Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2007

Semi-arid environments are mainly characterized by scarce water resources and are usually subject to risks of water stress. In these regions, water supply for drinking and irrigation purposes depends strongly on storage in surface reservoirs and sediment deposition in these reservoirs affects adversely the water storage. In order to reproduce the complex behaviour of sediment deposition in reservoirs located in semi-arid environments and the effects of using sediment management techniques, a reservoir sedimentation model is developed and coupled within the WASA-SED model, which simulates rainfall-runoff processes and sediment transport at the hillslope and river network. The reservoir sedimentation model consists of two modelling approaches, which may be applied according to reservoir size and data availability. For reservoirs with information about their geometric features (reservoir topography, stage-area and stage-volume curves) and physical properties of sediment deposits, such as deposition thickness, grain size distribution of sediment deposits and sediment densities, a detailed modelling approach of reservoir sedimentation may be applied. For reservoirs without those characteristics, a simplified modelling approach is used. The detailed modelling approach of reservoir sedimentation enables the assessment of sediment deposition pattern in reservoirs and the evaluation of sediment release efficiency of sediment management techniques. It simulates sediment transport along the longitudinal profile of a reservoir. The reservoir is divided into cross sections to elaborate the sediment budget. The sediment transport component is calculated using a non-uniform sediment transport approach based on the concept of sediment carrying capacity. Four different sediment-transport equations can be selected for the simulations. The simplified modelling approach of reservoir sedimentation is suitable to simulate water and sediment transfer in dense reservoirs network. Nevertheless, it allows simulating neither sediment management techniques, nor spatial distribution of sedimentation. In this approach, the reservoirs are classified into small and strategic reservoirs according to their location and size. Strategic reservoirs are medium and large-sized reservoirs located on main rivers at the sub-basin’s outlet or reservoirs of particular interest. The small reservoirs are located at tributary streams and represented in the model in an aggregate manner by grouping them into size classes according to their storage capacity. A cascade routing scheme is used to describe the upstream-downstream position of the reservoir classes. The water and sediment balances of small reservoirs are computed for one hypothetical representative reservoir of mean characteristics. Sediment trapping efficiency and effluent grain size distribution are estimated using the overflow rate concept. Three model applications are carried out within this research, as follows: • The detailed modelling approach of reservoir sedimentation is applied to the 92.2 Mm³ Barasona Reservoir, located in the foothills of the Central Pyrenees (Aragon, Spain). A two-stage calibration was performed to account for changes on the sediment deposition pattern caused by sediment management. The reservoir sedimentation model is then validated for another simulation period which confirms that the processes related to reservoir sedimentation are well represented by the model. • An application is carried out to the 933-km² Benguê catchment, located in the semi-arid region of Northeast Brazil. The catchment is characterized by a dense reservoir network, covering almost 45% of the catchment area, with a significant lack of data. Water and sediment balances of those reservoirs are computed using the simplified modelling approach. Three spatial configurations describing the cascade routing scheme are tested. • The reservoir sedimentation model is applied again to the Barasona reservoir to evaluate the sediment release efficiency of sediment management strategies. Cost analysis is presented to help in the choice of the most promising sediment management technique for that situation. Thus, the model enables the assessment of technical features of the sediment management strategies. Overall, simulation results are characterized by large uncertainties, partly due to low data availability and also due to uncertainties of the model structure to adequately represent the processes related to