Schwarzerden sind die weltweit fruchtbarsten Böden und dementsprechend werden sie überwiegend ackerbaulich genutzt. Die unterschiedlichen, historischen Logiken des Aufbaus der Klassifikationen und der Kriterien für die Zuordnung zu bestimmten Bodentypen führen dazu, dass die in dieser Doktorarbeit Böden wie folgt klassifiziert wurde: a) Pelosol-Tschernoseme nach deutscher Kartieranleitung KA5 (Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden 2005), b) ausgelaugte und gewöhnliche Schwarzerden nach der Klassifikation und Diagnostik der Böden der UdSSR (Egorov et al. 1977), und c) segregierte und tonig-illuviale Agrarschwarzerde nach der Klassifikation und Diagnostik der Böden Russlands (Shishov et al. 2004). Schwarzerden entwickeln sich auf sehr tonreichen Böden und weisen infolge von Quellung und Schrumpfung Slikensides auf, so dass sie unter Beachtung der WRB-Definitionen dann als Vertisole zu bezeichnen sind. In dieser Arbeit wurden 104 Publikationen aus der überwiegend russischsprachigen Fachliteratur der vergangenen Jahrzehnte in Bezug auf den Humuszustand von Schwarzerden ausgewertet und ein Methodenvergleich für den organischen Kohlenstoff (Corg) und die Texturbestimmungen durchgeführt. Die Tyurin-Methode wird in Russland traditionell für die Corg-Bestimmung verwendet. Es ist eine Methode der nassen Veraschung der organischen Substanz, bei der das erhitzte Oxidationsmittel K2Cr2O7 verwendet wird. In dieser Arbeit wird ein Umrechnungskoeffizient von 1,03 empfohlen. Für die Übertragung der Textur wird empfohlen, die Körnungssummenkurven zu erstellen. Die Schwarzerden wurden auf dem Territorium des ehemaligen Bodenbearbeitungs–Dauerfeldversuches am Forschungsinstitut für Landwirtschaft V.V. Dokučaev in der Zentralen Schwarzerde-Region Kamennaya Steppe („Steinsteppe“) im Bezirk Voronezh untersucht. Die Analysen haben gezeigt, dass nach 25 Jahren der ausgleichenden Bewirtschaftung keine signifikanten Unterschiede zwischen den ehemaligen Varianten des Versuches mehr existieren. / Chernozems, are of particular importance. They are the world's most fertile soils and are therefore predominantly used for arable farming. The different, historical logics of the respective structure of the classifications and their criteria for assignment to certain soil types determined the soils analysed in this doctoral thesis. They were classified as follows: a) ‘Pelosol-Tschernoseme’ according to the German mapping guide KA5 (Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden 2005), b) ‘leached and ordinary Chernozems’ following the classification and diagnostics of the soils of the USSR (Egorov et al. 1977), and c) "segregated and clayey-illuvial agricultural Chernozems " according to the Classification and Diagnostics of Russian Soils (Shishov et al. 2004). Chernozems can develop on very clay-rich soils and exhibit slikensides as a result of swelling and shrinkage. They can then be described as Vertisols in accordance with the WRB definitions. In this thesis, 104 publications from the predominantly Russian-language special literature of the past decades were analysed with reference to the humus condition of Chernozems and the method comparison of measurements of organic carbon (Corg) and texture was implemented. The Tyurin method is traditionally used in Russia for Corg determination. It is a method of wet combustion of organic matter, in which the heated oxidising agent K2Cr2O7 is used. In this work, a conversion coefficient of 1.03 is recommended. For the texture is it recommended that the total grain size curves be created for a transfer. The Chernozems were analysed on the fields of the former long-term tillage trial at the Research Institute of Agriculture V.V. Dokučaev in the Central Chernozem Region Kamennaya Steppe (stone steppe) in the Voronezh district. The analyses show that after 25 years of compensatory management, there are no longer any significant differences among the former variants of the trial.

Austräge von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus Mooren sind aus Gründen des Klima- und Trinkwasserschutzes unerwünscht. Einflüsse von Landnutzung auf die Höhe der DOC-Konzentrationen werden teilweise inkonsistent beschrieben und überdies sind wenige Angaben zu den stark anthropogen überprägten Niedermooren Nordostdeutschlands verfügbar. Daher sind in der vorliegenden Arbeit Zusammenhänge von Management und Standorteigenschaften zu DOC-Konzentrationen auf Lysimeter- und Freilandebene untersucht worden. Es zeigte sich, dass die DOC-Gehalte des wiedervernässten Niedermoores deutlich und die DOC-Austräge tendenziell geringer waren als am landwirtschaftlich genutzten Standort, und dass die DOC-Konzentrationen im Grabenwasser seit der Wiedervernässung gesunken sind. Die unmittelbar durch Landnutzung beeinflussten Parameter Wasserstand und Vegetation waren in Lysimeterversuchen von untergeordneter Bedeutung. Niedermoore scheinen bedingt durch ihre individuelle Genese ein spezifisches DOC-Potential bzw. einen „Fingerabdruck“ zu haben, weshalb bei Wiedervernässung zwar sinkende, aber nicht unbedingt geringe, naturnahen DOC-Konzentrationen erreicht werden können. / Losses of dissolved organic carbon are of environmental concern, as DOC is a potential source of gaseous carbon emissions and harms drinking water quality. Lack of knowledge particularly exists for lowland fens. Therefore, the influence of land management and site characteristics on DOC was studied at a catchment and a lysimeter scale. A rewetted fen was investigated showing considerabely lower ditch DOC concentrations and slightly lower DOC losses as compared to an agriculturally used fen. The influence of water levels and vegetation was relatively small in lysimeter trials, while each fen soil seems to have a specific potential for DOC release due to its susbtrate quality and genesis.

