasserständen widergespiegelt. Weiterhin ist das westliche Zentralbrasilien aufgrund seiner Lage in den wechselfeuchten Tropen durch eine starke Saisonalität der Niederschläge geprägt. Das erhöhte Abwasseraufkommen in Verbindung mit extremen Niederschlagsereignissen kann zu einer deutlichen Überbelastung der vorhandenen Kläranlagen führen. In Extremsituationen kann ungeklärtes Abwasser in die Bodenzone gelangen und somit Schutzgüter wie Boden und Wasser kontaminieren. Eine effiziente Maßnahme gegenüber der unkontrollierten Versickerung von ungeklärtem Abwasser sowie zur Vorbeugung absinkender Grundwasserspiegel ist die gezielte Infiltration von vorbehandeltem Abwasser in Verbindung mit einer Grundwasseranreicherung. Diese Maßnahme umfasst einen zusätzlichen Reinigungsschritt des vorgereinigten Abwassers und dient zur Vorbeugung gegenüber absinkenden Grundwasserspiegeln. Ziel der Arbeit war es, geeignete Böden und Flächen für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser im Distrito Federal auszuweisen. Zur Identifizierung geeigneter Böden wurden repräsentative Bodenproben auf ihre pedologischen und geochemischen Eigenschaften hin untersucht. Zusätzlich wurden in situ Durchlässigkeitstests und ein Versickerungsmonitoring aufgebaut, um zur Klärung der Infiltrationseigenschaften beizutragen. Für die Laboruntersuchungen wurden die Bodenproben im Hinblick auf ihre Schadstoffrückhaltepotentiale untersucht. Dazu wurden kombinierte hydrochemische und geoelektrische sowie ungesättigte Säulenversuche durchgeführt. Dadurch war es möglich, Rückschlüsse auf die Sorptionsleistung der Böden gegenüber den Abwasserinhaltsstoffen einer künstlichen Abwasserlösung schließen zu können. Die Bodensäulen wurden mit einem künstlichen Abwasser mit bekannter Schadstoffzusammensetzung überstaut. Auf der Grundlage der Bilanzierung aller hydrochemischen Daten wurden die Schadstoffrückhaltepotentiale für die Abwasserinhaltsstoffe berechnet. Anschließend wurden die experimentell ermittelten Parameter in einer Nutzwertanalyse zusammengefasst, um so geeignete Böden für eine effiziente Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zu identifizieren. Abschließend wurden die Feld- und Laboruntersuchungen mit einer GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse komplettiert, um die gemessenen Parameter mit weiteren vorliegenden, räumlich aufgelösten Daten verschneiden zu können. In diese Analyse wurden Parameter wie Gefälle, Landnutzung und Landbedeckung einbezogen. Bei der Auswertung der hydrochemischen Bilanzen kristallisierten sich vorwiegend die jungen Böden aufgrund ihrer hohen Schadstoffrückhaltepotentiale als geeignete Böden für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser heraus. Exemplarisch wies der Gleissolo ein Sorptionspotential von fast 100 % für den Parameter TOC auf. Allerdings müssen Böden für eine effektive Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zusätzlich zu den hohen Sorptionsleistungen auch hohe hydraulische Durchlässigkeiten aufweisen. Für den Gleissolo wurde im Feldversuch die niedrigste hydraulische Durchlässigkeit von 1,12 x 10-8 m/s bestimmt. Durch die Einbindung der gemessenen hydraulischen und hydrochemischen Daten in eine Nutzwertanalyse konnten diese Parameter gewichtet werden, um so den Ansprüchen einer effektiven Grundwasseranreicherung gerecht zu werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich die Bodengruppe der Latossole besonders gut für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignet. Diese Böden weisen die besten Infiltrationsbedingungen sowie gute Sorptionseigenschaften für eine effizient gestaltete Grundwasseranreicherung auf. Mit Hilfe der GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse geografischer Parameter wurden Flächen ausgezeichnet, die sich in Bezug auf Gefälle, Landnutzung/Landbedeckung, Bodentiefe und einer adäquaten Distanz zu Schutzgebieten für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignen. Zusätzlich wurden die mit Hilfe der Nutzwertanalyse kategorisierten Böden in die Flächenidentifizierung einbezogen. Das Resultat dieser Arbeit liegt in Form einer Karte vor, in der die Gebiete, die für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser geeignet sind, nach Kategorien geordnet, verzeichnet sind. Zusätzlich dazu liefert die Arbeit entscheidende Hinweise auf Bodeneigenschaften, die sich positiv auf eine Abwasserinfiltration auswirken. Darüber hinaus konnte durch das geoelektrische 3D-Monitoring und der dabei gemessenen Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes gezeigt werden, dass die Infiltration gravitativ gesteuert nur die Bodenzone direkt unterhalb der Verrieselung beeinflusste. Weiterhin wurde festgestellt, dass das Proxy des geoelektrischen Widerstandes im Labormaßstab nicht aussagekräftig genug ist, um Rückschlüsse auf die Sorption leitfähigkeitsrelevanter Abwasserinhaltsstoffe geben zu können.

