The aim of this thesis was to investigate the impact of a direct oxygen injection as a potential remediation strategy for contaminated aquifers on a bench scale. The mass transfer between a multi-component trapped gas phase and a mobile water phase was studied. Column experiments with dynamically compressed sediments and a direct gas injection of pure oxygen gas were performed. In addition, a new developed kinetic multi-component model was used to describe the experiments. The amount of gas that could be captured in the pore space during direct oxygen injection and the time needed for a complete dissolution of the trapped gas phase were determined. Varying influences of different gases already dissolved in the mobile water phase on the dissolution process of a trapped oxygen gas phase were described for different flow regimes and confirmed by the model results. Finally, on the basis of the experimental and model results obtained in this thesis, predictions for an application of a direct oxygen injection in the field were discussed.

Mit Hilfe von phosphathaltigen Inhibitoren ist es möglich, hoch übersättigte Gipslösungen über einen vorgegebenen Zeitraum zu stabilisieren, und anschließend, zu einer definierten Zeit, Gips auszufällen. Damit können derartige Lösungen zur Permeabilitätsreduzierung von Grundwasserleitern eingesetzt werden. Untersuchungen zum Verlauf der Kristallisation zeigten die Abhängigkeit der Induktionszeit der Gipsbildung von pH-Wert, Temperatur, anwesenden Feststoffen und von der Übersättigung der Lösung. Die Wechselwirkungen zwischen Inhibitor und übersättigter Lösung, Gipskristallen und Sand werden sowohl durch Polyphosphathydrolyse als auch durch Adsorption des Inhibitors und Absorption im entstehenden Kristallisat bestimmt. In Säulenversuchen gelang es, in weiten Bereichen Gips abzuscheiden und die Porösität zu reduzieren. Ausgehend von den Untersuchungen zur Injektionsmethodik in den Säulenversuchen konnten im Feldtest technologische und geotechnische Parameter praxisnah getestet werden. Die Permeabilität des Grundwasserleiters wurde erfolgreich reduziert. Damit wurde ein weiteres niedrig viskoses Injektionsmittel zur Permeabilitätsreduzierung in Sedimenten mit niedrigen kf-Werten gefunden.

Thai Binh is a coastal province of Red River Delta in Vietnam, having administrative boundaries at the river systems and coastlines that cause groundwater quality varies complicatedly. Today in Thai Binh province, the groundwater in Holocene and Pleistocene aquifers is exploited for domestic use. But, beside the quality of groundwater in this region is not uniform, it is interspersed between salt water and fresh water zones in Holocene and Pleistocene aquifers. Nowaday, under the force of groundwater exploitation activity for domestic purposes, agricultural activities, the impact of climate change and sea level rise issues, the quality of distribution of groundwater here change. According to the recent research results, groundwater quality and distribution of salt water - fresh water there have many changes compared with the research results of the Northern Division for Water resources Planning and Investigation in the year 1996. For the the Holocene aquifer (qh), distribution area of salt water zone has been narrowed. Besides, saline cleaning process occurred in some coastal areas in Tien Hai, Thai Thuy and a part of Quynh Phu district. For the Pleistocene aquifer (qp), compared with research result in 1996, the boundaries between saline and fresh water at the present time is not change so much. By assessing the status of the distribution of saline and fresh water zones in groundwater in Thai Binh and the movement of this boundary, author’s research results will be the basis that helps the managers give out reasonable exploiting and sustainable using methods for these natural resources. / Thái Bình là một tỉnh ven biển thuộc vùng châu thổ sông Hồng của Việt Nam, được bao bọc bởi hệ thống sông biển khép kín làm cho chất lượng nước ngầm biến đổi rất phức tạp. Hiện nay, tại Thái Bình có 2 tầng chứa nước chính phục vụ ăn uống sinh hoạt là tầng chứa nước Holocen và tầng chứa nước Pleistocen. Tuy nhiên, chất lượng nước ngầm ở các tầng chứa nước này không đồng đều, có sự phân bố xen kẽ giữa các khoảnh nước mặn và nước nhạt. Hiện nay, dưới tác động của hoạt động dân sinh, sản xuất nông nghiệp, khai thác nước phục vụ sinh hoạt cùng ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sự dâng cao của mực nước biển đã làm thay đổi chất lượng và quy mô phân bố nước ngầm khu vực. Theo những kết quả nghiên cứu mới nhất của tác giả cho thấy diện tích phân bố của các vùng nước mặn - nước nhạt của các tầng chứa nước trên địa bàn tỉnh đã có nhiều thay đổi so với kết quả nghiên cứu trước đây của Liên đoàn Địa chất thủy văn – Địa chất công trình miền Bắc năm 1996. Với tầng chứa nước Holocen, diện tích phân bố các khoảnh nước mặn bị co hẹp và đang có sự nhạt hóa tại một số khu vực ven biển thuộc Huyện Tiền Hải, Thái Thụy và một phần thuộc huyện Quỳnh Phụ. Trong tầng chứa nước Pleistocen (qp), so với kết quả nghiên cứu năm 1996, ranh giới mặn – nhạt tại thời điểm hiện tại đã có sự thay đổi nhưng không lớn. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở giúp các nhà quản lý đề xuất giải pháp, phân vùng khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên này đặc biệt trước tình trạng khan hiếm nước như hiện nay trên địa bàn tỉnh Thái Bình.