Climatic variations and human activity now and increasingly in the future cause land cover changes and introduce perturbations in the terrestrial carbon reservoirs in vegetation, soil and detritus. Optical remote sensing and in particular Imaging Spectroscopy has shown the potential to quantify land surface parameters over large areas, which is accomplished by taking advantage of the characteristic interactions of incident radiation and the physico-chemical properties of a material. The objective of this thesis is to quantify key soil parameters, including soil organic carbon, using field and Imaging Spectroscopy. Organic carbon, iron oxides and clay content are selected to be analyzed to provide indicators for ecosystem function in relation to land degradation, and additionally to facilitate a quantification of carbon inventories in semiarid soils. The semiarid Albany Thicket Biome in the Eastern Cape Province of South Africa is chosen as study site. It provides a regional example for a semiarid ecosystem that currently undergoes land changes due to unadapted management practices and furthermore has to face climate change induced land changes in the future. The thesis is divided in three methodical steps. Based on reflectance spectra measured in the field and chemically determined constituents of the upper topsoil, physically based models are developed to quantify soil organic carbon, iron oxides and clay content. Taking account of the benefits limitations of existing methods, the approach is based on the direct application of known diagnostic spectral features and their combination with multivariate statistical approaches. It benefits from the collinearity of several diagnostic features and a number of their properties to reduce signal disturbances by influences of other spectral features. In a following step, the acquired hyperspectral image data are prepared for an analysis of soil constituents. The data show a large spatial heterogeneity that is caused by the patchiness of the natural vegetation in the study area that is inherent to most semiarid landscapes. Spectral mixture analysis is performed and used to deconvolve non-homogenous pixels into their constituent components. For soil dominated pixels, the subpixel information is used to remove the spectral influence of vegetation and to approximate the pure spectral signature coming from the soil. This step is an integral part when working in natural non-agricultural areas where pure bare soil pixels are rare. It is identified as the largest benefit within the multi-stage methodology, providing the basis for a successful and unbiased prediction of soil constituents from hyperspectral imagery. With the proposed approach it is possible (1) to significantly increase the spatial extent of derived information of soil constituents to areas with about 40 % vegetation coverage and (2) to reduce the influence of materials such as vegetation on the quantification of soil constituents to a minimum. Subsequently, soil parameter quantities are predicted by the application of the feature-based soil prediction models to the maps of locally approximated soil signatures. Thematic maps showing the spatial distribution of the three considered soil parameters in October 2009 are produced for the Albany Thicket Biome of South Africa. The maps are evaluated for their potential to detect erosion affected areas as effects of land changes and to identify degradation hot spots in regard to support local restoration efforts. A regional validation, carried out using available ground truth sites, suggests remaining factors disturbing the correlation of spectral characteristics and chemical soil constituents. The approach is developed for semiarid areas in general and not adapted to specific conditions in the study area. All processing steps of the developed methodology are implemented in software modules, where crucial steps of the workflow are fully automated. The transferability of the methodology is shown for simulated data of the future EnMAP hyperspectral satellite. Soil parameters are successfully predicted from these data despite intense spectral mixing within the lower spatial resolution EnMAP pixels. This study shows an innovative approach to use Imaging Spectroscopy for mapping of key soil constituents, including soil organic carbon, for large areas in a non-agricultural ecosystem and under consideration of a partially vegetation coverage. It can contribute to a better assessment of soil constituents that describe ecosystem processes relevant to detect and monitor land changes. The maps further provide an assessment of the current carbon inventory in soils, valuable for carbon balances and carbon mitigation products. / Klimatische und anthropogene Faktoren verursachen bereits jetzt und verstärkt in Zukunft Änderungen der Landbedeckung und Landnutzung natürlicher Ökosysteme, die sich direkt auf die terrestrischen Kohlenstoffspeicher in Vegetation, Böden und biogenen Resten auswirken. Optische Fernerkundung und im