The Distrito Federal in Western Central Brazil is characterized by a high share of urban population and a predicted growth of population. The corresponding increasing water consumption is associated with a falling groundwater table. The existing wastewater treatment plants could reach their capacity limits due to further increasing amounts of urban wastewater in conjunction with heavy precipitation events. During these events, untreated wastewater can become a contamination source for protected resources such as soil and water. This problem can be solved by soil aquifer recharge. This is a unique technique to take the load off the treatment plants, to store the water in the aquifer, and to improve the water quality during the soil passage. The controlled infiltration of pretreated municipal wastewater in the tropical soils can ensure the regional groundwater balance and backup high quality water as a suitable drinking water resource. The objective of the present thesis was to define suitable soils and areas for a soil aquifer treatment in the Distrito Federal to support the decentralized wastewater treatment management. For the identification of suitable soils, representative samples were taken. The soil samples were examined with respect to their pedological and geochemical properties. For the characterization of the unsaturated hydraulic conditions, in situ infiltration tests and a 3D infiltration monitoring were performed. Additionally, the retention potentials for sewage ingredients were determined for each soil with unsaturated, hydrochemical and geoelectrical column tests. Thus, it was possible to calculate the retention potentials of each soil against the wastewater content of an artificial wastewater. The artificial wastewater with known composition was infiltrated through the soil columns. The retention potentials of the soils were calculated by balancing the hydrochemical data. Afterwards, for the implementation of the hydraulic data and the data from the column tests, a utility analysis was performed to merge all parameters. Finally, the field and laboratory studies were combined within a GIS-based usability analysis to blend the determined parameter with geo-data to identify suitable areas for a soil aquifer treatment. Parameters as slope, land use and land cover were included in this analysis. After the evaluation of the hydrochemical balances, predominantly the younger soils turn out as suitable for an artificial recharge with water of impaired quality because of their high retention potential for TOC. The Gleissolo featured a retention potential of almost 100 % for TOC. However, a high hydraulic conductivity in the soils is necessary to ensure an effective artificial recharge. The Gleissolo featured the lowest measured hydraulic conductivity in the field test with 1,12 x 10-8 m/s. Due to the consideration of the determined hydraulic and hydrochemical data in the utility analysis, each parameter was weighted to embrace the requirement of an effective artificial recharge. The results of the laboratory and field tests have shown that the soil group of Latossolos is suitable for a soil aquifer treatment. These soils offer the best infiltration characteristics and a good retention potential against sewage ingredients for an effective artificial groundwater recharge with pretreated wastewater. Additional to that, slope, land use/land cover, depth of soil, and a defined distance to conservation area were considered in a GIS-based usability analysis. Additionally, the categorized soils from the utility analysis were included to identify suitable regions. The outcome of the thesis is a GIS-based usability analysis map which shows suitable areas for a soil aquifer treatment ranked by their category of suitability. Additionally, the thesis provides crucial evidences for soil parameters which have positive effects on wastewater infiltration. In addition, the 3D infiltration monitoring and the measured resistivity distribution showed that the gravitatively controlled infiltration influences only the soil zone immediately beneath the irrigation. Furthermore, it was found that the proxy of the geoelectrical resistivity is not (sufficiently) conclusive for the sorption potential of conductive wastewater ingredients. / O Distrito Federal, localizado no Centro-Oeste Brasileiro, é caracterizado por um intenso processo de urbanização o qual deve aumentar ainda mais nas próximas décadas. O correspondente crescimento