reservoir sedimentation. / Semiaride Gebiete sind hauptsächlich durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet und unterliegen häufig dem Risiko der Wasserknappheit. In diesen Gebieten ist die Wasserbereitstellung für Bewässerung und Trinkwasserversorgung stark von der oberflächlichen Speicherung in Stauseen abhängig, deren Wasserverfügbarkeit nachteilig durch Sedimentablagerung beeinflusst wird. Zur Wiedergabe des komplexen Sedimentablagerungsverhaltens in Stauseen von semiariden Gebieten und die Auswirkungen von Sedimentmanagementmaßnahmen wird ein Sedimentationsmodell entwickelt und mit dem WASA-SED Modell gekoppelt, das für die Modellierung der Abflussbildung und des Sedimenttransportes in Einzugsgebieten geeignet ist. Das Sedimentationsmodell beinhaltet zwei Ansätze, die unter der Berücksichtigung verschiedener Stauseengrößenklassen und Datenverfügbarkeit eingesetzt werden können. Für die Stauseen mit verfügbaren Informationen über ihre geometrischen Eigenschaften (wie Stauseetopographie und Höhe-Fläche-Volumen-Beziehung) und weitere Kenngrößen wie Ablagerungsmächtigkeit, Korngrößenverteilung und Sedimentdichte, kann ein detaillierter Modellansatz für die Sedimentablagerung verwendet werden. Wo diese Informationen nicht verfügbar sind, wird auf einen vereinfachten Ansatz zurückgegriffen. Der detaillierte Modellansatz ermöglicht die Betrachtung von Ablagerungsmustern im Stausee und Einschätzungen über die Effektivität von Sedimentmanagementmaßnahmen hinsichtlich der Sedimententlastung. Dieser Ansatz beruht auf der Simulation des Sedimenttransportes entlang eines Stauseelängsprofils. Für die Berechnung des Sedimenttransfers wird der Stauseekörper in einer Folge von Querprofilen repräsentiert. Der Sedimenttransport wird dabei korngrößenspezifisch entsprechend der Transportkapazität berechnet. Dafür stehen vier verschiedenen Sedimenttransportgleichungen zur Verfügung. Der vereinfachte Modellansatz ist für die Simulation des Sedimenttransfers in Gebieten mit hoher Stauseedichte geeignet, jedoch können weder Sedimentmanagementmaßnahmen noch die räumliche Verteilung der Ablagerungen berücksichtigt werden. Dafür werden die Stauseen in Abhängigkeit von ihrer Größe und Position in kleine und strategische Stauseen unterteilt. Dabei sind strategische Stausseen solche mit mittlerem bis großem Volumen sowie einer Lage im Hauptgerinne oder solche mit sonstiger besonderer Bedeutung. Kleine Stauseen hingegen befinden sich an den Nebenflüssen und werden im Modell in aggregierter Form durch ihre Einteilung in Stauseegrößenklassen repräsentiert. Ein Kaskadenverfahren wird für den Wasser- und Sedimentlauf zwischen den Stauseeklassen verwendet. Dabei werden für jede Stauseeklasse der Wasser- sowie Sedimenthaushalt für einen hypothetischen repräsentativen Stausee mit mittleren Eigenschaften berechnet. Die Sedimentaufnahme und die Korngrößenverteilung des abgegebenen Sediments werden mit dem Überlaufanteil-Ansatz berechnet. In dieser Studie werden drei Modellanwendungen vorgestellt: • Für den 92,2 Mio.m³-großen Barasona-Stausee (Vorland der Zentralpyrenäen, Aragon, Spanien) wird die Modellierung der Sedimentablagerung mit dem detaillierten Modellansatz vorgenommen. Die Kalibrierung dafür wurde in zwei Schritten durchgeführt, um Änderungen im Stauseemanagement Rechnung zu tragen. Die ModellValidierung wird schließlich für eine andere Simulationsperiode vorgenommen. Dabei wird ersichtlich, dass die Prozesse der Sedimentablagerung gut durch das Modell wiedergegeben werden. • Das Modell wird auf das 933 km²-große Benguê-Einzugsgebiet, das sich im semiariden Nordosten Brasiliens befindet, angewendet. Dieses Einzugsgebiet ist durch eine hohe Dichte an kleinen Stauseen, charakterisiert, die fast 45% des Gebietes umfasst, wofür jedoch wenige Messdaten verfügbar sind. Deshalb werden der Wasser- und Sedimenttransport mit dem vereinfachten Modellansatz berechnet. Dabei werden drei Konfigurationen des Kaskadenverfahrens getestet. • Die Modellanwendung erfolgt erneut für den Barasona-Stausee bezüglich der Effektivität der Sedimentmanagementmaßnahmen. Eine Kostenanalyse ermöglicht die Auswahl geeigneter Maßnahmen für den Stausee. Dadurch wird eine Beurteilung der verschiedenen Sedimentmanagementstrategien ermöglicht. Im Allgemeinen unterliegen die Simulationsergebnisse großen Unsicherheiten, teilweise wegen der geringen Datenverfügbarkeit, andererseits durch die Unsicherheiten in der Modellstruktur zur korrekten Wiedergabe der Sedimentablagerungsprozesse.

University, Diss., 2002--Hohenheim.

