Groundwater is the only fresh water resource in the semi-arid to hyper-arid Western Dead Sea catchment. Due to exploitation of groundwater the water level is decreasing in the surrounding Cretaceous aquifer system and sustainable water management is needed in order to prevent the progressive yields and contamination of those water resources. In addition, the water level of the Dead Sea decreases dramatically by at least one meter per year. This is connected to channel off the water from the Jordan River to supply intensive agriculture in the semi-arid to hyper-arid region. Hydrological and hydro-geological analysis and modelling in arid regions, like the study area, frequently suffer from data scarcity and uncertainties regarding rainfall and discharge measurements. The study showed that spatial and temporal interpolations as well as additional methods (e.g. empirical relationships and simultaneous numerical approaches) were suitable tools to overcome data shortage for modelling. Water balances are the result of a calibrated model and are the basis for sustainable management of surface and subsurface water resources. The present study investigates beside the hydrological characterisation of selected sub-catchments (wadis) also the hydro-geology of the Judean limestone aquifer and calculates a comprehensive water balance of the entire western flank of the Dead Sea by the application of two numerical open source codes: OpenGeoSys (OGS) and J2000g. The calibrated two-dimensional hydrological model J2000g provides a 33 years time series of temporal and spatial distributed groundwater recharge for the numerical groundwater flow model of OGS. The mean annual groundwater recharge of 139.9 · 10^6 m^3ˑ a^-1 is nearly completely depleted by abstractions from pumping wells close to the replenishment area in the Judea Mountains.:Acknowledgements Abstract Nomenclature Content List of Figures List of Tables 1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Field 1.3 General research questions 1.4 Challenges 1.5 Structure of the Thesis 2 Theory and Methods 2.1 Data analysis 2.2 Governing equations 2.2.1 Surface Flow - Hydrological Model: J2000g 2.2.2 Subsurface Flow - Groundwater Flow Model: OpenGeoSys 2.3 Groundwater recharge 3 Study area 3.1 Study site selection 3.2 Geography 3.2.1 Climate 3.2.2 Soils 3.2.3 Vegetation 3.2.4 Land use 3.3 Hydrology 3.3.1 Wadis 3.3.2 Flashfloods 3.3.3 Dead Sea 3.4 Geology 3.5 Hydro-geology 3.5.1 Springs 3.5.2 Well fields 4 Hydrological Model 4.1 Conceptual Model 4.2 Hydrological Model J2000g 4.2.1 Data base 4.2.2 Simulation results from J2000g 5 Structural geological model 5.1 Stratigraphy 5.2 Database 5.3 Workflow 6 Numerical groundwater flow model 6.1 Work flow of 2D and 3D meshing 6.2 Parametrisation 6.3 Boundary conditions 6.4 Model Set-up 6.5 Calibration of Steady-State model 6.6 Transient Model 6.6.1 Model assumptions 6.6.2 Challenges 6.6.3 Preliminary results 7 Conclusions and Outlook 7.1 Important results from the hydrological model 7.2 Important results from the geological structural model 7.3 Important results from the hydro-geological model 7.4 Deficiencies 7.5 Outlook References 8 Enclosed Publications

Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime. / Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem.

Die Arbeit besteht aus mehreren Studien zur Quantifizierung des Grundwasserstroms in Seen (Exfiltration; engl.: lacustrine groundwater discharge, LGD) und damit verbundener Nährstoffeinträge. In zwei einleitenden Kapiteln dieser Arbeit werden eine Gründe für die Vernachlässigung der Grundwasserexfiltration (LGD) in Seen und der daran gekoppelten Nährstoffeinträge identifiziert. Diese Literaturstudien fassen den aktuellen Kenntnisstand zum Einfluss des Grundwassers auf die Hydrologie von Seen und ihre Nährstoffhaushalte zusammen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden zwei empirische Studien, die sich mit der Quantifizierung der grundwasserbürtigen Phosphor (P)-Fracht in den Arendsee in Deutschland befassen. Das Gesamtvolumen des Grundwasserzustroms wird basierend auf der Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet des Sees ermittelt. Lokale Muster der Grundwasserexfiltration werden anhand von Temperaturtiefenprofilen des Seesediments bestimmt. Eine Kombination der Ergebnisse ermöglicht es, die quantitativen Daten mit lokalen Informationen zu unterstützen. Die Untersuchung der Grundwasserqualität zeigt, dass die P-Konzentrationen im Grundwasser im besiedelten Bereich teilweise stark erhöht sind. Als Konsequenz daraus haben die grundwasserbürtigen P-Frachten einen Anteil von mehr als 50% an der gesamten externen P-Last des Arendsees. Das Grundwasser ist damit eine maßgebliche Ursache für die Eutrophierung des Gewässers. Drei weitere Studien widmen sich der Entwicklung und Optimierung von Ansätzen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Grundwasserexfiltration in Seen. Die kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen der Studien zeigt die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Verbesserung und Standardisierung der Methoden zur Bestimmung von LGD und damit verbundenen Stofftransporten auf. Der Fall des Arendsees sollte alle, Wissenschaftler und Praktiker, dazu motivieren, das Grundwasser als relevante Eutrophierungsquelle in Betracht zu ziehen. / The present work is a collection of studies on lacustrine groundwater discharge (LGD) and groundwater-borne phosphorus (P) loads. For a number of reasons, groundwater exfiltration (i.e., LGD) is often not considered in water and nutrient budgets of lakes. This is also and especially true for P which was often regarded to be immobile in groundwater until recently. Two chapters review the scientific literature regarding the impacts of groundwater on hydrology and nutrient budgets of lakes, respectively. They present mechanisms and processes of LGD as well as techniques and methods to measure LGD and related nutrient transports. Moreover, numbers of LGD volumes and loads reported in literature are presented. The core of the present work is represented by two case studies dealing with the quantification of P loads from LGD to a lake in Germany. A combination of different methods is applied to overcome the problem of quantitative large scale LGD determination without losing local spatial information. P concentrations in groundwater and LGD are investigated by detailed spatial water sampling. The results reveal that P is actually present in concentrations far above natural background concentrations in the urban groundwater. LGD-derived P loads account for more than 50% of the overall external P loads to the lake and by that contribute significantly to lake eutrophication. Three further studies are devoted to the development and improvement of approaches to determine LGD. Critical reviews of the above mentioned studies reveal the need for further research in order to standardize and improve methods for LGD and mass load determination. It is found that the appropriate method for LGD determination depends on the spatial scale of interest. The identification of P introduced by LGD as a main driver of lake eutrophication is an important finding which should encourage scientists, policy makers, and lake managers to consider groundwater as a relevant P source for lakes.