no consumo de água está, também, associado ao rebaixamento dos níveis das águas subterrâneas. O atual sistema de tratamento de efluentes pode atingir seu limite de operação diante do crescimento demográfico e aumento de eventos extremos de chuva. Durante esses eventos, efluentes não tratados podem tornar-se uma fonte de contaminação aos recursos hídricos e solos. Uma solução é recarga artificial de águas subterrâneas. A mesma armazena o efluente pré-tratado nas águas subterrâneas e melhora a qualidade do mesmo durante o processo de percolação no solo. A infiltração controlada em solos tropicais pode contribuir para a qualidade das águas subterrâneas e balanço hídrico, servindo assim como fonte para o abastecimento de água. Essa tese tem como objetivo a identificação de áreas e solos propícios à recarga artificial de águas subterrâneas no Distrito Federal a fim de dar suporte à gestão decentralizada de tratamento de efluentes. Para a identificação dessas áreas, amostras representativas à diferentes tipos de solos foram obtidas. As amostras foram examinadas de acordo com suas propriedades pedológicas e geoquímicas. Para a caracterização das condições hidráulicas não saturadas, realizaram-se diversos testes de infiltração in situ, bem como o monitoramento 3D. Ainda, determinou-se para cada solo o potencial de retenção de poluentes através de testes de coluna insaturados, hidroquímico e geoelétricos. Dessa forma foi possível calcular os potenciais de retenção para cada solo quando utilizados efluentes sintéticos. Com base na contabilização de todos os dados hidroquímicos, calculou-se os potenciais de retenção de poluentes para o determinado efluente de composição conhecida. Mais a frente, para a implementação de dados hidráulicos e dados dos testes de coluna, utilizou-se uma análise de utilidade considerando todos os parâmetros. Finalmente, estudos de laboratório e campo foram combinados em uma análise baseada em sistema de informação geográfica (SIG). O mesmo permite o cruzamento de um determinado parâmetro obtido com uma base de dados georeferenciados (p. ex. classes de solos) a fim de identificar as áreas mais propícias. Parâmetros tais como declividade, uso e cobertura de solo foram incluídos nessa análise. Após a avaliação dos balanços hidroquímicos, identificou-se que os solos jovens possuem um alto potencial de retenção de carbono orgânico total (COT). Os mesmos mostraram-se adequados para recarga de águas subterrâneas com efluente residuário pré-tratado. Como exemplo, o Gleisolo apresentou um potencial de retenção de aproximadamente 100% de COT. No entanto, é importante lembrar que, a fim de garantir uma retenção efetiva, a condutividade hidráulica do solo deve ser alta. Nesse caso, o Gleisolo apresentou baixos valores no teste de campo com uma condutividade hidráulica de 1,12 x 10-8 m/s. Ainda, os dados hidráulicos e hidroquímicos medidos foram integrados à uma análise de uso-benefício. No caso, cada parâmetro recebe um peso de modo a atender às demandas de uma recarga efetiva de águas subterrâneas. Resultados mostram que o grupo de solo classificado com Latossolo é propício para a recarga de águas subterrâneas. O mesmo oferece a melhor característica de infiltração e potencial de retenção de contaminantes para uma recarga artificial com efluentes pré-tratados. Declividade, uso e ocupação de solo, profundidade do solo e uma distância devida de áreas de conservação foram contemplados na análise de utilidade baseada em SIG. Além disso, os colos caracterizados pela análise de uso-benefício foram incluídos com o intuito de identificar as regiões mais propícias para a prática. O resultado da tese é uma representação gráfica georeferenciada das áreas propícias para a aplicação de recarga artificial de águas subterrâneas. Ainda, a tese fornece evidências cruciais de parâmetros do solo que tem efeitos positivos na infiltração de efluentes pré-tratados. O monitoramento 3D de infiltração e a distribuição de resistividade medida mostram que infiltração controlada por gravidade influencia apenas a zona do solo imediata à superfície de irrigação. Mas a frente, foi determinado que o proxy da resistividade geoelétrica não é válido para o potencial de retenção de contaminantes condutores. / Der Distrito Federal ist durch eine starke Urbanisierung geprägt. Das ohnehin bereits starke Bevölkerungswachstum wird Prognosen zufolge weiter zunehmen. Der damit verbundene Anstieg des Wasserverbrauchs wird auch in absinkenden Grundwasserständen widergespiegelt. Weiterhin ist das westliche Zentralbrasilien aufgrund seiner Lage in den wechselfeuchten Tropen durch eine starke Saisonalität der Niederschläge geprägt. Das erhöhte Abwasseraufkommen