Semi-arid areas are, due to their climatic setting, characterized by small water resources. An increasing water demand as a consequence of population growth and economic development as well as a decreasing water availability in the course of possible climate change may aggravate water scarcity in future, which often exists already for present-day conditions in these areas. Understanding the mechanisms and feedbacks of complex natural and human systems, together with the quantitative assessment of future changes in volume, timing and quality of water resources are a prerequisite for the development of sustainable measures of water management to enhance the adaptive capacity of these regions. For this task, dynamic integrated models, containing a hydrological model as one component, are indispensable tools.<br /> The main objective of this study is to develop a hydrological model for the quantification of water availability in view of environmental change over a large geographic domain of semi-arid environments.<br /> The study area is the Federal State of Ceará (150 000 km2) in the semi-arid north-east of Brazil. Mean annual precipitation in this area is 850 mm, falling in a rainy season with duration of about five months. Being mainly characterized by crystalline bedrock and shallow soils, surface water provides the largest part of the water supply. The area has recurrently been affected by droughts which caused serious economic losses and social impacts like migration from the rural regions. <br /> The hydrological model Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) developed in this study is a deterministic, spatially distributed model being composed of conceptual, process-based approaches. Water availability (river discharge, storage volumes in reservoirs, soil moisture) is determined with daily resolution. Sub-basins, grid cells or administrative units (municipalities) can be chosen as spatial target units. The administrative units enable the coupling of Wasa in the framework of an integrated model which contains modules that do not work on the basis of natural spatial units.<br /> The target units mentioned above are disaggregated in Wasa into smaller modelling units within a new multi-scale, hierarchical approach. The landscape units defined in this scheme capture in particular the effect of structured variability of terrain, soil and vegetation characteristics along toposequences on soil moisture and runoff generation. Lateral hydrological processes at the hillslope scale, as reinfiltration of surface runoff, being of particular importance in semi-arid environments, can thus be represented also within the large-scale model in a simplified form. Depending on the resolution of available data, small-scale variability is not represented explicitly with geographic reference in Wasa, but by the distribution of sub-scale units and by statistical transition frequencies for lateral fluxes between these units.<br /> Further model components of Wasa which respect specific features of semi-arid hydrology are: <br /> (1) A two-layer model for evapotranspiration comprises energy transfer at the soil surface (including soil evaporation), which is of importance in view of the mainly sparse vegetation cover. Additionally, vegetation parameters are differentiated in space and time in dependence on the occurrence of the rainy season. <br /> (2) The infiltration module represents in particular infiltration-excess surface runoff as the dominant runoff component. <br /> (3) For the aggregate description of the water balance of reservoirs that cannot be represented explicitly in the model, a storage approach respecting different reservoirs size classes and their interaction via the river network is applied. <br /> (4) A model for the quantification of water withdrawal by water use in different sectors is coupled to Wasa. <br /> (5) A cascade model for the temporal disaggregation of precipitation time series, adapted to the specific characteristics of tropical convective rainfall, is applied for the generating rainfall time series of higher temporal resolution.<br /> All model parameters of Wasa can be derived from physiographic information of the study area. Thus, model calibration is primarily not required.<br /> Model applications of Wasa for historical time series generally results in a good model performance when comparing the simulation results of river discharge and reservoir storage volumes with observed data for river basins of various sizes. The mean water balance as well as the high interannual and intra-annual variability is reasonably represented by the model. Limitations of the modelling concept are most markedly seen for sub-basins with a runoff component from deep groundwater bodies of which the dynamics cannot be satisfactorily represented without calibration.<br /> Further results of model applications are:<br /> (1) Lateral processes of redistribution of runoff and soil moisture at the hillslope scale, in particular reinfiltration of surface runoff, lead to markedly smaller discharge volumes at the basin scale than the simple sum of runoff of the individual sub-areas. Thus, these processes are to be captured also in large-scale models. The different relevance of these processes for different conditions is demonstrated by a larger percentage decrease of discharge volumes in dry as compared to wet years.