Besonderen die Abbildende Spektroskopie sind etablierte Methoden, die basierend auf der charakteristischen Wechselwirkung der Sonnenstrahlung mit physikalisch-chemischen Materialeigenschaften eine quantitative Abschätzung degradationsrelevanter Parameter der Landoberfläche erlauben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung maßgeblicher Bodeninhaltsstoffe unter Verwendung von Feld- und abbildender Spektroskopie. Dabei stehen organischer Kohlenstoff, Eisenoxide und Ton im Fokus der Betrachtung, da ihre Gehalte im Boden als Indikatoren für Landoberflächenveränderungen verwendet werden können und ihre Analyse gleichzeitig eine direkte Abschätzung des bodengebundenen Kohlenstoffreservoirs ermöglicht. Das semiaride Albany Thicket in der östlichen Kapprovinz Südafrikas wurde als Arbeitsgebiet ausgewählt. Es steht beispielhaft für einen Naturraum, der sich gegenwärtig durch nicht angepasste Landnutzung verändert und der voraussichtlich auch in Zukunft hochfrequenten, durch den Klimawandel bedingten, Schwankungen unterliegen wird. Die Arbeit ist in drei methodische Schritte untergliedert. Die einzelnen Prozessierungsschritte der entwickelten Methodik sind in Softwaremodulen umgesetzt, in denen die wichtigsten Schritte voll automatisiert sind. Unter Verwendung von im Feld gemessenen Reflektanzspektren und chemisch bestimmten Gehalten der obersten Bodenschicht wird ein Modell zur Bestimmung der drei ausgewählten Bodenparameter erstellt. Der gewählte Ansatz basiert auf der direkten Verwendung bekannter spektraler Merkmale in Verbindung mit multivariaten Verfahren. In nächsten Schritt werden die großflächig aufgenommenen Hyperspektraldaten vorbereitet, die die für semiaride Räume typischen kleinräumigen Landbedeckungsänderungen wiederspiegeln. Auf subpixel-Basis erlaubt eine spektrale Entmischungsanalyse die Zerlegung nicht homogener Bildspektren in ihre spektralen Bestandteile. Dadurch kann für Pixel, die signifikante Anteile an unbedecktem Boden aufweisen, die reine spektrale Signatur des Bodens in Näherung bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kennzeichnet einen wesentlichen Gewinn, da er eine Anwendung auf heterogene Naturräume abseits landwirtschaftlicher Flächen erlaubt, die Ausdehnung des Gültigkeitsbereichs, für den Bodeneigenschaften vorhergesagt werden können, deutlich steigert und den Einfluss von Fremdmaterialien wie Vegetation auf eine Bestimmung minimiert. Daran anknüpfend erfolgt die Vorhersage von Bodeninhaltsstoffen. Die räumliche Verteilung von organischem Kohlenstoff, Eisenoxiden und der Tongehalte wie sie sich im Oktober 2009 im südafrikanischen Albany Thicket darstellte, wurde in thematischen Karten erfasst. Sie wurden hinsichtlich ihres Potentials ausgewertet, Bereiche zu erkennen, die in Folge von Landbedeckungsänderungen von Erosion betroffen sind. Die vorliegende Arbeit zeigt einen innovativen Ansatz zur Verwendung Abbildender Spektroskopie zur Kartierung wichtiger Bodeneigenschaften in einem semiariden Naturraum. Die Methodik liefert einen Beitrag zur verbesserten Abschätzung ökosystemrelevanter Bodeneigenschaften sowie eine direkte Abschätzung vorhandener Kohlenstoffspeicher im Boden, Parameter, die zur Erkennung und Überwachung von Landbedeckungsänderungen verwendet werden können.

Lakes in Hanoi play an important role in local human life. However, along with the economic and social development, some urban lakes have been polluted, especially organic pollution. This paper presents the monthly survey results for organic pollution assessment of ten selected lakes in Ha Noi city: the Ho Tay, Truc Bach, Thien Quang, Ba Mau, Bay Mau, Hoan Kiem, Ngoc Khanh, Giang Vo, Thanh Cong and Thu Le lakes during the period from March 2014 to February 2015. The survey results showed that the Ba Mau lake was organic polluted at level IV whereas other lakes were contaminated by organic matters at level III. Organic pollution may come from both autochthonous and allochthonous sources. Compared with the results of previous studies, the water quality of 10 lakes in the period from March 2014 to February 2015 has been improved thank for the recent application of some positive solutions for lake environmental protection. / Hệ thống hồ ở Hà Nội đóng vai trò quan trọng trong đời sống của người dân. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, nhiều hồ trong nội đô đã và đang bị ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm hữu cơ. Bài báo này trình bày kết quả khảo sát ô nhiễm hữu cơ tại 10 hồ trong thành phố Hà Nội: hồ Tây, Trúc Bạch, Thiền Quang, Ba Mẫu, Bảy Mẫu, Hoàn Kiếm, Ngọc Khánh, Giảng Võ, Thành Công và Thủ Lệ trong thời gian từ tháng 3 năm 2014 đến tháng 2 năm 2015. Kết quả khảo sát cho thấy hồ Ba Mẫu bị ô nhiễm hữu cơ ở mức IV, các hồ còn lại bị ô nhiễm hữu cơ ở mức III. Ô nhiễm hữu cơ tại các hồ có thể do cả hai nguồn cung cấp chất hữu cơ, ngoại lai và nội sinh. So với kết quả quan trắc trước đây, chất lượng nước 10 hồ Hà Nội đã được cải thiện do gần đây đã áp dụng một số biện pháp bảo vệ môi trường cho các hồ.

