Mit Hilfe eines eindimensionalen Strömungsmodells für die ungesättigte Zone wird die Grundwasserneubildung in einem Poren-Kluftgrundwasserleiter berechnet. Als Untersuchungsgebiet wurde das Einzugsgebiet der Hafenlohr im Buntsandsteinspessart gewählt. Grundlage der Berechnungen sind Kenntnisse über die Wassergehalts-Saugspannungsbeziehungen und über die hydraulischen Durchlässigkeiten von Kluft- und Porenraum. Der Modellraum wird als Zwei-Porositäts-Medium interpretiert wobei Poren- und Kluftraum über Austauschterme miteinander verknüpft sind. Mit dem gewählten Modell ist es möglich neben der Grundwasserneubildung auch Oberflächenabfluss, Evapotranspiration und an Schichtgrenzen auftretende Zwischenabflüsse zu berechnen. Der Übergang vom Bodenhorizont zum Festgestein hat den größten steuernden Einfluss auf die Grundwasserneubildung. Die Neubildungshöhe beträgt durchschnittlich etwa 66 bzw. 100 mm, je nachdem, ob die Zwischenabflüsse im Festgestein berücksichtigt werden. Die Schwankung der Grundwasserneubildung ist auch in Jahren mit extremen Niederschlagshöhen gering. Eine Simulation des Abflussverhaltens der Hafenlohr mit den berechneten Daten stimmt gut mit gemessenen Werten überein. / With the help of a one dimensional flow modell for the unsaturated zone the groundwater recharge for a fractured, porous aquifer is calculated. The Hafenlohr basin area in the Buntsandsteinspessart was chosen as the study area. The calculation is based on the knowledge of the relation between water content and water tension and of the hydraulic permeability of the fractured rock mass and the porous matrix. The modelled medium is interpreted as a double-porosity-medium with fractured rock mass and porous matrix connected by exchange terms. With the chosen model it is possible to calculate the groundwater recharge just as surface runoff, evapotranspiration and interflow at stratigraphic boundaries. The passage from the soil to the solid rock has the most controlling influence on the groundwater recharge. The recharge averages 66 and 100 mm respectively, depending on the consideration of interflow in the solid rock. Even in years with extrem high or low precipitation the fluctuation of the groundwater recharge is low. A simulation of the Hafenlohr discharge based on the calculated data gives good results compared to measured values.

Zugl.: Halle, Wittenberg, Universiẗat, Diss., 2005.

Ziel dieser Arbeit war es, die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet des Ouham mit den vorhandenen zum Teil sehr lückenhaften Daten zu bestimmen. Hierbei sollten unterschiedliche Methoden in der wechselfeuchten, subtropischen Klimazone verglichen und bewertet werden. Das Arbeitsgebiet umfasst das Einzugsgebiet des Oberlaufes des Ouham, eines Flusses im Nordwesten der Zentralafrikanischen Republik. Das hier untersuchte Flussnetz gehört zum Einzugsgebiet des Chari und fließt dem abflusslosen Tschadbecken zu. Das Einzugsgebiet des Ouham liegt in der sahel-sudanischen Klimazone. Zwischen November und März bzw. April herrschen hier trockene Nordostwinde vor, d.h. messbarer Oberflächenabfluss findet in der Trockenzeit lediglich in den Flüssen erster Ordnung statt. Von Mai bis Oktober bestimmen feuchte Südwestwinde das Wetter, es bilden sich zusätzlich zu den Abflüssen erster Ordnung Abflüsse dort, wo es Morphologie und Bodenverhältnisse zulassen. Das Abflussverhalten des Ouham wird im Untersuchungsgebiet an fünf Flusspegeln gemessen. Die größten Abflussspenden treten im Westen auf, mit der Abnahme des Niederschlags nach Osten nimmt auch die Abflussspende der einzelnen Einzugsgebiete ab. Die maximalen Abflussmengen der einzelnen Pegel werden in den westlicheren Teileinzugsgebieten im September gemessen, in den östlicheren Teileinzugsgebieten erstreckt sich das Maximum über September und Oktober bzw. Oktober. Der Niederschlag nimmt von Südwesten nach Nordosten kontinuierlich ab, dieser allgemeine Trend wird durch die Steigungsregen am Massiv von „Bakoré“ modifiziert. Niederschlagsreiche Jahre sind 1951 bis 1952, 1954 bis 1955, 1957, 1960, 1962, 1963 und 1969, ausgeprägt niederschlagsarme Jahre sind 1972, 1973, 1977, 1982 bis 1984 und 1986 bis 1987. Das Untersuchungsgebiet besteht zum größten Teil aus einem proterozoischen Granit-Gneis-Sockel, der im äußersten Südwesten von mesozoischen Sandsteinen bedeckt ist. Das gesamte Grundgebirge ist von einer Vielzahl von Störungen durchzogen, deren Hauptstörungsrichtung Nordwest – Südost, bzw. senkrecht dazu verläuft. Innerhalb großer Störungs- und Intrusionsbereiche ist das Gestein stärker geklüftet. Die Grundwasserneubildung wurde mit unterschiedlichen Methoden berechnet, zum erst auf der Basis von Abflussdaten nach drei unterschiedlichen Verfahren (WUNDT, KILLE, MAILLET), dann mit der Wasserhaushaltsgleichung und durch eine Modellierung der Wasserbilanz mit dem Programm MODBIL . Die ermittelten unterirdischen Abflüsse differieren deutlich. Am höchsten sind die Abflussmengen nach WUNDT, am niedrigsten sind die nach MAILLET berechneten. Für das Einzugs¬gebiet des Ouham, mit der vorhandenen, im Westen deutlich ausgeprägten Topo¬graphie und den heftigen schub¬weise erfolgenden Niederschlägen, wurde die nach KILLE ermittelten Grundwasserneubildungsraten als realistisch gegenüber den Grundwasserneubildungsraten nach WUNDT angesehen. Die Grundwasserneubildung nimmt aufgrund des unterschiedlichen Wasserdargebotes von Westen nach Osten ab, im Westen werden in niederschlagsreichen Jahren 150 mm/Jahr, während es im Osten lediglich 79 mm/Jahr sind. In niederschlagsarmen Jahren nimmt die Grundwasserneubildung von 106 mm/Jahr im Westen auf 64 mm/Jahr im Osten ab. Nach MAILLET wird eine Grundwasserneubildungsrate von 50 mm/Jahr im Westen und 26 mm/Jahr im Osten berechnet, sie stellt ein Mindestmaß an Grundwasserneubildung dar. Die Bestimmung der Grundwasserneubildung mit der Wasserhaushaltsgleichung wurde als Plausibilitätskontrolle der aus Abflussdaten ermittelten Werte durchgeführt. Die ermittelten Grundwasserneubildungsraten liegen deutlich über denen nach dem Verfahren von KILLE und MAILLET berechneten. In einem weiteren Verfahren wurde die Berechnung der Grundwasserneubildung durch Modellierung der Wasser¬bilanz mit dem Programm MODBIL durchgeführt. Hierbei werden vorhandene Punktdaten wie Niederschlag, Temperatur und Verdunstung mit primär existierenden Raumdaten wie Topographie, Morphologie, Landnutzung und Geologie in Raumdaten umgewandelt und auf Grundlage des Bodenwasserhaushaltes die aktuelle Verdunstung, der Abfluss und die Grundwasserneubildung berechnet. Die berechneten Mittelwerte von effektivem Niederschlag, potentieller und aktueller Verdunstung der einzelnen Teileinzugsgebiete lassen einen deutlichen West-Ost-Trend erkennen. Der höchste effektive Niederschlag fällt im westlichsten Einzugsgebiet und nimmt weiter nach Osten weiter ab. Potentielle und aktuelle Verdunstung nehmen von