<br /> (2) Precipitation characteristics have a major impact on the hydrological response of semi-arid environments. In particular, underestimated rainfall intensities in the rainfall input due to the rough temporal resolution of the model and due to interpolation effects and, consequently, underestimated runoff volumes have to be compensated in the model. A scaling factor in the infiltration module or the use of disaggregated hourly rainfall data show good results in this respect.<br /> The simulation results of Wasa are characterized by large uncertainties. These are, on the one hand, due to uncertainties of the model structure to adequately represent the relevant hydrological processes. On the other hand, they are due to uncertainties of input data and parameters particularly in view of the low data availability. Of major importance is:<br /> (1) The uncertainty of rainfall data with regard to their spatial and temporal pattern has, due to the strong non-linear hydrological response, a large impact on the simulation results.<br /> (2) The uncertainty of soil parameters is in general of larger importance on model uncertainty than uncertainty of vegetation or topographic parameters.<br /> (3) The effect of uncertainty of individual model components or parameters is usually different for years with rainfall volumes being above or below the average, because individual hydrological processes are of different relevance in both cases. Thus, the uncertainty of individual model components or parameters is of different importance for the uncertainty of scenario simulations with increasing or decreasing precipitation trends.<br /> (4) The most important factor of uncertainty for scenarios of water availability in the study area is the uncertainty in the results of global climate models on which the regional climate scenarios are based. Both a marked increase or a decrease in precipitation can be assumed for the given data.<br /> Results of model simulations for climate scenarios until the year 2050 show that a possible future change in precipitation volumes causes a larger percentage change in runoff volumes by a factor of two to three. In the case of a decreasing precipitation trend, the efficiency of new reservoirs for securing water availability tends to decrease in the study area because of the interaction of the large number of reservoirs in retaining the overall decreasing runoff volumes. / Semiaride Gebiete sind auf Grund der klimatischen Bedingungen durch geringe Wasserressourcen gekennzeichnet. Ein zukünftig steigender Wasserbedarf in Folge von Bevölkerungswachstum und ökonomischer Entwicklung sowie eine geringere Wasserverfügbarkeit durch mögliche Klimaänderungen können dort zu einer Verschärfung der vielfach schon heute auftretenden Wasserknappheit führen. Das Verständnis der Mechanismen und Wechselwirkungen des komplexen Systems von Mensch und Umwelt sowie die quantitative Bestimmung zukünftiger Veränderungen in der Menge, der zeitlichen Verteilung und der Qualität von Wasserressourcen sind eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von nachhaltigen Maßnahmen des Wassermanagements mit dem Ziel einer höheren Anpassungsfähigkeit dieser Regionen gegenüber künftigen Änderungen. Hierzu sind dynamische integrierte Modelle unerlässlich, die als eine Komponente ein hydrologisches Modell beinhalten. <br /> Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Erstellung eines hydrologischen Modells zur großräumigen Bestimmung der Wasserverfügbarkeit unter sich ändernden Umweltbedingungen in semiariden Gebieten.<br /> Als Untersuchungsraum dient der im semiariden tropischen Nordosten Brasiliens gelegene Bundestaat Ceará (150 000 km2). Die mittleren Jahresniederschläge in diesem Gebiet liegen bei 850 mm innerhalb einer etwa fünfmonatigen Regenzeit. Mit vorwiegend kristallinem Grundgebirge und geringmächtigen Böden stellt Oberflächenwasser den größten Teil der Wasserversorgung bereit. Die Region war wiederholt von Dürren betroffen, die zu schweren ökonomischen Schäden und sozialen Folgen wie Migration aus den ländlichen Gebieten geführt haben. <br /> Das hier entwickelte hydrologische Modell Wasa (Model of Water Availability in Semi-Arid Environments) ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell, das aus konzeptionellen, prozess-basierten Ansätzen aufgebaut ist. Die Wasserverfügbarkeit (Abfluss im Gewässernetz, Speicherung in Stauseen, Bodenfeuchte) wird mit täglicher Auflösung bestimmt. Als räumliche Zieleinheiten können Teileinzugsgebiete, Rasterzellen oder administrative Einheiten (Gemeinden) gewählt werden. Letztere ermöglichen die Kopplung des Modells im Rahmen der integrierten Modellierung mit Modulen, die nicht auf der Basis natürlicher Raumeinheiten arbeiten.<br /> Im Rahmen eines neuen skalenübergreifenden, hierarchischen Ansatzes werden in Wasa die genannten Zieleinheiten in kleinere räumliche Modellierungseinheiten unterteilt. Die ausgewiesenen Landschaftseinheiten erfassen insbesondere die strukturierte Variabilität von Gelände-, Boden- und Vegetationseigenschaften entlang von Toposequenzen in ihrem Einfluss auf Bodenfeuchte und Abflussbildung. Laterale hydrologische Prozesse auf kleiner Skala, wie die für semiaride Bedingungen bedeutsame Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, können somit auch in der erforderlichen großskaligen Modellanwendung vereinfacht wiedergegeben werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der verfügbaren Daten wird in Wasa die kleinskalige Variabilität nicht räumlich explizit sondern über die Verteilung von Flächenanteilen subskaliger Einheiten und über statistische Übergangshäufigkeiten für laterale Flüsse zwischen den Einheiten berücksichtigt.