Die Uferfiltration (UF) ist eine potentielle Alternative zur konventionellen Oberflächenwasseraufbereitung in Indien, da Trübstoffe, pathogene Mikroorganismen und organische Wasserinhaltsstoffe effektiv entfernt werden. In dieser Arbeit wurde erstmals ein umfangreicher Überblick zu bestehenden UF-Anlagen in Indien erarbeitet. Für die Standorterkundung und -bewertung wurde ein Konzept erarbeitet, das an drei Standorten entlang des Ganges getestet und weiterentwickelt wurde. Das Konzept umfasst vier Stufen: Standortvorerkundung, Bestimmung von Grundwasserleiterparametern, Erfassung von hydraulischen und Beschaffenheits-parametern sowie numerische Grundwasser-strömungsmodellierung. Entlang des oberen Flusslaufes des Ganges (Haridwar und Srinagar) wurden günstige geohydraulische Verhältnisse identifiziert (kf = 10E-4 bis 10E-3 m/s, Grundwasser leitermächtigkeit 11 bis 20 m). Entlang des unteren Flusslaufes (Patna) gibt es in Abhängigkeit von der Mächtigkeit der Sedimentablagerungen im Ganges nur bei erhöhter Schleppkraft im Monsun eine gute hydraulische Verbindung zwischen dem Fluss und dem Grundwasserleiter. In Haridwar wurde der Uferfiltratanteil im Rohwasser mittels Isotopenanalysen (δ18O) und Leitfähigkeitsmessungen im Fluss- und Rohwasser ermittelt. Der Uferfiltratanteil in den auf einer Insel und südlich davon gelegenen Brunnen liegt bei bis zu 90%. An den untersuchten Standorten wird durch die UF eine effektive Entfernung von E. coli um 3,5 bis 4,4 Log10 und der Trübung bis >2 Log10 Einheiten erreicht. Eine Entfernung von 3 Log10 Einheiten wurde bereits bei einer Fließzeit des Uferfiltrats von zwei Tagen beobachtet. Die erhöhte Anzahl an Coliformen in einigen Brunnen am Standort Haridwar resultiert aus Verunreinigungen des landseitigen Grundwassers. Bei Hochwässern und Starkregenereignissen muss eine Kontamination durch den direkten Eintrag von Wasser durch undichte Brunnenabdeckungen, Risse in den Schächten bzw. unsachgemäßen Brunnenbau berücksichtigt werden. Die Anwendung des angepassten Untersuchungskonzepts an 15 weiteren UF-Standorten in Indien hat gezeigt, dass die niedrigen DOC-Konzentrationen im Flusswasser (0,9 bis 3,0 mg/L) und im Brunnenwasser (0,4 bis 2,3 mg/L) günstig für die Anwendung der UF sind. Bei erhöhten DOC-Konzentrationen (Vormonsun) im Flusswasser konnte in Delhi und Mathura im Monsun eine 50%ige Verminderung erreicht werden. Bei der Erkundung neuer UF-Standorte in bergigen Gebieten sind die Grundwasserleitermächtigkeit mit geophysikalischen Erkundungsverfahren, die Strömungsverhältnisse in den alluvialen Ablagerungen sowie lokale Hochwasserrisiken zu untersuchen. / Riverbank filtration or bank filtration (RBF / BF) is a potential alternative to the direct abstraction and conventional treatment of surface water by virtue of the effective removal of pathogens, turbidity, suspended particles and organic substances. A comprehensive overview of existing RBF systems in India has been compiled for the first time. To systematically select and investigate new and existing potential RBF sites in India, a methodological concept was developed and tested at three sites along the Ganga River. The four stages of the concept are: initial site-assessment, basic site-survey, monitoring of water quality and quantity parameters and determination of aquifer parameters and numerical groundwater flow modelling. Suitable geohydraulic conditions for RBF (hydraulic conductivity: 10E-4 to 10E-3 m/s, aquifer thickness: 11 to 20 m) exist along the upper course of the Ganga (Haridwar and Srinagar). Due to the presence of fine sediment layers beneath the river bed along the Ganga’s lower course (Patna), river-aquifer interaction occurs during increased shear stress on the riverbed in monsoon. The portion of bank filtrate abstracted by the wells in Haridwar was determined from isotope analyses (Oxygen 18) and electrical conductivity measurements of river and well water and is up to 90% for wells located on an island and between the river and a canal. The results were confirmed by groundwater flow modelling. A high removal of E. coli (3.5 to 4.4 Log10 units) and turbidity (>2 Log10 units) was observed at the investigated sites. An E. coli removal of 3 Log10 units was observed for short travel times of 2 days. Higher coliform counts in some wells occur due to contamination from landside groundwater. During floods and intense rainfall events, contamination of RBF wells from direct entry of flood water, seepage of surface runoff into the well through leaky covers, fissures in the well-heads / caissons and in-appropriately sealed well-bases has to be considered. The application of the adapted investigation concept to 15 other sites in India showed that the low DOC concentrations in river water (0.9 to 3.0 mg/L) and well-water (0.4 to 2.3 mg/L) are favourable for the application of RBF. A 50% decrease of the high (pre-monsoon) DOC concentration was observed during monsoon in Delhi and Mathura. For the exploration of new RBF sites in hilly / mountainous areas, investigations of the aquifer thickness using geophysical methods, subsurface flow conditions in the alluvial deposits and the risk from floods should be conducted.