Westen nach Osten zu, wobei bei der aktuellen Verdunstung dieser Trend nicht sehr stark ausgeprägt ist. Das mittlere Abflussverhalten der Teileinzugsgebiete folgt keinem deutlichen West-Ost-Trend. Im Gegensatz dazu nimmt die Grundwasserneubildung von Westen nach Osten ab. / The main object of this work was to determine the groundwater recharge in the catchment area of the river Ouham, Central African Republic, with the existing partially fragmentary data by using different methods. The different approaches have been tested and evaluated for their applicability in subtropical areas. The river Ouham flowing in the Northwest of the Central African Republic is part of the catchment area of the river Chari and drains into the Lake Chad Basin. The area under investigation is part of the humid alternating tropics, therefore hot and dry winds coming from the Northeast are predominant from November to March or April. In this time surface runoff is taking place only in rivers of first order. From Mai to October humid winds coming from the Southeast dominate the weather. Surface runoff is formed not only in rivers of first order but everywhere the morphology and the soil characteristics admits it. The surface runoff is measured with the five staff gauges. The western part of catchment area shows the highest specific discharge, while this decreases to the east due to lower precipitation. The maximum rate of runoff is measured in September in the western catchment area, in the eastern part of the catchment areas this occurs in October. Precipitation is continuously decreasing from Southwest to Northeast with the exception of the mountainous region of “Bakoré”. Years with high of precipitation were 1951, 1952, 1954 to 1955, 1957, 1960, 1962, 1963 and 1969, whereas 1972, 1973, 1977, 1982 to 1984 and 1986 to 1987 were years with low precipitation. The area of investigation consists mainly of a proterozoic basement build of granite and gneiss, which is overlaid in the Southwest with mesozoic sandstones. The whole basement area is crossed by many faults running mainly Northwest – Southeast or perpendicular to it. Within big areas of faulting and intrusion the rock is highly fissured. The groundwater recharge is calculated first with runoff data, secondly with the “hydrological book-keeping equation” and than with a computer-based program called MODBIL. The calculation based on runoff data was carried out with the methods of WUNDT, KILLE and MAILLET. The results differ clearly. The maximum groundwater recharge was calculated with WUNDT, the minimum recharge is the one of MAILLET. For the catchment area of the river Ouham with a highly pronounced topography in the West and heavy and batch-wise precipitation, the groundwater recharge calculated with KILLE seems to be the most realistic one. The groundwater recharge decreases with the decreasing available water supply from West to East. In the West it amounts to 150 mm/year in years with lots of precipitation, whereas in the East it only comes to 79 mm/year. In years of poor of precipitation the calculated groundwater recharge is 106 mm/year in the West and 64 mm/year in the East. The results of the MAILLET-method show a recharge rate of 50 mm/year in the West and of 26 mm/year in the East which is a minimum of the groundwater recharge. The determination of the recharge with “hydrological book-keeping equation” is done as a plausibility control of the results obtained with runoff data. The recharge rates of the “hydrological book-keeping equation” are clearly higher than the one calculated with the methods of KILLE and MAILLET. With the computer-based program MODBIL point data such as precipitation, temperature and evaporation are transferred into space data using primary existing space data as topography, morphology, land use and geology. The actual evaporation, the runoff and the groundwater recharge is calculated on the basis of soil water household. The averages of the effective precipitation, potential and actual evaporation show a clear West-East-tendency. The highest effective precipitation is falling in the westernmost part of the catchment area and decreases to the East. Potential and actual evaporation increases from West to East, but this tendency is only slightly visible for the actual evaporation. The average runoff behaviour does not show any tendency. Contrary to this, the groundwater recharge decreases clearly from West to East. The rates of recharge are in the same dimension as the ones calculated with KILLE.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2003--Mainz. / Zsfassung in engl. Sprache.

A quantitative model of groundwater flows contributing to the Goblenz state water scheme at the north-western fringe of the Kalahari was developed within this study. The investigated area corresponds to the Upper Omatako basin and encompasses an outer mountainous rim and sediments of the Kalahari sand desert in the centre. This study revealed the eminent importance of the mountainous rim for the water balance of the Kalahari, both in terms of surface and ground water. A hydrochemical subdivision of groundwater types in the mountain rim around the Kalahari was derived from cluster analysis of hydrochemical groundwater data. The western and south-western secondary aquifers within rocks of the Damara Sequence, the Otavi Mountain karst aquifers of the Tsumeb and Abenab subgroups as well as the Waterberg Etjo sandstone aquifer represent the major hydrochemical groups. Ca/Mg and Sr/Ca ratios allowed to trace the groundwater flow from the Otavi Mountains towards the Kalahari near Goblenz. The Otavi Mountains and the Waterberg were identified as the main recharge areas showing almost no or only little isotopic enrichment by evaporation. Soil water balance modelling confirmed that direct groundwater recharge in hard-rock environments tends to be much higher than in areas covered with thick Kalahari sediments. According to the water balance model average recharge rates in hard-rock exposures with only thin sand cover are between 0.1 and 2.5 % of mean annual rainfall. Within the Kalahari itself very limited recharge was predicted (< 1 % of mean annual rainfall). In the Upper Omatako basin the highest recharge probability was found in February in the late rainfall season. The water balance model also indicated that surface runoff is produced sporadically, triggering indirect recharge events. Several sinkholes were discovered in the Otavi Foreland to the north of Goblenz forming short-cuts to the groundwater table and preferential recharge zones. Their relevance for the generation of indirect recharge could be demonstrated by stable isotope variations resulting from observed flood events. Within the Kalahari basin several troughs were identified in the pre-Kalahari surface by GIS-based analyses. A map of saturated thickness of Kalahari sediments revealed that these major