<br /> Weitere Modellkomponenten von Wasa, die spezifische Bedingungen semiarider Gebiete berücksichtigen, sind: <br /> (1) Ein Zwei-Schichten-Modell zur Bestimmung der Evapotranspiration berücksichtigt auch den Energieumsatz an der Bodenoberfläche (inklusive Bodenverdunstung), der in Anbetracht der meist lichten Vegetationsbedeckung von Bedeutung ist. Die Vegetationsparameter werden zudem flächen- und zeitdifferenziert in Abhängigkeit vom Auftreten der Regenzeit modifiziert. <br /> (2) Das Infiltrationsmodul bildet insbesondere Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss als dominierender Abflusskomponente ab. <br /> (3) Zur aggregierten Beschreibung der Wasserbilanz von im Modell nicht einzeln erfassbaren Stauseen wird ein Speichermodell unter Berücksichtigung verschiedener Größenklassen und ihrer Interaktion über das Gewässernetz eingesetzt. <br /> (4) Ein Modell zur Bestimmung der Entnahme durch Wassernutzung in verschiedenen Sektoren ist an Wasa gekoppelt. <br /> (5) Ein Kaskadenmodell zur zeitlichen Disaggregierung von Niederschlagszeitreihen, das in dieser Arbeit speziell für tropische konvektive Niederschlagseigenschaften angepasst wird, wird zur Erzeugung höher aufgelöster Niederschlagsdaten verwendet.<br /> Alle Modellparameter von Wasa können von physiographischen Gebietsinformationen abgeleitet werden, sodass eine Modellkalibrierung primär nicht erforderlich ist. <br /> Die Modellanwendung von Wasa für historische Zeitreihen ergibt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse für Abfluss und Stauseespeichervolumen mit Beobachtungsdaten in unterschiedlich großen Einzugsgebieten. Die mittlere Wasserbilanz sowie die hohe monatliche und jährliche Variabilität wird vom Modell angemessen wiedergegeben. Die Grenzen der Anwendbarkeit des Modell-konzepts zeigen sich am deutlichsten in Teilgebieten mit Abflusskomponenten aus tieferen Grundwasserleitern, deren Dynamik ohne Kalibrierung nicht zufriedenstellend abgebildet werden kann.<br /> Die Modellanwendungen zeigen weiterhin:<br /> (1) Laterale Prozesse der Umverteilung von Bodenfeuchte und Abfluss auf der Hangskala, vor allem die Wiederversickerung von Oberflächenabfluss, führen auf der Skala von Einzugsgebieten zu deutlich kleineren Abflussvolumen als die einfache Summe der Abflüsse der Teilflächen. Diese Prozesse sollten daher auch in großskaligen Modellen abgebildet werden. Die unterschiedliche Ausprägung dieser Prozesse für unterschiedliche Bedingungen zeigt sich an Hand einer prozentual größeren Verringerung der Abflussvolumen in trockenen im Vergleich zu feuchten Jahren.<br /> (2) Die Niederschlagseigenschaften haben einen sehr großen Einfluss auf die hydrologische Reaktion in semiariden Gebieten. Insbesondere die durch die grobe zeitliche Auflösung des Modells und durch Interpolationseffekte unterschätzten Niederschlagsintensitäten in den Eingangsdaten und die daraus folgende Unterschätzung von Abflussvolumen müssen im Modell kompensiert werden. Ein Skalierungsfaktor in der Infiltrationsroutine oder die Verwendung disaggregierter stündlicher Niederschlagsdaten zeigen hier gute Ergebnisse.<br /> Die Simulationsergebnisse mit Wasa sind insgesamt durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Diese sind einerseits in Unsicherheiten der Modellstruktur zur adäquaten Beschreibung der relevanten hydrologischen Prozesse begründet, andererseits in Daten- und Parametersunsicherheiten in Anbetracht der geringen Datenverfügbarkeit. Von besonderer Bedeutung ist: <br /> (1) Die Unsicherheit der Niederschlagsdaten in ihrem räumlichen Muster und ihrer zeitlichen Struktur hat wegen der stark nicht-linearen hydrologischen Reaktion einen großen Einfluss auf die Simulationsergebnisse.<br /> (2) Die Unsicherheit von Bodenparametern hat im Vergleich zu Vegetationsparametern und topographischen Parametern im Allgemeinen einen größeren Einfluss auf die Modellunsicherheit.<br /> (3) Der Effekt der Unsicherheit einzelner Modellkomponenten und -parameter ist für Jahre mit unter- oder überdurchschnittlichen Niederschlagsvolumen zumeist unterschiedlich, da einzelne hydrologische Prozesse dann jeweils unterschiedlich relevant sind. Die Unsicherheit einzelner Modellkomponenten- und parameter hat somit eine unterschiedliche Bedeutung für die Unsicherheit von Szenarienrechnungen mit steigenden oder fallenden Niederschlagstrends.<br /> (4) Der bedeutendste Unsicherheitsfaktor für Szenarien der Wasserverfügbarkeit für die Untersuchungsregion ist die Unsicherheit der den regionalen Klimaszenarien zu Grunde liegenden Ergebnisse globaler Klimamodelle. Eine deutliche Zunahme oder Abnahme der Niederschläge bis 2050 kann gemäß den hier vorliegenden Daten für das Untersuchungsgebiet gleichermaßen angenommen werden.<br /> Modellsimulationen für Klimaszenarien bis zum Jahr 2050 ergeben, dass eine mögliche zukünftige Veränderung der Niederschlagsmengen zu einer prozentual zwei- bis dreifach größeren Veränderung der Abflussvolumen führt. Im Falle eines Trends von abnehmenden Niederschlagsmengen besteht in der Untersuchungsregion die Tendenz, dass auf Grund der gegenseitigen Beeinflussung der großen Zahl von Stauseen beim Rückhalt der tendenziell abnehmenden Abflussvolumen die Effizienz von neugebauten Stauseen zur Sicherung der Wasserverfügbarkeit zunehmend geringer wird.