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Die Uferfiltration (UF) ist eine potentielle Alternative zur konventionellen Oberflächenwasseraufbereitung in Indien, da Trübstoffe, pathogene Mikroorganismen und organische Wasserinhaltsstoffe effektiv entfernt werden. In dieser Arbeit wurde erstmals ein umfangreicher Überblick zu bestehenden UF-Anlagen in Indien erarbeitet. Für die Standorterkundung und -bewertung wurde ein Konzept erarbeitet, das an drei Standorten entlang des Ganges getestet und weiterentwickelt wurde. Das Konzept umfasst vier Stufen: Standortvorerkundung, Bestimmung von Grundwasserleiterparametern, Erfassung von hydraulischen und Beschaffenheits-parametern sowie numerische Grundwasser-strömungsmodellierung. Entlang des oberen Flusslaufes des Ganges (Haridwar und Srinagar) wurden günstige geohydraulische Verhältnisse identifiziert (kf = 10E-4 bis 10E-3 m/s, Grundwasser leitermächtigkeit 11 bis 20 m). Entlang des unteren Flusslaufes (Patna) gibt es in Abhängigkeit von der Mächtigkeit der Sedimentablagerungen im Ganges nur bei erhöhter Schleppkraft im Monsun eine gute hydraulische Verbindung zwischen dem Fluss und dem Grundwasserleiter. In Haridwar wurde der Uferfiltratanteil im Rohwasser mittels Isotopenanalysen (δ18O) und Leitfähigkeitsmessungen im Fluss- und Rohwasser ermittelt. Der Uferfiltratanteil in den auf einer Insel und südlich davon gelegenen Brunnen liegt bei bis zu 90%. An den untersuchten Standorten wird durch die UF eine effektive Entfernung von E. coli um 3,5 bis 4,4 Log10 und der Trübung bis >2 Log10 Einheiten erreicht. Eine Entfernung von 3 Log10 Einheiten wurde bereits bei einer Fließzeit des Uferfiltrats von zwei Tagen beobachtet. Die erhöhte Anzahl an Coliformen in einigen Brunnen am Standort Haridwar resultiert aus Verunreinigungen des landseitigen Grundwassers. Bei Hochwässern und Starkregenereignissen muss eine Kontamination durch den direkten Eintrag von Wasser durch undichte Brunnenabdeckungen, Risse in den Schächten bzw. unsachgemäßen Brunnenbau berücksichtigt werden. Die Anwendung des angepassten Untersuchungskonzepts an 15 weiteren UF-Standorten in Indien hat gezeigt, dass die niedrigen DOC-Konzentrationen im Flusswasser (0,9 bis 3,0 mg/L) und im Brunnenwasser (0,4 bis 2,3 mg/L) günstig für die Anwendung der UF sind. Bei erhöhten DOC-Konzentrationen (Vormonsun) im Flusswasser konnte in Delhi und Mathura im Monsun eine 50%ige Verminderung erreicht werden. Bei der Erkundung neuer UF-Standorte in bergigen Gebieten sind die Grundwasserleitermächtigkeit mit geophysikalischen Erkundungsverfahren, die Strömungsverhältnisse in den alluvialen Ablagerungen sowie lokale Hochwasserrisiken zu untersuchen.:Abstract i (Seitenzahl / page number) Acknowledgements iii Table of contents v List of tables viii List of figures ix Abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 1.1 Problem description 1 1.2 Riverbank filtration and its potential in India 2 1.3 Motivation 3 1.4 Aims 4 2 Bank filtration in context to India’s water resources 5 2.1 Water budget of India and the Ganga River catchment 5 2.1.1 Water budget 5 2.1.2 The Ganga River catchment 6 2.2 Problems of surface water abstraction for drinking water production 8 2.2.1 Effect of low surface flows on the quantity of raw water abstraction 8 2.2.2 Effect of the monsoon on conventional drinking water treatment plants using directly abstracted surface water 9 2.2.3 Quality of surface water 10 2.2.4 Treatment of directly abstracted surface water for drinking 11 2.3 Sustainability issues of groundwater abstraction 11 2.4 Drinking water consumption in India 12 2.5 Bank filtration for water supply 14 2.5.1 Geohydraulic, siting and design aspects of bank filtration systems 14 2.5.2 Water quality aspects 15 2.5.3 Water quality aspects for bank filtration in India 15 2.5.4 Risks to riverbank filtration sites from floods 16 2.6 Hypotheses favouring the use of bank filtration and the need for a concept to investigate potential RBF sites in India 17 3 Study areas 18 3.1 Choice of study areas 18 3.2 Case study site Haridwar 19 3.3 Case study site Patna 20 3.4 Case study site Srinagar in Uttarakhand 21 3.5 Hypotheses favouring RBF at the selected study sites 22 4 Methodology for the investigation of the case study sites 24 4.1 Overview of methodology for investigating the case-study sites 24 4.2 Investigations at the case study site of Haridwar 25 4.2.1 Initial site-assessment 25 4.2.2 Basic site-survey and establishing monitoring infrastructure 26 4.2.2.1 Identification of specific locations for monitoring wells 26 4.2.2.2 Geodetic survey and inventory of existing on-site infrastructure 26 4.2.2.3 Construction of exploratory wells 27 4.2.3 Determination of hydrogeological parameters 27 4.2.3.1 Sediment analyses 27 4.2.3.2 Determination of hydraulic conductivity by pump tests on large-diameter wells 29 4.2.4 Water level and stable isotope measurements 30 4.2.4.1 Water level 30 4.2.4.2 Stable isotopes 31 4.2.5 Water quality monitoring 31 4.2.5.1 Initial investigations, screening and formulation of monitoring concept 31 4.2.5.2 Comprehensive and regular monitoring 2011 - 2013 33 4.3 Investigations at the case study site of Patna 34 4.3.1 Initial site-assessment, basic-site survey and monitoring 34 4.3.2 Sampling for water quality and isotope analyses 35 4.4 Investigations at the case study site of Srinagar in Uttarakhand 35 4.4.1 Basic site-survey and establishing monitoring infrastructure 35 4.4.1.1 Identification of a specific location for a new RBF well 35 4.4.1.2 Construction