troughs are partly saturated with groundwater. The main trough, extending from south-west to north-east, is probably connected to the Goblenz state water scheme and represents a major zone of groundwater confluence, receiving groundwater inflows from several recharge areas in the Upper Omatako basin. As a result of the dominance of mountain front recharge the groundwater of the Kalahari carries an isotopic composition of recharge at higher altitudes. The respective percentages of inflow into the Kalahari from different source areas were determined by a mixing-cell approach. According to the mixing model Goblenz receives most of its inflow (70 to 80 %) from a shallow Kalahari aquifer in the Otavi Foreland which is connected to the Otavi Mountains. Another 15 to 10 % of groundwater inflow to the Kalahari at Goblenz derive from the Etjo sandstone aquifer to the south and from inflow of a mixed component. In conclusion, groundwater abstraction at Goblenz will be affected by measures that heavily influence groundwater inflow from the Otavi Mountains, the Waterberg, and the fractured aquifer north of the Waterberg. / Ziel dieser Arbeit ist es, die Herkunft des Grundwassers zu untersuchen, das in der Nähe von Goblenz am Rand der Namibianischen Kalahari in den letzten Jahren erschlossen worden ist. Fragen zur Erneuerbarkeit dieser Grundwasserreserven aus direkter und indirekter Neubildung und zur Rolle lateraler, unterirdischer Zuflüsse von unterschiedlichen Herkunftsräumen waren hierfür zu beantworten. Dies erforderte eine kombinierte Anwendung hydro(geo)logischer, hydrochemischer und isotopenhydrologischer Methoden. Das Arbeitsgebiet in Namibia ist als semi-arid zu bezeichnen und durch ein subtropisches Klimaregime geprägt. Aufgrund der hohen Temperaturen während der Regenzeit verdunstet ein erheblicher Teil der Niederschläge direkt oder durch Transpiration. Daher ist die Kalahari trotz der zum Teil für semi-aride Gebiete vergleichbar hohen Niederschläge von 350 bis über 550 mm/Jahr relativ arm an Oberflächen- und verfügbarem Grundwasser. Ein wesentliches Merkmal des Arbeitsgebietes ist zudem die Dichotomie zwischen dem äußeren Festgesteinsbereich und dem überwiegend mit Sanden bedeckten Kalahari-Becken. Für das Grundwasserfließsystem der Kalahari ist der äußere Festgesteinsbereich bestimmend. Der erstellte regionale Grundwassergleichenplan zeigt ein annähernd zentripetales Fließmuster, das in der Nähe von Goblenz konvergiert, mit einer Hauptentwässerung zur Groß-Kalahari Richtung Osten. Die Neubildungsgebiete liegen in den unterschiedlichen zum Teil verkarsteten Festgesteinsbereichen der Damara Sequenz und des Etjo-Sandsteins (Waterberg). Allerdings konnte auch innerhalb der Kalahari südlich von Goblenz ein begrenztes Grundwasserneubildungsgebiet identifiziert werden. In diesem Bereich haben sich durch die Verkarstung anstehender Kalkkrusten gute Neubildungsbedingungen für das flache Grundwasser entwickelt. Durch die Kombination digitaler Rasterkarten der Geländehöhe, der Kalahari-Mächtigkeit und der Grundwasserstände konnte eine Karte der Bereiche erstellt werden, in denen die Kalahari mit Grundwasser gesättigt ist. Ein Vergleich mit digitalisierten Karten aus früheren geophysikalischen Untersuchungen zeigte eine gute Übereinstimmung. Daraus konnte ein verallgemeinertes Modell der Sättigungsmächtigkeit abgeleitet werden. Aus diesem Modell werden zwei mit Kalahari-Sedimenten verfüllte und gesättigte Rinnen erkennbar. Diese Rinnen sind bevorzugte Fließbahnen für die Grundwasserbewegung vom Festgesteinsrand zum Zentrum des Kalahari-Beckens und stellen zudem Erkundungs- und Erschließungsziele für Grundwasser dar. Die Wassererschließung von Goblenz grenzt an die größere nördliche Rinne. Eine Karte der Mächtigkeit der ungesättigten Zone wurde aus der Verschneidung des digitalen Geländemodells mit einem interpolierten Grundwassergleichenplan errechnet. Diese Karte deutet auf ausgedehnte Bereiche geringer Flurabstände im südlichen und nördlichen Teil des Einzugsgebietes Oberer Omatako hin. Diese Informationen wurden zudem als wesentliche Grundlagen für die regionale Interpretation der stabilen Isotope verwendet. Die Grundwasserneubildung im Oberen Omatako wurde mit mehreren Methoden vergleichend abgeschätzt. Eine klimatische Wasserbilanz aus Tageswerten des Niederschlages (Nt) und der gemessenen Pfannenverdunstung (Vt) zeigte, daß die Neubildung des Grundwassers im Februar am wahrscheinlichsten ist. Nur Niederschlagsereignisse mit hoher Jährlichkeit vermögen dabei auf Tagesbasis die erforderliche Neubildungsbedingung Nt > Vt zu erfüllen. Daraus ergibt sich, daß Grund-wasserneubildung in der Regel nur infolge zeitlicher oder räumlicher Konzentration von Niederschlägen und Abflüssen erfolgen kann und unter Umständen nicht jährlich stattfindet. Eine Erweiterung der klimatischen Wasserbilanz um die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes wurde schließlich verwendet, um für den Bereich ‚Grootfontein‘ eine detaillierte Betrachtung der Grundwasserneubildung aufgrund von Tageswerten zu ermöglichen. Das Bodenwasserhaushaltsmodell wurde zunächst mit empirisch erhobenen bodenphysikalischen Kennwerten belegt und dann anhand von Grundwasserständen kalibriert. Dabei ergaben sich Neubildungsraten von 0.4 bis 9.6 mm/Jahr oder von 0.1 bis 2.5 % des jeweiligen jährlichen Niederschlages. Ein Zusammenhang zwischen dem Jahresmittel des Niederschlages und der Neubildungsrate war nicht ausgeprägt, die Häufung hoher Intensitäten täglicher Niederschläge erwies sich aber als ein wesentlicher Faktor für hohe direkte Neubildungsraten. Auch die Bodenwassermodellierung deutete auf eine höhere Wahrscheinlichkeit der Grundwasserneubildung im Februar hin. Die mit der Chloridmethode ermittelte Neubildungsrate lag mit 8.5 bis 14 mm/Jahr für dieses Gebiet höher. Der Unterschied kann sich aus den bei der Chloridmethode zusätzlich berücksichtigten Komponenten des Makroporenflusses, der indirekten Neubildung und aus anderen lateralen Zuflüssen ergeben. Geländebeobachtungen zeigten jedoch, daß solche Modellergebnisse nur begrenzt verallgemeinerbar oder übertragbar sind. Im Otavi Vorland nördlich von Goblenz wurde eine Reihe von Schlucklöchern entdeckt. Diese haben sich unter geringmächtiger Sandbedeckung in Kalkkrusten durch Verkarstung entwickelt und sind durch das Einbrechen der oberen Bodenschicht vereinzelt sichtbar geworden. Zum einen deuten diese Schlucklöcher auf eine Veränderung der Grundwasserstände hin. Die Kalkkrusten, die sich im Quellgebiet unterhalb der Otavi-Berge durch Calcitausfällung entwickelt hatten, sind durch das Absinken der Grundwasserstände und durch die Aufwehung von Kalahari-Sanden nun lokal verkarstet und wiederum zu Neubildungsgebieten geworden. Solche Schlucklöcher können bevorzugte Fließ- und Überbrückungsbahnen zum Grundwasser darstellen. Die hydrologische Funktion solcher Schlucklöcher läßt sich mit