Due to the low amount or unfavorable annual distribution of precipitation the exploration, allocation, sustainable exploitation, and protection of replenishable as well as fossile water resources are challanging tasks in semiarid and arid regions. Beside a few natural or artifcial surface water reservoirs the porous underground at the same time is the largest storage and transport medium for water and provides protection against evaporation and to a certain degree against surcficial introduction of contaminants. This situation is characteristic for the Near East and thus for the selected investigation areas, that are located in Israel and the West Bank, and that are subject of the conducted partail studies that are presented. The work focuses on three main subjects. On the one hand, it deals with the characterization of the young groundwater components of the discharge of four major springs of Wadi Qilt and Jericho, as well as of sampled deep wells of three important well fields. All of these objects discharge or abstract water from the Upper and Lower Judea Group Aquifer. With a thickness of about 750 m it is one of the most important groundwater reservoirs of the region and comprises mainly to varying degrees karstified and fractured limestones and dolomites. These formations underwent uplift during Senonian to Eocenian times forming a pair of double-plunging anticlinal structures (Hebron and Ramallah or Judea and Samaria Mountains, respectively) that are again subdivided into minor anticlines and synclines. The groundwater replenishment is restricted to the winter season between October and April, and to the crestal area of the mountains, where the otherwise covered aquifer rocks crop out. A strategy was developed to interpret the applied tracers for all locations in a similar way using a lumped parameter approach, which enables a direct comparison. On the other hand, the work investigates salinization processes in the Shallow Aquifer of Jericho and their discrimination. Potential sources for salinization are remnant brines that are activated to flow into the range of well extraction due to groundwater overexploitation, dissolution of salts, or formation waters from the Lisan formation. These layers represent the sediments of Lake Lisan, the Pleistocene precursor of the Dead Sea. A discrimination of the salinization mechanisms is important to develope reasonable measures to limit or lower the salt concentration in the affected wells. Consequently, the relevant measured but also potential main hydrochemical indicators and isotope tracers are identified. The large uncertainties with respect to the establishment of a well-founded water balance and to the insuffcient knowledge about the geology of the small-scale area of Jericho are discussed. Because the interpretation of the measured helium samples from the fractured and karstified aquifer of the Cretaceous Judea Group is limited, the dependencies of the He-4 accumulation in groundwater in an idealized dual-continuum aquifer are investigated with respect to the relation of the He-4 mass fluxes and the system response time to the varied parameters (groundwater head gradient, hydraulic conductivities, dispersivities, porosities) by means of a sensitivity analysis. Although the system response time is not a system variable as such it clearly turned out that knowledge about it may be an important information for the interpretation of He concentrations in groundwaters of non-stationary systems. To enhance the visual post-processing of the parameter sensitivity analysis an easily interpretable way of data presentation is introduced. / Semiaride und aride Gebiete stellen aufgrund des niedrigen oder ungünstig verteilten Niederschlagsdargebots eine besondere Herausforderung bezüglich Erkundung, Bereitstellung, nachhaltiger Nutzung und Schutz sich neu bildender, aber auch fossiler Wasserresourcen dar. Abgesehen von wenigen natürlichen oder künstlich angelegten Oberflächenreservoiren ist der poröse Untergrund dabei gleichzeitig Hauptspeicher und Transportmedium für Wasser und bietet einen Schutz gegen Verdunstung und bis zu einem gewissen Grade gegen oberflächig einwirkende Verunreinigungen. Diese Situation ist charakteristisch für den Nahen Osten und damit für die im Rahmen der vorliegenden Arbeit beschriebenen Teiluntersuchungsgebiete, die sich in Israel und der West Bank befinden. Die Arbeit behandelt drei Hauptthemen. Einerseits geht sie auf die Charakterisierung der Jungwasseranteile im Abfluß vier bedeutender Quellen des Wadi Qilts und Jerichos sowie in beprobten tiefen Brunnen dreier wichtiger Brunnenfelder ein. Alle diese Objekte entwässern bzw. entnehmen Wasser aus dem Oberen oder Unteren Judea Group Aquifer. Mit ca. 750 m Mächtigkeit stellt dieser eines der bedeutensten Grundwasserreservoire der Region dar und besteht hauptsächlich aus unterschiedlich stark verkarsteten und gestörten Kalkstein- und Dolomitformationen, welche zwischen dem Senon und Eozän in Form einer in sich weiter gegliederten, beid-seitig abtauchenden Doppelantiklinalstruktur herausgehoben wurde (Hebron und Ramallah bzw. Judea und Samaria Mountains). Die Grundwasserneubildung ist beschränkt auf die Zeit zwischen Oktober und April sowie auf die Kammlagen des Gebirges, wo die sonst bedeckten Schichten des Aquifers ausstreichen. Es wurde eine Strategie entwickelt, die eingesetzten Tracer auf ähnliche Weise mit Hilfe von Lumped Parameter-Modellen für alle Lokationen zu interpretieren und somit eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Andererseits untersucht die Arbeit Versalzungsprozesse im Shallow Aquifer von Jericho und deren Abgrenzung untereinander. Mögliche Hauptquellen der Versalzung sind durch überhöhte Grundwasserentnahme verstärke Zuflüsse von Solen, die Lösung von Salzen aus der Lisan-Formation oder Formationswässer der Lisan-Formation, welche die Ablagerungen des Lisan-Sees, des Pleistozänen Vorgängers des heutigen Toten Meeres, repräsentieren. Eine Unterscheidung der Mechanismen hat dabei durchaus Bedeutung für die Festlegung geeigneter Gegenmaßnahmen. Demzufolge werden die ermittelten, aber auch weitere, potentielle hydrochemische Hauptindikatoren und Tracer benannt. Unsicherheiten sowohl hinsichtlich der Aufstellung einer Wasserbilanz, als auch einer unzureichend bekannten Geologie für das sehr kleinräumige Gebiet von Jericho werden diskutiert.