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.

Zielsetzung der Arbeit war vorrangig die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Methoden zur verbesserten Interpretation der hydraulischen Gegebenheiten in einem Grundwasserleiter mit Hilfe der Bestimmung von Radiumisotopenverhältnissen im Verlauf von Pumpversuchen. Daneben wurden 222Rn/226Ra-Verhältnisse betrachtet und interpretiert. Des Weiteren wurden Gesteinsuntersuchungen durchgeführt sowie Untersuchungen an Gesteinsoberflächen (Sekundärminerale) um Aussagen über das Löslichkeitsverhalten bzw. die Mobilität von Radium im Grundwasser zu erhalten. Die Grundwasser- und Gesteinsproben stammten vor allem aus dem Umfeld der kontinentalen Tiefbohrung (KTB Oberpfalz) sowie aus der Vorbohrung zur KTB, aber auch aus benachbarten Bundesländern und der Tschechischen Republik (Egergraben). Im Ergebnis zeigte sich, dass sich die Untersuchung der Isotopenverhältnisse zur vertiefenden Aquiferdiagnose gut eignet. Die geochemischen Untersuchungen erlaubten einen Einblick in das Löslichkeitsverhalten der untersuchten Radionuklide.

Die Erkundung und Charakterisierung der unterirdischen Einzugsgebiete gehören zu den zentralen Aufgabengebieten der hydrogeologischen Praxis. Die Erfassung und Ausnutzung von Schwankungen in den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Grundwässer bildet dabei einen Grundpfeiler zahlreicher Studien. Ausgelöst werden diese Variationen u.a. durch den Zustrom von Niederschlagswässern in die Grundwassersysteme. Dies kann sowohl infolge des natürlichen Versickerungsprozesses geschehen oder aber technischen Ursprungs sein (z.B. künstliche Grundwasseranreicherung). Niederschlagswässer unterscheiden sich - als Endprodukt des natürlichen meteorologi-schen Destillationsprozesses - bezüglich ihrer Salinität (Mineralgehalt) und ihrer Isotopie zumeist deutlich von natürlichen Grund- und Oberflächenwässern. Die meisten Monitoring- und Erkundungskonzepte, welche derartige Unterschiede ausnutzen, beinhalten daher oft eine Kombination mehrerer Analyseverfahren, wie z.B. die Identifizierung des isotopischen Fingerabdruckes mittels Stabilisotopenanalytik sowie die Bestimmung der Salinität über z.B. Konduktometrie oder Ionenanalysen. Niederschlagswässer, Grundwässer sowie das poröse Medium selbst sind jedoch Materialien natürlichen Ursprungs und daher physikochemisch betrachtet eher komplexe Systemkomponenten. Ein perfekt konservatives Migrationsverhalten ohne Beeinflussungen ist daher nicht zu erwarten; ebenso wenig ist davon auszugehen, dass die messtechnische Erfassung stets einwandfrei verläuft. Vor diesem Hintergrund setzt sich diese Dissertationsschrift kritisch mit dem Einfluss von Messunsicherheiten und Signalmodifikationen auf die Qualität der Nachverfolgung dieser Wässer auseinander. Hierfür wird das Niederschlagswasser als de-facto künstlicher Grundwassertracer behandelt und bezüglich der Anforderungen an diese Tracer-Gruppe bewertet. In mehreren Experimenten und Modellsimulationen auf Labor- und Feldskala wird zudem gezeigt, welche speziellen Anforderungen bei der Nutzung von Regenwässern und Schneeschmelzen als Tracer bestehen. Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen zum einen, dass die technischen Limitationen der Stabilisotopenanalytik bei der Auswertung von Versuchen mit natürlichen Niederschlags-wässern zwingend zu berücksichtigen sind, da sich die begrenzten isotopischen Unterschiede i.d.R. nur um wenige Vielfache vom Hintergrundrauschen der Messung unterscheiden. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Eineindeutigkeit der invers ermittelten Parameter. Des Weiteren ist zu beachten, dass die stabilen Isotope, obwohl durch ein nahezu inertes Verhalten geprägt, dennoch physikalisch bedingten Transferprozessen unterliegen, welche wiederum von Experimentalbedingungen wie z.B. der Temperatur beeinflusst werden. Außerdem wird offenbart, dass die Migration der sehr gering mineralisierten und chemisch folglich untersättigten Wässer im porösen Medium von chemischen Umwandlungsprozessen (u.a. Mineralreaktionen, Ionenaustausch) z.T. erheblicher Intensität begleitet wird. Diese Reaktionen führen u.a. zur Modifikation des Proxy-Parameters ‚elektrische Leitfähigkeit‘.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen / The exploration and characterization of subsurface catchments is one of the central tasks in hydrogeology. Here, exploiting detected fluctuations in the chemical-physical properties of the groundwater is a cornerstone of numerous studies. These variations are triggered, among others, by precipitation waters flowing into the groundwater systems. This can happen either due to the natural infiltration process or as a result of technical applications (e.g., as part of artificial groundwater recharge). Being the end product of the natural meteorologically induced distillation process, typical precipitation waters differ from natural groundwater and surface waters in terms of their mineral content (salinity) and their isotopic signatures. Therefore, most monitoring and exploration concepts, which exploit