of production and monitoring wells and exploratory boreholes 37 4.4.2 Determination of hydrogeological parameters and monitoring 38 4.4.2.1 Sediment analyses and determination of hydraulic conductivity of the aquifer 38 4.4.3 Water quality monitoring 40 4.5 Column experiments to determine the removal of bacteriological indicators under field conditions 40 5 Characterisation of the RBF system in Haridwar 42 5.1 Site and design aspects 42 5.1.1 Location of RBF wells 42 5.1.2 Design of RBF wells 44 5.1.3 Quantity of drinking water produced by RBF 45 5.2 Aquifer characterisation 47 5.3 Numerical groundwater flow model of RBF well field in Haridwar 49 5.3.1 Model set-up 49 5.3.2 Model calibration 50 5.4 Origin of water and mean portion of bank filtrate abstracted by RBF wells 52 5.5 Water quality 53 5.6 Analysis of presence of thermotolerant coliforms in RBF wells 56 5.7 Impact of regulated Upper Ganga Canal on RBF wells on Pant Dweep 58 5.8 Summary of case study site Haridwar 60 5.8.1 Aspects related to water quality 60 5.8.2 Benefit of groundwater flow modelling 60 6 Evaluation of the potential for RBF in Patna 62 6.1 Physiography and hydrogeology 62 6.1.1 South Ganga Plain 62 6.1.2 Patna 63 6.2 Ground and surface water levels 65 6.3 Ganga River morphology 66 6.4 Water quality 67 6.5 Numerical groundwater flow model of case study site Patna 68 6.5.1 Model geometry and initial conditions 68 6.5.2 Boundary conditions 69 6.5.3 Steady-state flow modelling 70 6.6 Isotope analyses 71 6.7 Summary of case study site Patna 71 7 Evaluation of the potential for RBF in Srinagar 73 7.1 Drinking water production and overview of geomorphology 73 7.2 RBF site characterisation 74 7.2.1 Aquifer geometry and material 74 7.2.2 Water levels 75 7.2.3 Hydraulic conductivity 76 7.3 Numerical groundwater flow model of case study site Srinagar 77 7.3.1 Model geometry and calibration 77 7.3.2 Origin of bank filtrate and travel time 78 7.4 Water quality 79 7.5 Discussion and summary of case study site Srinagar 81 8 Assessment of risks from floods and insufficient sanitary measures to RBF wells in Haridwar and Srinagar 82 8.1 Flood-risk identification from field investigations 82 8.1.1 Description of an extreme flood event in Haridwar 82 8.1.2 Description of an extreme flood event in Srinagar 82 8.1.3 Summary of identifiable risks 83 8.2 Assessment of risks to RBF wells 84 8.2.1 Design of wells and direct contamination 84 8.2.2 Field investigations on the removal of bacteriological indicators 85 8.2.3 Removal of coliforms under field conditions by column experiments 87 8.3 Proposals to mitigate risks at RBF sites Haridwar and Srinagar 89 8.3.1 Operational and technical aspects for a general risk management plan 89 8.3.2 Health aspects for a general risk management plan 89 8.3.3 Criteria for flood protection measures of RBF wells 90 8.3.4 Sanitary sealing of RBF wells 90 9 Application of initial site-assessment to investigate other RBF sites in India 92 9.1 Hydrogeology and system-design 92 9.1.1 RBF systems for small and large-scale urban water supply 92 9.1.2 “Koop” well RBF systems for small-scale rural water supply 98 9.2 Water quality parameters 98 9.2.1 Removal of bacteriological indicators by RBF 98 9.2.2 Removal of dissolved organic carbon and organic micropollutants by RBF 101 9.2.3 Inorganic parameters 102 10 Conclusions, recommendations and propagation of RBF 105 10.1 Hydrogeological and system-design considerations 105 10.2 Aspects for improvement of the concept for RBF site investigations 106 10.3 Policy and planning aspects for the propagation of RBF in India 108 References 110 Annexes 121 / Riverbank filtration or bank filtration (RBF / BF) is a potential alternative to the direct abstraction and conventional treatment of surface water by virtue of the effective removal of pathogens, turbidity, suspended particles and organic substances. A comprehensive overview of existing RBF systems in India has been compiled for the first time. To systematically select and investigate new and existing potential RBF sites in India, a methodological concept was developed and tested at three sites along the Ganga River. The four stages of the concept are: initial site-assessment, basic site-survey, monitoring of water quality and quantity parameters and determination of aquifer parameters and numerical groundwater flow modelling. Suitable geohydraulic conditions for RBF (hydraulic conductivity: 10E-4 to 10E-3 m/s, aquifer thickness: 11 to 20 m) exist along the upper course of the Ganga (Haridwar and Srinagar). Due to the presence of fine sediment layers beneath the river bed along the Ganga’s lower course (Patna), river-aquifer interaction occurs during increased shear stress on the riverbed in monsoon. The portion of bank filtrate abstracted by the wells in Haridwar was determined from isotope analyses (Oxygen 18) and electrical conductivity measurements of river and well water and is up to 90% for wells located on an island and between the river and a canal. The results were confirmed by groundwater flow modelling. A high removal of E. coli (3.5 to 4.4 Log10 units) and turbidity (>2 Log10 units) was observed at the investigated sites. An E. coli removal of 3 Log10 units was observed for short travel times of 2 days. Higher coliform counts in some wells occur due to contamination from landside groundwater. During floods and intense rainfall events, contamination of RBF wells from direct entry of flood water, seepage of surface runoff into the well through leaky covers, fissures in the well-heads / caissons and in-appropriately sealed well-bases has to be considered. The application of the adapted investigation concept to 15 other sites in India showed that the low DOC concentrations in river water (0.9 to 3.0 mg/L) and well-water (0.4 to 2.3 mg/L) are favourable for the application of RBF. A 50% decrease of the high (pre-monsoon) DOC concentration was observed during monsoon in Delhi and Mathura. For the exploration of new RBF sites in hilly / mountainous areas, investigations of the aquifer thickness using geophysical methods, subsurface flow conditions in the alluvial deposits and the risk from floods should be conducted.:Abstract i (Seitenzahl / page number) Acknowledgements iii Table of contents v List of tables viii List of figures ix Abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 1.1 Problem description 1 1.2 Riverbank filtration and its potential in India 2 1.3 Motivation 3 1.4 Aims 4 2 Bank filtration in context to India’s water resources 5 2.1 Water budget of India and the Ganga River catchment 5 2.1.1 Water budget 5 2.1.2 The Ganga River catchment 6 2.2 Problems of surface water abstraction for drinking water production 8 2.2.1 Effect of low surface flows on the quantity of raw water abstraction 8 2.2.2 Effect of the monsoon on conventional drinking water treatment plants using directly abstracted surface water 9 2.2.3 Quality of surface water 10 2.2.4 Treatment of directly abstracted surface water for drinking 11 2.3 Sustainability issues of groundwater abstraction 11 2.4 Drinking water consumption in India 12 2.5 Bank filtration for water supply 14 2.5.1 Geohydraulic, siting and design aspects of bank filtration systems 14 2.5.2 Water quality aspects 15 2.5.3 Water quality aspects for bank filtration in India 15 2.5.4 Risks to riverbank filtration sites from floods 16 2.6 Hypotheses favouring the use of bank filtration and the need for a concept to investigate potential RBF sites in India 17 3 Study areas 18 3.1 Choice of study areas 18 3.2 Case study site Haridwar 19 3.3 Case study site Patna 20 3.4 Case study site Srinagar in Uttarakhand 21 3.5 Hypotheses favouring RBF at the selected study sites 22 4 Methodology for the investigation of the case study sites 24 4.1 Overview of methodology for investigating the case-study sites 24 4.2 Investigations at the case study site of Haridwar 25 4.2.1 Initial site-assessment 25 4.2.2 Basic site-survey and establishing monitoring infrastructure 26 4.2.2.1 Identification of specific locations for monitoring wells 26 4.2.2.2 Geodetic survey and inventory of existing on-site infrastructure 26 4.2.2.3 Construction of exploratory wells 27 4.2.3 Determination of hydrogeological parameters 27 4.2.3.1 Sediment analyses 27 4.2.3.2 Determination of hydraulic conductivity by pump tests on large-diameter wells 29 4.2.4 Water level and stable isotope measurements 30 4.2.4.1 Water level 30 4.2.4.2 Stable isotopes 31 4.2.5 Water quality monitoring 31 4.2.5.1 Initial investigations, screening and formulation of monitoring concept 31 4.2.5.2 Comprehensive and regular monitoring 2011 - 2013 33 4.3 Investigations at the case study site of Patna 34 4.3.1 Initial site-assessment, basic-site survey and monitoring 34 4.3.2 Sampling for water quality and isotope analyses 35 4.4 Investigations at the case study site of Srinagar in Uttarakhand 35 4.4.1 Basic site-survey and establishing monitoring infrastructure 35 4.4.1.1 Identification of a specific location for a new RBF well 35 4.4.1.2 Construction of production and monitoring wells and exploratory boreholes 37 4.4.2 Determination of hydrogeological parameters and monitoring 38 4.4.2.1 Sediment analyses and determination of hydraulic conductivity of the aquifer 38 4.4.3 Water quality monitoring 40 4.5 Column experiments to determine the removal of bacteriological indicators under field conditions 40 5 Characterisation of the RBF system in Haridwar 42 5.1 Site and design aspects 42 5.1.1 Location of RBF wells 42 5.1.2 Design of RBF wells 44 5.1.3 Quantity of drinking water produced by RBF 45 5.2 Aquifer characterisation 47 5.3 Numerical groundwater flow model of RBF well field in Haridwar 49 5.3.1 Model set-up 49 5.3.2 Model calibration 50 5.4 Origin of water and mean portion of bank filtrate abstracted by RBF wells 52 5.5 Water quality 53 5.6 Analysis of presence of thermotolerant coliforms in RBF wells 56 5.7 Impact of regulated Upper Ganga Canal on RBF wells on Pant Dweep 58 5.8 Summary of case study site Haridwar 60 5.8.1 Aspects related to water quality 60 5.8.2 Benefit of groundwater flow modelling 60 6 Evaluation of the potential for RBF in Patna 62 6.1 Physiography and hydrogeology 62 6.1.1 South Ganga Plain 62 6.1.2 Patna 63 6.2 Ground and surface water levels 65 6.3 Ganga River morphology 66 6.4 Water quality 67 6.5 Numerical groundwater flow model of case study site Patna 68 6.5.1 Model geometry and initial conditions 68 6.5.2 Boundary conditions 69 6.5.3 Steady-state flow modelling 70 6.6 Isotope analyses 71 6.7 Summary of case study site Patna 71 7 Evaluation of the potential for RBF in Srinagar 73 7.1 Drinking water production and overview of geomorphology 73 7.2 RBF site characterisation 74 7.2.1 Aquifer geometry and material 74 7.2.2 Water levels 75 7.2.3 Hydraulic conductivity 76 7.3 Numerical groundwater flow model of case study site Srinagar 77 7.3.1 Model geometry and calibration 77 7.3.2 Origin of bank filtrate and travel time 78 7.4 Water quality 79 7.5 Discussion and summary of case study site Srinagar 81 8 Assessment of risks from