Die vorliegende Studie befasst sich mit einer hydrochemischen Untersuchung des Aquifersystems auf der Westseite des Toten Meeres. Für die Untersuchungen der Grundwasserressourcen der kreidezeitlichen Grundwasserleiter, insbesondere Grundwasserherkunft, Mischprozesse, Identifizierung von Wasser-Gesteins- Wechselwirkungen, Datierung von Grundwasseraltersbereichen, Identifizierung der Herkunft des Quellen an der Küste des Toten Meeres und Abtrennung quartärer Grundwassermuster, wurde eine Tracerkombination auf Wasser- und Gesteinsproben angewendet. Die hier vorgestellte Multitracer-Methodik ist auch in anderen datenarmen Gebieten mit komplexer Hydrogeologie (Karst oder Störungen) unter anthropogenem Einfluss anwendbar. / The present study deals with a hydrochemical investigation of the aquifer system on the western side of the Dead Sea. To examine the groundwater resources of the Cretaceous aquifer, particularly groundwater origins, mixing processes, identification of water-rock interaction, dating of groundwater age ranges in the aquifers and identification of spring water origins at the Dead Sea coast and separation of Quaternary groundwater patterns, a combination of tracer is applied on water and rock samples. The multi-tracer method presented here is also applicable in other data-poor areas with complex hydrogeology (karst or fracture) under anthropogenic influence.

Due to the low amount or unfavorable annual distribution of precipitation the exploration, allocation, sustainable exploitation, and protection of replenishable as well as fossile water resources are challanging tasks in semiarid and arid regions. Beside a few natural or artifcial surface water reservoirs the porous underground at the same time is the largest storage and transport medium for water and provides protection against evaporation and to a certain degree against surcficial introduction of contaminants. This situation is characteristic for the Near East and thus for the selected investigation areas, that are located in Israel and the West Bank, and that are subject of the conducted partail studies that are presented. The work focuses on three main subjects. On the one hand, it deals with the characterization of the young groundwater components of the discharge of four major springs of Wadi Qilt and Jericho, as well as of sampled deep wells of three important well fields. All of these objects discharge or abstract water from the Upper and Lower Judea Group Aquifer. With a thickness of about 750 m it is one of the most important groundwater reservoirs of the region and comprises mainly to varying degrees karstified and fractured limestones and dolomites. These formations underwent uplift during Senonian to Eocenian times forming a pair of double-plunging anticlinal structures (Hebron and Ramallah or Judea and Samaria Mountains, respectively) that are again subdivided into minor anticlines and synclines. The groundwater replenishment is restricted to the winter season between October and April, and to the crestal area of the mountains, where the otherwise covered aquifer rocks crop out. A strategy was developed to interpret the applied tracers for all locations in a similar way using a lumped parameter approach, which enables a direct comparison. On the other hand, the work investigates salinization processes in the Shallow Aquifer of Jericho and their discrimination. Potential sources for salinization are remnant brines that are activated to flow into the range of well extraction due to groundwater overexploitation, dissolution of salts, or formation waters from the Lisan formation. These layers represent the sediments of Lake Lisan, the Pleistocene precursor of the Dead Sea. A discrimination of the salinization mechanisms is important to develope reasonable measures to limit or lower the salt concentration in the affected wells. Consequently, the relevant measured but also potential main hydrochemical indicators and isotope tracers are identified. The large uncertainties with respect to the establishment of a well-founded water balance and to the insuffcient knowledge about the geology of the small-scale area of Jericho are discussed. Because the interpretation of the measured helium samples from the fractured and karstified aquifer of the Cretaceous Judea Group is limited, the dependencies of the He-4 accumulation in groundwater in an idealized dual-continuum aquifer are investigated with respect to the relation of the He-4 mass fluxes and the system response time to the varied parameters (groundwater head gradient, hydraulic conductivities, dispersivities, porosities) by means of a sensitivity analysis. Although the system response time is not a system variable as such it clearly turned out that knowledge about