physikalischen Modellen im regionalen Maßstab quantitativ schwer erfassen. Es wurden hydrochemische und Isotopen-Methoden zur indirekten Abschätzung des Fließsystems herangezogen. Zunächst wurde eine generelle Charakterisierung der Grundwässer anhand der Hauptelementchemie und mittels der hierarchischen Cluster-Analyse vorgenommen. Hierbei ließen sich fünf wesentliche Hauptgruppen im Arbeitsgebiet erkennen: Ca-HCO3-Wässer finden sich in den Bereichen der Damara Sequenz, in denen Marmore anstehen und gute Neubildungsbedingungen bieten, Ca-Mg-HCO3-Wässer und Mg-Ca-HCO3-Wässer sind charakteristisch für den Otavi Karst und das ihm vorgelagerte Otavi Vorland. Das Grundwasser im Etjo-Sandstein des Waterberges zeichnet sich durch eine äußerst geringe Mineralisierung und ein ausgeglichenes Verhältnis von Erdalkalien und Alkalien bei hohen Hydrogenkarbonat-Gehalten aus. In der Kalahari und in tieferen Grundwasser-Stockwerken des Otavi-Vorlandes treten schließlich Grundwässer mit hohen Natrium und Chlorid-Gehalten auf. Das Ca/Mg-Verhältnis und das Sr/Ca Verhältnis erwiesen sich als ausgezeichnete hydrochemische Indikatoren für die Unterscheidung von Grundwasser aus dem Otavi Karst und aus den sekundären Aquiferen der Damara Sequenz. Anhand von äußerst geringen molaren Sr/Ca Verhältnissen konnte der Abstrom des Grundwassers aus dem Otavi Karst in die Kalahari genau abgegrenzt und verfolgt werden. Die Chloridkonzentrationen im Grundwasser wurden im Hinblick auf die Anreicherung im Vergleich zum Niederschlag untersucht. Dabei wurden in den Festgesteinsbereichen Konzentrationen zwischen 25 und 100 mg/l festgestellt, die auf Anreicherungsfaktoren von ca. 25 bis 200 bzw. hindeuten. Dies entspricht unter vereinfachten Annahmen Neubildungsraten in der Größenordnung von 2 bis 20 mm/Jahr. In der Kalahari liegen die Konzentrationen von Chlorid mit 250 bis 750 mg/l im Mittel wesentlich höher; diese können in einigen Bereichen 5000 mg/l übersteigen. Eine Umrechnung in Neubildungsraten kann wegen der Konvergenz der Fließbahnen und möglicher geogener Quellen nicht mehr direkt erfolgen, allerdings deuten die hohen Chloridkonzentrationen auf Bereiche mit Verdunstungsverlusten und auf deutlich geringere Neubildungsraten innerhalb der Kalahari hin. Dieses gilt nicht für zwei Bereiche, in denen die Kalahari gering mächtig ist: Im Abstrom dieser Gebiete liegen die Chloridkonzentrationen deutlich niedriger und zeigen lokal erhöhte Neubildung des Grundwassers an. Eine weitergehende Charakterisierung der Wasserchemie und der Isotopenzusammensetzung erfolgte anhand von Grundwasserproben im direkten Umfeld von Goblenz. Hydrochemische Profile durch das Arbeitsgebiet deuteten Mischungsprozesse zwischen Endgliedern der fünf hydrochemischen Gruppen an. So konnte entlang des Flusses Omambonde Richtung Goblenz der laterale Zustrom von Grundwasser aus dem Etjo Sandstein von Westen und der Zustrom von dolomitischem Grundwasser qualitativ nachgewiesen werden. Ebenso ließen sich hydrochemische Hinweise auf eine Neubildung im Otavi Vorland finden, eventuell verursacht durch Versickerung in den beobachteten Schlucklöchern. Eine Untersuchung der stabilen Isotope 18O und 2H bestätigte die qualitativen Aussagen aus den Untersuchungen zur klimatischen Wasserbilanz: Aufgrund der deutlichen Verschiebung zwischen der mittleren gewichteten Isotopen-Zusammensetzung des Niederschlages und des Grundwassers erfolgt die Neubildung wahrscheinlich durch wenige intensive (und an schweren Isotopen abgereicherte) Niederschläge. Die Grundwässer der Kalahari haben eine ursprüngliche Isotopen-zusammensetzung, die derjenigen von hochgelegenen Niederschlagsgebieten entspricht (> 1750 m ü. NN). Damit ergibt sich ein weiterer Hinweis darauf, daß das Grundwasser der Kalahari entweder durch Sturzfluten gebildet wird, die sich in den höher liegenden Festgesteinsbereichen entwickeln, oder direkt im Randbereich neugebildet wird und der Kalahari unterirdisch zuströmt. Die zeitliche Variabilität der Isotopenzusammensetzung begrenzt die Trennschärfe für regionale Analysen. Nördlich von Goblenz im Bereich der beobachteten Schlucklöcher konnte anhand einer Zeitreihe der Isotopenzusammensetzung die Bedeutung von Sturzfluten für die Grundwasserneubildung direkt nachgewiesen werden. Die 14C und 3H Daten bestätigten die Abgrenzung der Neubildungsbereiche. Die aus den hydrogeologischen, hydrologischen, hydrochemischen und isotopen-hydrologischen Teiluntersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurden in einem Konzeptmodell des Grundwasserfließsystems Goblenz zusammengetragen. Aufgrund dieses Konzeptmodells wurden mit einem inversen hydrochemischen Mischungsansatz die jeweiligen Anteile aus den einzelnen Neubildungsgebieten berechnet. Hierzu wurde zunächst über thermodynamische Gleichgewichts-betrachtungen sichergestellt, daß die Annahme konservativen Verhaltens der für die Berechnung verwendeten Wasserinhaltsstoffe für das nähere Arbeitsgebiet um Goblenz gewährleistet war. Kritische Bereiche wurden als ‚Reaktions-Zonen‘ von den ‚Mischungs-Zonen‘ abgegrenzt und nicht in die mathematische Berechnung einbezogen. Der Etjo-Sandstein als Mischungszelle für den Bereich nördlich von Goblenz stellte für die Verwendung dieses nicht-reaktiven Mischungsansatzes im Arbeitsgebiet nahezu ideale Voraussetzungen dar. Zur praktischen Umsetzung des mathematischen Ansatzes wurde ein Programm (MIG, „Mixing Input Generator“) zur interaktiven Erstellung von Mischungsmodellen geschrieben (Anhang 1). Über ein iteratives Verfahren wurden schließlich die Fließraten ermittelt, welche sowohl die Wasserbilanz und als auch die Massenbilanz aller betrachteten Hauptelemente und Isotopen im Arbeitsgebiet optimal erklären. Durch dieses Verfahren wurde errechnet, daß ca. 70 bis 80 Prozent des Wassers, das in Goblenz gefördert wird, aus den Otavi Bergen stammt. Weitere 15 bis 10 % stammen jeweils aus dem Etjo Sandstein bzw. aus einer Mischkomponente von Grundwässern nördlich des Waterbergs. Detailbetrachtungen der Mischungskomponenten im Otavi Vorland zeigten, daß hier in einigen Bereichen eine Zumischung von geringen Anteilen neugebildeten Grundwassers erfolgt, in anderen Bereichen höher mineralisiertes Tiefenwasser zutritt. Der konservative Mischungsansatz stellt unter günstigen Bedingungen ein geeignetes Mittel zur inversen Berechnung von Fließraten dar. Allerdings sind dazu wie in diesem Falle umfangreiche Voruntersuchungen notwendig. Goblenz liegt in einem Konvergenzgebiet von Grundwasserströmen aus unterschiedlichen Neubildungsgebieten im Festgesteinsbereich. Für Goblenz ist der laterale Zustrom von Grundwasser aus dem Otavi Karst und dem Waterberg die entscheidende Wasserhaus-haltskomponente. Die direkte Neubildung in der Kalahari ist dagegen relativ gering. Allerdings kann eine zusätzliche Neubildung in verkarsteten und kaum oder nur mit geringmächtigen Sanden bedeckten Kalkkrusten eine Rolle spielen.