floods and insufficient sanitary measures to RBF wells in Haridwar and Srinagar 82 8.1 Flood-risk identification from field investigations 82 8.1.1 Description of an extreme flood event in Haridwar 82 8.1.2 Description of an extreme flood event in Srinagar 82 8.1.3 Summary of identifiable risks 83 8.2 Assessment of risks to RBF wells 84 8.2.1 Design of wells and direct contamination 84 8.2.2 Field investigations on the removal of bacteriological indicators 85 8.2.3 Removal of coliforms under field conditions by column experiments 87 8.3 Proposals to mitigate risks at RBF sites Haridwar and Srinagar 89 8.3.1 Operational and technical aspects for a general risk management plan 89 8.3.2 Health aspects for a general risk management plan 89 8.3.3 Criteria for flood protection measures of RBF wells 90 8.3.4 Sanitary sealing of RBF wells 90 9 Application of initial site-assessment to investigate other RBF sites in India 92 9.1 Hydrogeology and system-design 92 9.1.1 RBF systems for small and large-scale urban water supply 92 9.1.2 “Koop” well RBF systems for small-scale rural water supply 98 9.2 Water quality parameters 98 9.2.1 Removal of bacteriological indicators by RBF 98 9.2.2 Removal of dissolved organic carbon and organic micropollutants by RBF 101 9.2.3 Inorganic parameters 102 10 Conclusions, recommendations and propagation of RBF 105 10.1 Hydrogeological and system-design considerations 105 10.2 Aspects for improvement of the concept for RBF site investigations 106 10.3 Policy and planning aspects for the propagation of RBF in India 108 References 110 Annexes 121

Eine biochemische Indikation des Anteils exogener organischer Kohlenstoffquellen (EOC), der nach dem Eintrag potenziell im Boden verbleibt (Cpot) wurde entwickelt. Haupthypothese dieser Studie war, dass der Abbau von EOC durch die biochemische Zusammensetzung vorhergesagt werden kann, welche bei Pflanzenrückständen von der Kulturart, dem Pflanzenrückstandstyp sowie dem Anbausystem und im Allgemeinen vom Ausgangssubstrat organischer Düngestoffe und der EOC-Kategorie (pyrogen , mikrobiell und pflanzlich) beeinflusst wird. Zunächst wurden Pflanzenrückstände im Energiepflanzenanbau zur Biogasgewinnung (Restpflanze / Stroh, Stoppeln, Grobwurzeln, Feinwurzeln, natürlicher Bestandsabfall) von Mais, Sorghum, Sudangras, Wintergetreide, Hafer, Erbse in Einzel-, Zwei- und Mischkultursystemen betrachtet. In einem zweiten Schritt wurden Pflanzenrückstände im Allgemeinen mit organischen Düngern, Komposten, Rückständen aus anaerober Vergärung in der Biogasproduktion (Gärrückstände) und Biokohlen verglichen. Die biochemische Zusammensetzung von EOC wurde durch die Konzentrationen von Kohlenstoff- (C), Stickstoff (N), wasserlöslicher Kohlehydrate (WSC), Hemizellulose (HEM), Zellulose (CEL) und Lignin (LIC) in g pro kg Trockenmasse dargestellt. In Inkubationsversuchen wurde EOC gleichmäßig mit Boden vermischt und über 310 Tage die Zugabe-induzierte Kohlendioxid-Freisetzung gemessen. Cpot wurde als Grenzwert der Modellschätzung für die Inkubationsdaten bestimmt. Die Beziehung zwischen biochemischer Zusammensetzung und Cpot wurde durch die Partial-Least-Squares-Regression-Methode abgeleitet. Cpot unterschied sich stärker zwischen verschiedenen organischen Düngestoffen, als speziell zwischen verschiedenen Pflanzenrückständen und konnte durch die biochemische Zusammensetzung vorhergesagt werden. Der Indikator für Cpot (in g C pro kg EOC) wurde als Ipot = 269 + 13 N – 0.5 WSC + 0.7 CEL + 1.5 LIC für Pflanzenrückstände und im Allgemeinen als Ipot = 924 – 1.9 C + 2.0 LIC vorgeschlagen. / A biochemical indication for the fraction of exogenous organic carbon (EOC), potentially remaining in soil after application (Cpot) has been developed. Main hypothesis of this study was that decomposition of EOC can be predicted by the biochemical composition, which in case of plant residues is influenced by the crop residue type, crop species and agricultural management and in general depends on the original substrate and category (pyrogen, microbial, and plant-derived EOC) of organic materials. A first set of EOC was created, containing plant residues in energy crop cultivation for biogas production (shoot / straw, stubble, coarse root, fine root, and litter) of maize, sorghum, sudan grass, winter cereal, pea, and oats in single-, double- and intercropping systems. In a second set of EOC, plant residues in general were compared with other organic fertilisers, urban composts, residues of anaerobic fermentation in biogas production (digestates), and biochar. The biochemical composition of EOC was characterised by the concentrations of carbon (C), nitrogen (N), water-soluble carbohydrates (WSC), hemicelluloses (HEM), cellulose (CEL), and lignin (LIC) in g per kg dry matter. In incubation experiments, EOC was homogeneously incorporated into soil and EOC-induced carbon dioxide-release was measured for 310 d. Cpot was determined as modelled limit for the incubation results. Finally, the relation between biochemical composition and Cpot of EOC was evaluated by the partial least squares regression method. Cpot largely varied between different types and categories of EOC, while less variation was obtained between different plant residues. The biochemical composition was predictive for Cpot (expressed as g C per kg EOC), proposing the biochemical indicator as Ipot = 269 + 13 N – 0.5 WSC + 0.7 CEL + 1.5 LIC specifically for plant residues and as Ipot = 924 – 1.9 C + 2.0 LIC for EOC in general.

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