it may be an important information for the interpretation of He concentrations in groundwaters of non-stationary systems. To enhance the visual post-processing of the parameter sensitivity analysis an easily interpretable way of data presentation is introduced.:Impressum Kurzfassung Abstract List of Figures List of Tables Introduction Geology and hydrogeological background Theory and application of environmental tracers to characterize groundwater flow Methodology Results Summary Conclusions / Semiaride und aride Gebiete stellen aufgrund des niedrigen oder ungünstig verteilten Niederschlagsdargebots eine besondere Herausforderung bezüglich Erkundung, Bereitstellung, nachhaltiger Nutzung und Schutz sich neu bildender, aber auch fossiler Wasserresourcen dar. Abgesehen von wenigen natürlichen oder künstlich angelegten Oberflächenreservoiren ist der poröse Untergrund dabei gleichzeitig Hauptspeicher und Transportmedium für Wasser und bietet einen Schutz gegen Verdunstung und bis zu einem gewissen Grade gegen oberflächig einwirkende Verunreinigungen. Diese Situation ist charakteristisch für den Nahen Osten und damit für die im Rahmen der vorliegenden Arbeit beschriebenen Teiluntersuchungsgebiete, die sich in Israel und der West Bank befinden. Die Arbeit behandelt drei Hauptthemen. Einerseits geht sie auf die Charakterisierung der Jungwasseranteile im Abfluß vier bedeutender Quellen des Wadi Qilts und Jerichos sowie in beprobten tiefen Brunnen dreier wichtiger Brunnenfelder ein. Alle diese Objekte entwässern bzw. entnehmen Wasser aus dem Oberen oder Unteren Judea Group Aquifer. Mit ca. 750 m Mächtigkeit stellt dieser eines der bedeutensten Grundwasserreservoire der Region dar und besteht hauptsächlich aus unterschiedlich stark verkarsteten und gestörten Kalkstein- und Dolomitformationen, welche zwischen dem Senon und Eozän in Form einer in sich weiter gegliederten, beid-seitig abtauchenden Doppelantiklinalstruktur herausgehoben wurde (Hebron und Ramallah bzw. Judea und Samaria Mountains). Die Grundwasserneubildung ist beschränkt auf die Zeit zwischen Oktober und April sowie auf die Kammlagen des Gebirges, wo die sonst bedeckten Schichten des Aquifers ausstreichen. Es wurde eine Strategie entwickelt, die eingesetzten Tracer auf ähnliche Weise mit Hilfe von Lumped Parameter-Modellen für alle Lokationen zu interpretieren und somit eine Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Andererseits untersucht die Arbeit Versalzungsprozesse im Shallow Aquifer von Jericho und deren Abgrenzung untereinander. Mögliche Hauptquellen der Versalzung sind durch überhöhte Grundwasserentnahme verstärke Zuflüsse von Solen, die Lösung von Salzen aus der Lisan-Formation oder Formationswässer der Lisan-Formation, welche die Ablagerungen des Lisan-Sees, des Pleistozänen Vorgängers des heutigen Toten Meeres, repräsentieren. Eine Unterscheidung der Mechanismen hat dabei durchaus Bedeutung für die Festlegung geeigneter Gegenmaßnahmen. Demzufolge werden die ermittelten, aber auch weitere, potentielle hydrochemische Hauptindikatoren und Tracer benannt. Unsicherheiten sowohl hinsichtlich der Aufstellung einer Wasserbilanz, als auch einer unzureichend bekannten Geologie für das sehr kleinräumige Gebiet von Jericho werden diskutiert.:Impressum Kurzfassung Abstract List of Figures List of Tables Introduction Geology and hydrogeological background Theory and application of environmental tracers to characterize groundwater flow Methodology Results Summary Conclusions

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.:Abstract Zusammenfassung Nomenclature List of Figures List of Tables I Background and Fundamentals 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Structure of the Thesis 1.3 Variable-Density Flow in Literature 2 Theory and Methods 2.1 Governing Equations 2.2 Fluid Properties 2.3 Modelling and Visualization Tools 3 Benchmarks 3.1 Steady-state Unconfined Groundwater Table 3.2 Theis Transient Pumping Test 3.3 Transient Saltwater Intrusion 3.4 Development of a Freshwater Lens II Applications 4 Extended Inverse Distance Weighting Interpolation 4.1 Motivation 4.2 Extension of IDW Method 4.3 Artificial Test and Regional Scale Application 4.4 Summary and Conclusions 5 Modelling Transient Saltwater Intrusion 5.1 Background and Motivation 5.2 Methods and Model Setup 5.3 Simulation Results and Discussion 5.4 Summary, Conclusion and Outlook 6 Gelation of a Dense Fluid 6.1 Motivation 6.2 Methods and Model Setup 6.3 Results and Conclusions 7 Delineating Double-Diffusive Rayleigh Regimes 7.1 Background and Motivation 7.2 Methods and Model Setup 7.3 Results 7.4 Conclusions and Outlook III Summary and Conclusions 8 Important Achievements 9 Conclusions and Outlook Bibliography Publications Acknowledgements Appendix