The region of interest is part from Iraqi western desert covering an area about 100,000 km². Several of the large wadis such as Hauran, Amij, Ghadaf, Tubal and Ubaiydh traverse the entire region and discharge into the Euphrates River. The present study included the following hydrogeological investigations: Lineaments interpretation was done by using different data sets (SRTM 30 m and Landsat ETM 15m), within different algorithms. Some faults recognized by field survey match rather well with the automatically extracted lineaments with only a small difference between field data and re-mote sensed data. The groundwater flow directions (west to east) for three aquifers were determined by using different spatial interpolation algorithms. Due to the faults impact, the flow direction gets a slightly other direction when reaching the fault’s zone. Two pumping test were performed close to fault 2 in the unconfined aquifer Dammam using well no. 9 and 17. Results of pumping test and recovery were evaluated with the analytical model MLU for Windows. Well 17 shows a slightly higher transmissivity (0.1048 m²/min) in compari-son to well 9 (T= 0.0832 m²/min). This supports the assumption of a zone of unique elevated permeability between fault 1 and fault 2 because of the tectonic stress and the anticline structure. The catchment and watershed delineation was performed by means of four GIS packages utilizing three DTM´s: 90 m and 30 m SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) and the ASTER 30 m. A thorough field survey and manual catchment delineation of the same area was available from Division 1944. Software used was Arc Hydrotools, TNTmips, River Tools and TecDEM. Ten 90 m SRTM and twelve 30 m ASTER files were merged by means of ArcGIS. The 30 m SRTM dataset of Iraq was supplied by courtesy of the US Army and the region of interest (ROI) was clipped from this DTM using ArcGIS. No additional steps were performed with both DTM data sets before using the mentioned software products to perform the catchment analysis. As a result the catchment calculations were significantly different for both 30 m and 90 m data and the different software products. The groundwater model implemented in Visual Modflow V.4.2 was built by 5 main layers repre-senting Dammam aquifer, first aquiclude, UmEr Duhmma aquifer, second aquiclude and the Tayarat aquifer. Averaged readings of groundwater head from 102 observation wells were used to calibrate the model. Calculated recharge average was 17.5 mm/year based on the water balance for ~30 years (1980-2008). A sensitivity analysis was performed by using different permeability and recharge values. However, the model showed a rather low sensitivity because the values of the standard error of the estimation were between 2.27 m and 3.56 m. Models with recharge less than 11.85 mm/year or more than 60 mm/year did not converge and thus failed to produce a result. Models with Kf values from 1.1-3 to 1.1-4 m/s for aquifers and from 1.1-7 to 1.1-8 m/s for aquicludes converged. Water budget is about 2.17*10¹⁰ m³/year; by irrigating the greenhouses this budget will cover only 1.75% of the total area. However, this value could be upgraded up to 8 – 9 % by utilizing the groundwater inflow from Saudi Arabia. / Das Untersuchungsgebiet umfasst eine Fläche von etwa 100.000 km² und ist Teil der westlichen irakischen Wüste. Einige der großen Wadis wie Hauran, Amij, Ghadaf, Tubal und Ubaiydh durchqueren die gesamte Region und entwässern in den Euphrat. Die vorliegende Arbeit umfasst folgende hydrogeologische Untersuchungen: Die Interpretation der Lineamente wurde anhand verschiedener Datensätze (SRTM 30 m und Landsat ETM 15 m) und unter Nutzung unterschiedlicher Algorithmen durchgeführt. Einige Störungen, welche während Feldmessungen identifiziert wurden, stimmen gut mit automatisch extrahierten Lineamenten überein, der Unterschied zwischen Feld- und Fernerkundungsdaten ist somit gering. Die Ermittlung der Grundwasserfließrichtungen (von West nach Ost) der drei Aquifere erfolgte unter Nutzung verschiedener Algorithmen zur räumlichen Interpolation. Es zeigte sich, dass die Störungen zu einer leichten Veränderung der Fließrichtung mit zunehmender Nähe zur Störungszone führen. Zwei Pumpversuche in den Brunnen 9 und 17 wurden nahe der Störung 2 im ungesättigten Aquifer Dammam durchgeführt. Die Auswertung der Ergebnisse der Pump- und Wiederanstiegsversuche erfolgte mittels des analytischen Modells MLU für Windows. Es zeigte sich, dass Brunnen 17 eine leicht höhere Transmissivität aufweist (T = 0,1048 m²/min) im Vergleich zu Brunnen 9 (T = 0,0832 m²/min). Dies unterstützt die Annahme der Existenz einer Zone erhöhter Permeabilität zwischen den Störungen 1 und 2, verursacht durch tektonischen Stress und die Antiklinalstruktur. Die Erfassung von Einzugsgebiet und Wasserscheiden erfolgte anhand von vier GIS-Paketen unter Nutzung von 3 DTM’s: 90 m und 30 m SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) sowie ASTER 30 m. Genaue Daten aus einer Feldkampagne und eine manuelle Abgrenzung des Einzugsgebietes derselben Region standen zur Verfügung (Division 1944). Als Software kamen Arc Hydrotools, TNTmips, River Tools und TecDEM zum Einsatz. Zehn SRTM- (90 m) und zwölf ASTER-Files (30 m) wurden mittels ArcGIS vereinigt. Ein 30 m SRTM-Datensatz des Irak (bereitgestellt durch die US-Armee) diente als Grundlage für das Ausschneiden des Untersuchungsgebietes (ROI) mit Hilfe von ArcGIS. An beiden DTM Datensätzen wurden vor der Ermittlung des Einzugsgebietes mit den genannten Software-Produkten keine zusätzlichen Schritte durchgeführt. Als Resultat ergaben sich signifikante Unterschiede zwischen den 30 m und 90 m Datensätzen sowie der verschiedenen Software. Das in Visual Modflow V.4.2 implementierte Grundwassermodell wurde aus fünf Hauptschichten bestehend