such differences, employ a combination of several analytical methods, such as the identification of the isotopic fingerprint by stable isotope analysis and salinity determination by, e.g., conductometry or ion analysis. However, precipitation waters, groundwaters as well as the porous medium itself are materials of natural origin and, therefore, are physicochemically rather complex system components. Hence, an unmodified and perfectly conservative migration behaviour is not to be expected; it is equally unlikely that the analytical detection procedure always runs smoothly. In this context, this doctoral dissertation gives a critical assessment on the influence of analytical uncertainties and signal modifications on the overall quality of the water tracing. For this purpose, precipitation water is treated as de-facto artificial groundwater tracer and evaluated according to the requirements defined for this tracer group. Furthermore, experiments and model simulations were carried out on the laboratory and on the field scale to assess which special requirements must be complied when rain waters or snowmelt waters are used as tracers. The investigations show on the one hand, that technical limitations of stable isotope analysis must be considered in the evaluation of tests with natural precipitation waters, as the limited isotopic differences typically differ only a fewfold from the background noise of the measurement device. This has a significant impact on the quality of the inversely determined parameters. Furthermore, it is highlighted that the stable isotopes, although showing an almost inert migration behaviour, are still subject to physically induced transfer processes. These transfer processes, in turn, depend on various experimental conditions such as temperature. Finally, it was found that the migration of the low mineralized waters in the po-rous medium is accompanied by a suite of chemical reactions (e.g. mineral reactions, ion exchange), which in turn lead to a modification of the proxy parameter 'electrical conductivity'.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen) Kurzzusammenfassung / Abstract (English) Thesen der Dissertation Danksagung und Förderinformationen Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 1 Einleitung / Hintergrund 1.1 Motivation dieser Arbeit 1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“ 1.3 Struktur dieser Arbeit 1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit 2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium 2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien 2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche 2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen 3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung 3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten 3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre 3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie 4 Methodik 4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge 4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS 4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes 4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter 4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala 4.6 Feldstandorte 4.7 Modellsysteme / Modellcodes 4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge 5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern 5.1 Zweck dieses Kapitels 5.2 Herkunft der analysierten Daten 5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1) 5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2) 5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung 5.6 Bewertung / Zwischenfazit 6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium 6.1 Zweck dieses Kapitels 6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1) 6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3) 6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1) 6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5) 6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2) 6.7 Bewertung / Zwischenfazit 7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala 7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl) 7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2) 7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3) 7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3) 7.5 Bewertung / Zwischenfazit 8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen 8.1 Zweck dieses Kapitels 8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6) 8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7) 8.4 Bewertung / Zwischenfazit 9 Abschließende Bewertung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen 9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer 9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung Referenzliste / Literaturverzeichnis Anhang A / Fachartikel Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien Anhang B / Sonstige Ergänzungen Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit Zu Kapitel 2 – Theorie Zu Kapitel 5 – Datenrecherche Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen

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

Die Schriftenreihe „Altersdatierung und Denitrifikation an Grundwassermessstellen“ informiert über die Auswertung der im Zeitraum von 2019 bis 2020 gewonnenen Stickstoffexzessdaten mittels N2-Ar-Methode, Tritium-Helium-Altersdaten im Grundwasser und hydrochemischen Messreihen. Die Auswertung dient dazu, die Evaluierung der Denitrifikationspotenziale in den Grundwasserleitern ausgewählter staatlicher Grundwassermessstellen unter dem Gesichtspunkt der vorherrschenden Nitratbelastungssituation im Grundwasser zu forcieren. Die räumliche Interpretation des untersuchten Datenbestandes ergab für die Landnutzungsform Ackerland die höchsten Nitratkonzentrationen und Denitrifikationsraten. Die Auswertung der Grundwasseraltersdaten mittels Tritium-Helium-Methode ergab für zirka 50 % der Grundwassermessstellen eine mittlere Verweilzeit des Grundwassers von 5 – 20 Jahren. Die Veröffentlichung richtet sich an Fach- und Vollzugsbehörden, an das interessierte Fachpersonal der Wasserversorgungsunternehmen sowie an Ingenieurbüros, die mit der Planung und Durchführung von Altersdatierungen im Grundwasser und der Bestimmung des Denitrifikationspotenzials im Grundwasserleiter betraut sind. Redaktionsschluss: 22.12.2021

To better understand the issues about the surface movements in the coal mining region Lugau-Oelsnitz, Germany, small-scale numerical models are firstly utilized for verifications via analytical solutions, to explore the simulation schemes, and for parameter sensitivity analysis. 1D rock column numerical models shows that simulated surface movements are consistent with analytical solutions. The investigations via 2.5D profile numerical models also show that uplift is linear related to water level rise under confined mine water conditions, while a quadratic function is valid for unconfined mine water. Geodetic survey in the Lugau-Oelsnitz district shows that at the end of the active mining period (1844 to 1971), general subsidence is about 5 - 10 m, with a maximum of 17 m in the southern mining area. General uplift velocity after abandoned mine flooding between 1972 and 2014 is about 0.5 - 2.0 mm/year. Based on numerical simulation results, predicted general uplift velocity vary between 0.5 - 3.0 mm/year, while maximum uplift position is moving toward south.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Overview 2.1.1 Coal mining induced settlements 2.1.2 Flooding induced uplift 2.2 Approaches to predict subsidence 2.2.1 Empirical approaches 2.2.2 Influence function methods 2.2.3 Physical models 2.2.4 Numerical simulation methods 2.3 Approaches to predict uplift 2.3.1 Empirical approaches 2.3.2 Numerical simulation methods 2.4 Comparison and conclusions 2.4.1 Comparison of research methods 2.4.2 Conclusions 3 Numerical simulation approaches 3.1 Continuum mechanical simulations with FLAC3D 3.1.1 Mining induced subsidence 3.1.2 Flooding induced uplift 3.2 Discontinuum mechanical simulations with 3DEC 3.2.1 Self-weight induced settlement in jointed rock column model 3.2.2 Uplift for jointed and fully saturated rock column 3.3 Parameter sensitivity study 3.3.1 Parameter effect on subsidence 3.3.2 Parameter effect on uplift 3.4 Interface and volume element representation of faults 3.4.1 Simulation schemes 3.4.2 Parameter sensitivity analysis of fault 3.4.3 Discussion 3.5 Conclusions 4 Case study: Coal mining region Lugau-Oelsnitz 4.1 Background information 4.1.1 Mining background 4.1.2 Geological and hydrogeological situation 4.2 In-situ monitoring data 4.2.1 Groundwater level data 4.2.2 Surface movement data 4.2.3 Discussion of data analysis 4.3 Continuum based numerical modelling 4.3.1 Introduction 4.3.2 Model set-up 4.3.3 Calculation results 4.3.4 Surface movement predictions 4.4 Discontinuum based numerical modelling 4.4.1 Model set-up 4.4.2 Calibration results 4.4.3 Surface movement prediction 4.5 Conclusions 5 Conclusions and prospects 5.1 Conclusions 5.2 Main contributions of thesis 5.3 Inadequacies and prospects

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