Die genaue Kenntnis über den Wasserhaushalt stellt die Grundlage für die Bewirtschaftung der Ressource Wasser dar. Im urbanen Raum spielen dabei die siedlungshydrologischen Randbedingungen, wie Versiegelung, Anschlussgrad an die Kanalisation oder wasserbauliche Eingriffe, eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Zur Quantifizierung der verschiedenen Wasserhaushaltsgrößen wurde ein konzeptioneller Ansatz entwickelt, der die jeweiligen Randbedingungen berücksichtigt und deren gegenseitige Beeinflussung abbildet. Hierbei muss der Einfluss auf den Wasserhaushalt auch bei veränderten Bedingungen simulierbar sein. Als Untersuchungsgebiet wurde das Gebiet der Wuhle, ein rechter Nebenfluss der Spree, gewählt, da es alle relevanten Aspekte der Wasserwirtschaft beinhaltet. Die Wuhle entspringt auf der Barnim-Grundmoränenhochfläche bei Ahrensfelde und mündet nach etwa 15,7 km Lauflänge im Stadtteil Köpenick in die Spree. Der Ansatz beruht auf der Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen mit Hilfe eines flächendifferenzierten Verfahrens zur Ermittlung des Gesamtabflusses aus Niederschlag abzüglich der Verdunstung sowie dessen Aufteilung in einen oberirdischen und einen unterirdischen Teil. Zur Verifizierung der wasserhaushaltlich bestimmten Abflussgrößen wurden detaillierte hydraulische Untersuchungen an der Wuhle durchgeführt und abschnittsweise interpretiert. Anschließend wurde mit Hilfe der Förderdaten der Wasserwerke eine Grundwasserhaushaltsbilanz durchgeführt. Im Ergebnis ließ sich hydrogeologisch der Anteil an Uferfiltrat an der Gesamtfördermenge ermitteln. Zur Simulation des Einflusses des Wasserhaushaltes und der Grundwassernutzung auf den Grundwasserkörper wurde mit Hilfe des Simulators FEFLOW© eine numerische Modellierung der Strömungsverhältnisse durchgeführt. Über den Abgleich der simulierten Grundwasserhöhen mit den Grundwasserständen aus der Stichtagsmessung erfolgte eine zusätzliche Überprüfung der wasserhaushaltlich berechneten Abflussgrößen. / The exact knowledge of the water balance is the basis of the water supply and distribution within a catchment area. In an urban area the boundary conditions of the civil engineering like the sewer system or the hydraulic engineering plays an important role. To quantify the water balance a conceptual approach was developed which takes the current conditions and their interdependence into consideration. The impact of changing conditions on the water balance can also be simulated. As investigation area the catchment of the Wuhle River was chosen because it includes all relevant aspects of water management. The Wuhle River has its source on the ground moraine of the Barnim plateau directly at the city boundary in Ahrensfelde and reaches the Spree in the quarter Köpenick after about 15.7 km. This method uses a differentiated calculation by area to determine the total outflow of rainfall minus evaporization. It also determines the submontane and aboveground distribution. For verification purposes detailed hydraulic investigations were carried out at the Wuhle. With the production rate of the waterworks the groundwater balance was then calculated. As a result the amount of bank filtrate of the total groundwater withdrawal was determined in a hydro geological way. Using the simulation software FEFLOW© a numeric model of the flow pattern was created to simulate the influence on the water balance and the groundwater. The displayed subterranean catchment area of the water work Wuhlheide was based on the water table contours which were interpolated from a fixed date measurement of the groundwater heads. By comparing the simulated groundwater heads and the water levels from the fixed date measurement an additional verification of the water balance was realised.

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

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die ausführliche Analyse und Beschreibung langfristiger abiotischer Standortbedingungen von Fluss und Grundwasser für das in einem Hartholzauenwald gelegene Untersuchungsgebiet im Naturschutzgebiet Saalberghau an der Mittleren Elbe bei Dessau. Hierzu erfolgt zunächst die Entwicklung eines allgemeinen Konzeptes, dass die Modellierung des Fluss- und des Grundwasserregimes sowie die statistische Auswertung dieser miteinander verbundenen Regime umfasst. Es wird davon ausgegangen, dass nur eine Synthese dieser Einzelbausteine die Grundlage für eine zusammenhängende Analyse und Beschreibung der komplexen auentypischen Dynamik dieser beiden Regime anhand objektivierbarer statistischer Parameter bilden kann. Darüberhinaus stellt die Zielsetzung auf langfristige Aussagen eine unentbehrliche Voraussetzung dar, um das Zeitspektrum der hier zu betrachtenden Altbäume typischer Hartholzauenbaumarten adäquat berücksichtigen zu können. / The present dissertation aims at a detailed analysis and description of the long-term abiotic site conditions (river flow and groundwater) for the floodplain area under investigation, namely a hardwood forest in the nature reserve "Saalberghau" on the Middle Elbe close to the town Dessau. For this purpose, firstly a general concept which covers the modelling of the surface water and groundwater regime as well as a statistical interpretation of these two interconnected regimes is developed. It is assumed that only a synthesis of those separate modules can form a sufficient basis for a cohering analysis and description of the complex dynamics of these two regimes in floodplain forests by means of objective statistic parameters. Furthermore, only longterm statements can take into account the age spectrum of the hardwood stand.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die ausführliche Analyse und Beschreibung langfristiger abiotischer Standortbedingungen von Fluss und Grundwasser für das in einem Hartholzauenwald gelegene Untersuchungsgebiet im Naturschutzgebiet Saalberghau an der Mittleren Elbe bei Dessau. Hierzu erfolgt zunächst die Entwicklung eines allgemeinen Konzeptes, dass die Modellierung des Fluss- und des Grundwasserregimes sowie die statistische Auswertung dieser miteinander verbundenen Regime umfasst. Es wird davon ausgegangen, dass nur eine Synthese dieser Einzelbausteine die Grundlage für eine zusammenhängende Analyse und Beschreibung der komplexen auentypischen Dynamik dieser beiden Regime anhand objektivierbarer statistischer Parameter bilden kann. Darüberhinaus stellt die Zielsetzung auf langfristige Aussagen eine unentbehrliche Voraussetzung dar, um das Zeitspektrum der hier zu betrachtenden Altbäume typischer Hartholzauenbaumarten adäquat berücksichtigen zu können. / The present dissertation aims at a detailed analysis and description of the long-term abiotic site conditions (river flow and groundwater) for the floodplain area under investigation, namely a hardwood forest in the nature reserve "Saalberghau" on the Middle Elbe close to the town Dessau. For this purpose, firstly a general concept which covers the modelling of the surface water and groundwater regime as well as a statistical interpretation of these two interconnected regimes is developed. It is assumed that only a synthesis of those separate modules can form a sufficient basis for a cohering analysis and description of the complex dynamics of these two regimes in floodplain forests by means of objective statistic parameters. Furthermore, only longterm statements can take into account the age spectrum of the hardwood stand.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.