aus Dammam Aquifer, erster Stauer, UmEr Duhmma Aquifer, zweiter Stauer und Tayarat Aquifer aufgebaut. Durchschnittliche Werte der Grundwasserstände aus 102 Observationsbrunnen dienten der Kalibrierung des Modells. Die berechnete mittlere Grundwasserneubildung betrug 17,5 mm/a, basierend auf dem Wasserhaushalt der letzten 30 Jahre (1980-2008). Unter Einbeziehung verschiedener Werte für Permeabilität und Grundwasserneubildung wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Dabei ergab sich allerdings eine geringe Empfindlichkeit des Modells, resultierend aus einer Standardabweichung der Schätzung zwischen 2,27 m und 3,56 m. Modelle mit einer Grundwasserneubildung kleiner 11,85 mm/a und größer 60 mm/a zeigten keine Konvergenz und führten somit zu keinem Ergebnis. Modelle mit kf Werten zwischen 1.1-3 und 1.1-4 m/s für Aquifere und zwischen 1.1-7 und 1.1-8 m/s für Grundwasserstauer konvergierten. Die Grundwasserneubildung betrug etwa 2,17∙10¹⁰ m³/a, für die Bewässerung von Gewächshäusern deckt diese Summe nur 1,75% des gesamten Gebietes ab. Allerdings könnte dieser Wert durch die Nutzung des Grundwasserzuflusses aus Saudi Arabien auf 8 – 9% gesteigert werden.

The region of interest is part from Iraqi western desert covering an area about 100,000 km². Several of the large wadis such as Hauran, Amij, Ghadaf, Tubal and Ubaiydh traverse the entire region and discharge into the Euphrates River. The present study included the following hydrogeological investigations: Lineaments interpretation was done by using different data sets (SRTM 30 m and Landsat ETM 15m), within different algorithms. Some faults recognized by field survey match rather well with the automatically extracted lineaments with only a small difference between field data and re-mote sensed data. The groundwater flow directions (west to east) for three aquifers were determined by using different spatial interpolation algorithms. Due to the faults impact, the flow direction gets a slightly other direction when reaching the fault’s zone. Two pumping test were performed close to fault 2 in the unconfined aquifer Dammam using well no. 9 and 17. Results of pumping test and recovery were evaluated with the analytical model MLU for Windows. Well 17 shows a slightly higher transmissivity (0.1048 m²/min) in compari-son to well 9 (T= 0.0832 m²/min). This supports the assumption of a zone of unique elevated permeability between fault 1 and fault 2 because of the tectonic stress and the anticline structure. The catchment and watershed delineation was performed by means of four GIS packages utilizing three DTM´s: 90 m and 30 m SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) and the ASTER 30 m. A thorough field survey and manual catchment delineation of the same area was available from Division 1944. Software used was Arc Hydrotools, TNTmips, River Tools and TecDEM. Ten 90 m SRTM and twelve 30 m ASTER files were merged by means of ArcGIS. The 30 m SRTM dataset of Iraq was supplied by courtesy of the US Army and the region of interest (ROI) was clipped from this DTM using ArcGIS. No additional steps were performed with both DTM data sets before using the mentioned software products to perform the catchment analysis. As a result the catchment calculations were significantly different for both 30 m and 90 m data and the different software products. The groundwater model implemented in Visual Modflow V.4.2 was built by 5 main layers repre-senting Dammam aquifer, first aquiclude, UmEr Duhmma aquifer, second aquiclude and the Tayarat aquifer. Averaged readings of groundwater head from 102 observation wells were used to calibrate the model. Calculated recharge average was 17.5 mm/year based on the water balance for ~30 years (1980-2008). A sensitivity analysis was performed by using different permeability and recharge values. However, the model showed a rather low sensitivity because the values of the standard error of the estimation were between 2.27 m and 3.56 m. Models with recharge less than 11.85 mm/year or more than 60 mm/year did not converge and thus failed to produce a result. Models with Kf values from 1.1-3 to 1.1-4 m/s for aquifers and from 1.1-7 to 1.1-8 m/s for aquicludes converged. Water budget is about 2.17*10¹⁰ m³/year; by irrigating the greenhouses this budget will cover only 1.75% of the total area. However, this value could be upgraded up to 8 – 9 % by utilizing the groundwater inflow from Saudi Arabia.:List of Content Page Dedication ………………………………..………………..2 Acknowledgment ………………………………..………………..3 List of contents …………………………………..……………..4 List of Figures ………..……………………………..….......…8 List of Tables ………..……………………………….…….…9 List of abbreviations ………..……………………………….………10 English Abstract ……………………………………….………..12 German Abstract ..………………...…………………….……….14 1 Introduction ………..……………………………….………16 1-1 Preface ………..……………………………….………16 1-2 Region of interest ………..……………………………….………16 1-3 Previous Studies ………..……………………………….………17 1-3-1 Local studies ………..……………………………….………17 1-3-1-1 Hydrogeological Studies ………..………………………….…….17 1-3-1-2 Remote Sensing Studies ………..………………………….…….18 1-3-2 Global studies …..……………………………….…….18 1-3-2-1 Groundwater flow and fracture zone ..………………………...19 1-3-2-2 Lineaments extraction ………..…………………………….….19 1-3-2-3 Watershed delineation ………..……………………….……….20 1-4 Importance of investigation area ……………..………………..…24 1-5 Motivation ………..……………………………….…….…24 1-6 Deliverables ………..……………………………….………24 1-7 Problems ………..……………………………….………26 2 Methodology ………..……………………………….………27 2-1 Literature review ………..……………………………….………27 2-2 Personal contact ………..……………………………….………27 2-3 Field work ………..……………………………….………27 2-4 Evaluation of geological data ………………………….………27 2-4-1 Geological cross section ….……..……………………….27 2-4-2 Fault system by means of remote sensing techniques …..