in Verbindung mit extremen Niederschlagsereignissen kann zu einer deutlichen Überbelastung der vorhandenen Kläranlagen führen. In Extremsituationen kann ungeklärtes Abwasser in die Bodenzone gelangen und somit Schutzgüter wie Boden und Wasser kontaminieren. Eine effiziente Maßnahme gegenüber der unkontrollierten Versickerung von ungeklärtem Abwasser sowie zur Vorbeugung absinkender Grundwasserspiegel ist die gezielte Infiltration von vorbehandeltem Abwasser in Verbindung mit einer Grundwasseranreicherung. Diese Maßnahme umfasst einen zusätzlichen Reinigungsschritt des vorgereinigten Abwassers und dient zur Vorbeugung gegenüber absinkenden Grundwasserspiegeln. Ziel der Arbeit war es, geeignete Böden und Flächen für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser im Distrito Federal auszuweisen. Zur Identifizierung geeigneter Böden wurden repräsentative Bodenproben auf ihre pedologischen und geochemischen Eigenschaften hin untersucht. Zusätzlich wurden in situ Durchlässigkeitstests und ein Versickerungsmonitoring aufgebaut, um zur Klärung der Infiltrationseigenschaften beizutragen. Für die Laboruntersuchungen wurden die Bodenproben im Hinblick auf ihre Schadstoffrückhaltepotentiale untersucht. Dazu wurden kombinierte hydrochemische und geoelektrische sowie ungesättigte Säulenversuche durchgeführt. Dadurch war es möglich, Rückschlüsse auf die Sorptionsleistung der Böden gegenüber den Abwasserinhaltsstoffen einer künstlichen Abwasserlösung schließen zu können. Die Bodensäulen wurden mit einem künstlichen Abwasser mit bekannter Schadstoffzusammensetzung überstaut. Auf der Grundlage der Bilanzierung aller hydrochemischen Daten wurden die Schadstoffrückhaltepotentiale für die Abwasserinhaltsstoffe berechnet. Anschließend wurden die experimentell ermittelten Parameter in einer Nutzwertanalyse zusammengefasst, um so geeignete Böden für eine effiziente Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zu identifizieren. Abschließend wurden die Feld- und Laboruntersuchungen mit einer GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse komplettiert, um die gemessenen Parameter mit weiteren vorliegenden, räumlich aufgelösten Daten verschneiden zu können. In diese Analyse wurden Parameter wie Gefälle, Landnutzung und Landbedeckung einbezogen. Bei der Auswertung der hydrochemischen Bilanzen kristallisierten sich vorwiegend die jungen Böden aufgrund ihrer hohen Schadstoffrückhaltepotentiale als geeignete Böden für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser heraus. Exemplarisch wies der Gleissolo ein Sorptionspotential von fast 100 % für den Parameter TOC auf. Allerdings müssen Böden für eine effektive Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zusätzlich zu den hohen Sorptionsleistungen auch hohe hydraulische Durchlässigkeiten aufweisen. Für den Gleissolo wurde im Feldversuch die niedrigste hydraulische Durchlässigkeit von 1,12 x 10-8 m/s bestimmt. Durch die Einbindung der gemessenen hydraulischen und hydrochemischen Daten in eine Nutzwertanalyse konnten diese Parameter gewichtet werden, um so den Ansprüchen einer effektiven Grundwasseranreicherung gerecht zu werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich die Bodengruppe der Latossole besonders gut für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignet. Diese Böden weisen die besten Infiltrationsbedingungen sowie gute Sorptionseigenschaften für eine effizient gestaltete Grundwasseranreicherung auf. Mit Hilfe der GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse geografischer Parameter wurden Flächen ausgezeichnet, die sich in Bezug auf Gefälle, Landnutzung/Landbedeckung, Bodentiefe und einer adäquaten Distanz zu Schutzgebieten für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignen. Zusätzlich wurden die mit Hilfe der Nutzwertanalyse kategorisierten Böden in die Flächenidentifizierung einbezogen. Das Resultat dieser Arbeit liegt in Form einer Karte vor, in der die Gebiete, die für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser geeignet sind, nach Kategorien geordnet, verzeichnet sind. Zusätzlich dazu liefert die Arbeit entscheidende Hinweise auf Bodeneigenschaften, die sich positiv auf eine Abwasserinfiltration auswirken. Darüber hinaus konnte durch das geoelektrische 3D-Monitoring und der dabei gemessenen Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes gezeigt werden, dass die Infiltration gravitativ gesteuert nur die Bodenzone direkt unterhalb der Verrieselung beeinflusste. Weiterhin wurde festgestellt, dass das Proxy des geoelektrischen Widerstandes im Labormaßstab nicht aussagekräftig genug ist, um Rückschlüsse auf die Sorption leitfähigkeitsrelevanter Abwasserinhaltsstoffe geben zu können.