………28 2-5 Climate and Meteorology..…..………………………………....……28 2-5-1 Meteorological data ………..……………………………….………28 2-5-2 Aridity index ………..……………………………….………28 2-5-3 Groundwater recharge ………..…………………………….….29 2-5-4 Vegetation index ………..……………………………….………29 2-5-5 Actual evaporation ………..……………………………….………30 2-5-6 Soil moisture ………..……………………………….………32 2-5-7 Runoff ………..……………………………….………32 2-6 Hydrogeology ………..……………………………….………34 2-6-1 Pumping test ………..……………………………….………34 2-6-2 Groundwater flow ………..……………………………….………34 2-6-3 Wadi catchment delineation ……………………………….…34 2-6-3-1 Dataset ………..……………………………….………34 2-6-3-2 Approaches ………..……………………………….………34 2-6-3-3 Software packages ………..……………………………….………35 2-6-4 PC options ………..……………………………….………39 2-6-5 Groundwater Model ………..……………………………….………39 2-6-5-1 Conceptual model ………..……………………………….………40 2-6-5-2 Input ………..……………………………….………41 2-6-5-3 Properties ………..……………………………….………41 2-6-5-4 Boundary conditions ………..……………………………….………41 2-6-5-5 Observation wells ………..……………………………….………42 2-6-5-6 Solver ………..……………………………….………42 2-6-5-7 Calibration ………..……………………………….………42 3 Geological setting ………..……………………………….………44 3-1 Preface ………..……………………………….………44 3-2 Tectonic and structure …………………………………………..…...44 3-3 Stratigraphy ………..……………………………….………46 3-3-1 Tayarat formation ………..……………………………….………47 3-3-2 Umm Er Radhumma formation ………………………………....47 3-3-3 Dammam formation ………..……………………………….………48 3-3-4 Euphrates formation………..…………………………………………48 3-4 Topography and Ubaiydh Wadi …………………………………49 4 Climate and meteorology.…………………………………..………51 4-1 Preface ………..……………………………….………51 4-2 Precipitation ………..……………………………….………51 4-3 Temperature ………..……………………………….………52 4-4 Potential evaporation …………………………………………53 4-5 Relative humidity ………..……………………………….………54 4-6 Wind ………..……………………………….………55 4-7 Sunshine duration ………..……………………………….………56 5 Hydrogeology ………..……………………………….………57 5-1 Preface ………..……………………………….………57 5-2 Tayarat aquifer ………..……………………………….………57 5-2-1 Pressure conditions ………..……………………………….………57 5-2-2 Hydraulic characteristics …………………………………………57 5-2-3 Water quality ………..……………………………….………58 5-3 Um Er Radumma aquifer …………………………………………58 5-3-1 Pressure conditions ………..……………………………….………58 5-3-2 Hydraulic characteristics …………………………………………58 5-3-3 Water quality ………..……………………………….………59 5-4 Dammam aquifer ………..……………………………….………59 5-4-1 Pressure conditions ………..……………………………….………59 5-4-2 Hydraulic characteristics …………………………………………60 5-4-3 Water quality ………..……………………………….………60 6 Result and discussion …………………………………………61 6-1 Topographic contour map …………………………………………61 6-2 Geological cross section …………………………………………62 6-3 Lineaments evaluation …………………………………………65 6-4 Groundwater flow ………..……………………………….………66 6-5 Pumping test evaluation …………………………………………70 6-6 Catchment calculation …………………………………………72 6-7 Water balance and Recharge ……………………………….…76 6-8 Groundwater model ………..……………………………….………78 6.8.1 Model sensitivity ………..……………………………….………80 6.8.2 Groundwater management ……………………………….…83 7 Conclusion and recommendations …………………………………84 7.1 Conclusion ………..……………………………….…….…84 7.2 Recommendations ………..……………………………….…….…85 8 References ………..……………………………….………86 9 Appendixes ………..……………………………….………90 10 Field work Photos ………..……………………………….………115 11 Author CV. ………..……………………………….………116 / Das Untersuchungsgebiet umfasst eine Fläche von etwa 100.000 km² und ist Teil der westlichen irakischen Wüste. Einige der großen Wadis wie Hauran, Amij, Ghadaf, Tubal und Ubaiydh durchqueren die gesamte Region und entwässern in den Euphrat. Die vorliegende Arbeit umfasst folgende hydrogeologische Untersuchungen: Die Interpretation der Lineamente wurde anhand verschiedener Datensätze (SRTM 30 m und Landsat ETM 15 m) und unter Nutzung unterschiedlicher Algorithmen durchgeführt. Einige Störungen, welche während Feldmessungen identifiziert wurden, stimmen gut mit automatisch extrahierten Lineamenten überein, der Unterschied zwischen Feld- und Fernerkundungsdaten ist somit gering. Die Ermittlung der Grundwasserfließrichtungen (von West nach Ost) der drei Aquifere erfolgte unter Nutzung verschiedener Algorithmen zur räumlichen Interpolation. Es zeigte sich, dass die Störungen zu einer leichten Veränderung der Fließrichtung mit zunehmender Nähe zur Störungszone führen. Zwei Pumpversuche in den Brunnen 9 und 17 wurden nahe der Störung 2 im ungesättigten Aquifer Dammam durchgeführt. Die Auswertung der Ergebnisse der Pump- und Wiederanstiegsversuche erfolgte mittels des analytischen Modells MLU für Windows. Es zeigte sich, dass Brunnen 17 eine leicht höhere Transmissivität aufweist (T = 0,1048 m²/min) im Vergleich zu Brunnen 9 (T = 0,0832 m²/min). Dies unterstützt die Annahme der Existenz einer Zone erhöhter Permeabilität zwischen den Störungen 1 und 2, verursacht durch tektonischen Stress und die Antiklinalstruktur. Die Erfassung von Einzugsgebiet und Wasserscheiden erfolgte anhand von vier GIS-Paketen unter Nutzung von 3 DTM’s: 90 m und 30 m SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) sowie ASTER 30 m. Genaue Daten aus einer Feldkampagne und eine manuelle Abgrenzung des Einzugsgebietes derselben Region standen zur Verfügung (Division 1944). Als Software kamen Arc Hydrotools, TNTmips, River Tools und TecDEM zum Einsatz. Zehn SRTM- (90 m) und zwölf ASTER-Files (30 m) wurden mittels ArcGIS vereinigt. Ein 30 m SRTM-Datensatz des Irak (bereitgestellt durch die US-Armee) diente als Grundlage für das Ausschneiden des Untersuchungsgebietes (ROI) mit Hilfe von ArcGIS. An beiden DTM Datensätzen wurden vor der Ermittlung des Einzugsgebietes mit den genannten Software-Produkten keine zusätzlichen Schritte durchgeführt. Als Resultat ergaben sich signifikante Unterschiede zwischen den 30 m und 90 m Datensätzen sowie der verschiedenen Software. Das in Visual Modflow V.4.2 implementierte Grundwassermodell wurde aus fünf Hauptschichten bestehend aus Dammam Aquifer, erster Stauer, UmEr Duhmma Aquifer, zweiter Stauer und Tayarat Aquifer aufgebaut. Durchschnittliche Werte der Grundwasserstände aus 102 Observationsbrunnen dienten der Kalibrierung des Modells. Die berechnete mittlere Grundwasserneubildung betrug 17,5 mm/a, basierend auf dem Wasserhaushalt der letzten 30 Jahre (1980-2008). Unter Einbeziehung verschiedener Werte für Permeabilität und Grundwasserneubildung wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Dabei ergab sich allerdings eine geringe Empfindlichkeit des Modells, resultierend aus einer Standardabweichung der Schätzung zwischen 2,27 m und 3,56 m. Modelle mit einer Grundwasserneubildung kleiner 11,85 mm/a und größer 60 mm/a zeigten keine Konvergenz und führten somit zu keinem Ergebnis. Modelle mit kf Werten zwischen 1.1-3 und 1.1-4 m/s für Aquifere und zwischen 1.1-7 und 1.1-8 m/s für Grundwasserstauer konvergierten. Die Grundwasserneubildung betrug etwa 2,17∙10¹⁰ m³/a, für die Bewässerung von Gewächshäusern deckt diese Summe nur 1,75% des gesamten Gebietes ab. Allerdings könnte dieser Wert durch die Nutzung des Grundwasserzuflusses aus Saudi Arabien auf 8 – 9% gesteigert werden.:List of Content Page Dedication ………………………………..………………..2 Acknowledgment ………………………………..………………..3 List of contents …………………………………..……………..4 List of Figures ………..……………………………..….......…8 List of Tables ………..……………………………….…….…9 List of abbreviations ………..……………………………….………10 English Abstract ……………………………………….………..12 German Abstract ..………………...…………………….……….14 1 Introduction ………..……………………………….………16 1-1 Preface ………..……………………………….………16 1-2 Region of interest ………..……………………………….………16 1-3 Previous Studies ………..……………………………….………17 1-3-1 Local studies ………..……………………………….………17 1-3-1-1 Hydrogeological Studies ………..………………………….…….17 1-3-1-2 Remote Sensing Studies ………..………………………….…….18 1-3-2 Global studies …..……………………………….…….18 1-3-2-1 Groundwater flow and fracture zone ..………………………...19 1-3-2-2 Lineaments extraction ………..…………………………….….19 1-3-2-3 Watershed delineation ………..……………………….……….20 1-4 Importance of investigation area ……………..………………..…24 1-5 Motivation ………..……………………………….…….…24 1-6 Deliverables ………..……………………………….………24 1-7 Problems ………..……………………………….………26 2 Methodology ………..……………………………….………27 2-1 Literature review ………..……………………………….………27 2-2 Personal contact ………..……………………………….………27 2-3 Field work ………..……………………………….………27 2-4 Evaluation of geological data ………………………….………27 2-4-1 Geological cross section ….……..……………………….27 2-4-2 Fault system by means of remote sensing techniques …..………28 2-5 Climate and Meteorology..…..………………………………....……28 2-5-1 Meteorological data ………..……………………………….………28 2-5-2 Aridity index ………..……………………………….………28 2-5-3 Groundwater recharge ………..…………………………….….29 2-5-4 Vegetation index ………..……………………………….………29 2-5-5 Actual evaporation ………..……………………………….………30 2-5-6 Soil moisture ………..……………………………….………32 2-5-7 Runoff ………..……………………………….………32 2-6 Hydrogeology ………..……………………………….………34 2-6-1 Pumping test ………..……………………………….………34 2-6-2 Groundwater flow ………..……………………………….………34 2-6-3 Wadi catchment delineation ……………………………….…34 2-6-3-1 Dataset ………..……………………………….………34 2-6-3-2 Approaches ………..……………………………….………34 2-6-3-3 Software packages ………..……………………………….………35 2-6-4 PC options ………..……………………………….………39 2-6-5 Groundwater Model ………..……………………………….………39 2-6-5-1 Conceptual model ………..……………………………….………40 2-6-5-2 Input ………..……………………………….………41 2-6-5-3 Properties ………..……………………………….………41 2-6-5-4 Boundary conditions ………..……………………………….………41 2-6-5-5 Observation wells ………..……………………………….………42 2-6-5-6 Solver ………..……………………………….………42 2-6-5-7 Calibration ………..……………………………….………42 3 Geological setting ………..……………………………….………44 3-1 Preface ………..……………………………….………44 3-2 Tectonic and structure …………………………………………..…...44 3-3 Stratigraphy ………..……………………………….………46 3-3-1 Tayarat formation ………..……………………………….………47 3-3-2 Umm Er Radhumma formation ………………………………....47 3-3-3 Dammam formation ………..……………………………….………48 3-3-4 Euphrates formation………..…………………………………………48 3-4 Topography and Ubaiydh Wadi …………………………………49 4 Climate and meteorology.…………………………………..………51 4-1 Preface ………..……………………………….………51 4-2 Precipitation ………..……………………………….………51 4-3 Temperature ………..……………………………….………52 4-4 Potential evaporation …………………………………………53 4-5 Relative humidity ………..……………………………….………54 4-6 Wind ………..……………………………….………55 4-7 Sunshine duration ………..……………………………….………56 5 Hydrogeology ………..……………………………….………57 5-1 Preface ………..……………………………….………57 5-2 Tayarat aquifer ………..……………………………….………57 5-2-1 Pressure conditions ………..……………………………….………57 5-2-2 Hydraulic characteristics …………………………………………57 5-2-3 Water quality ………..……………………………….………58 5-3 Um Er Radumma aquifer …………………………………………58 5-3-1 Pressure conditions ………..……………………………….………58 5-3-2 Hydraulic characteristics …………………………………………58 5-3-3 Water quality ………..……………………………….………59 5-4 Dammam aquifer ………..……………………………….………59 5-4-1 Pressure conditions ………..……………………………….………59 5-4-2 Hydraulic characteristics …………………………………………60 5-4-3 Water quality ………..……………………………….………60 6 Result and discussion …………………………………………61 6-1 Topographic contour map …………………………………………61 6-2 Geological cross section …………………………………………62 6-3 Lineaments evaluation …………………………………………65 6-4 Groundwater flow ………..……………………………….………66 6-5 Pumping test evaluation …………………………………………70 6-6 Catchment calculation …………………………………………72 6-7 Water balance and Recharge ……………………………….…76 6-8 Groundwater model ………..……………………………….………78 6.8.1 Model sensitivity ………..……………………………….………80 6.8.2 Groundwater management ……………………………….…83 7 Conclusion and recommendations …………………………………84 7.1 Conclusion ………..……………………………….…….…84 7.2 Recommendations ………..……………………………….…….…85 8 References ………..……………………………….………86 9 Appendixes ………..……………………………….………90 10 Field work Photos ………..……………………………….………115 11 Author CV. ………..……………………………….………116