This thesis presents a novel analytical solution strategy for the zero-inertia (ZI) equations of free surface flow. These equations are utilized herein for routing flood flow in open channels and for simulating excess rainfall runoff on overland planes. The novel solution approach is shown to be both accurate and robust, especially under the complicated and intricate conditions of infiltrating flow on initially dry river beds or soils, e.g., as present in arid and semiarid areas. This is underlain by comparing modeling results of the novel analytical procedure with those of validated numerical solutions. Furthermore, it is shown that the analytical ZI model can deliver a process-oriented portrayal of runoff concentration in the flood-generating parts of the catchment. Subsequently, the novel analytical ZI model is applied for a real-world water management problem in the Sultanate of Oman, Arabian Peninsula. Within an integrated flash flood routing model—which is also presented in this thesis—the novel analytical routing approach helps in accurately matching the dynamics of advancing and infiltrating ephemeral river flow, established as a consequence of release from a groundwater recharge dam. The integrated modeling system houses the aforementioned analytical downstream model and tailor-made, state-of-the-art modeling components to portray the upstream flow processes, dam operation (including evaporation), and spillway release flow. The proposed modeling system can aid in rendering a realistic image of transient transmission losses and dependent flow dynamics. This is of extremely high importance for water resources assessment, as well as for optimizing recharge dam operation strategies in order to maximize downstream transmission losses and, thus, groundwater recharge. / Diese Dissertation präsentiert einen neuartigen analytischen Lösungsansatz für das beschleunigungsfreie Wellenmodell (bzw. „Zero-Inertia-Modell“, „ZI-Modell“, oder „diffusives Wellenmodell“). Im Rahmen der Arbeit wird das hergeleitete hydrodynamische Modell sowohl zur Simulation von Freispiegelabflüssen in nichtprismatischen und durchlässigen Gerinnen, als auch für die Beschreibung von auf der Landoberfläche abfließendem Infiltrationsüberschuss eingesetzt. Es wird gezeigt, dass der neuartige analytische Ansatz — im Hinblick auf Massenerhaltung und die exakte Abbildung der Abflussdynamik — akkurate Ergebnisse liefert und gleichzeitig unter komplexen und verwickelten Prozessbedingungen anwendbar ist. So belegt eine vergleichende Analyse mit validierten numerischen Lösungsansätzen die Robustheit des analytischen ZI-Modells. Insbesondere die im Sinne der numerischen Mathematik stabile und genaue Modellierung der gekoppelten Abfluss- und Infiltrationsvorgänge in anfänglich trockenen Gerinnen ist dabei ein Novum. Weiterhin wird die Eignung und Anwendbarkeit des neuartigen Modellansatzes zur Beschreibung der Abflusskonzentrationsprozesse gezeigt. Der neuartige Lösungsansatz wird im Folgenden für ein reales Wassermanagementproblem im Sultanat Oman, Arabische Halbinsel eingesetzt. Als Bestandteil eines integrierten Modellsystems, welches ebenfalls im Rahmen der Dissertation vorgestellt wird, dient das analytische ZI-Modell zur Simulation von infiltrierendem Wadiabfluss, welcher unterstrom von Grundwasseranreicherungsdämmen starke Verluste von Masse und Impuls erfährt. Zusammen mit maßgeschneiderten und dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten für die Betriebssimulation des Anreicherungsdammes (inklusive Verdunstung von der freien Seefläche) sowie für die Abbildung der oberstromigen hydrodynamischen Prozesse (ebenfalls inklusive Infiltration) wird der neuartige analytische Ansatz in einem Modellsystem zusammengefasst. Das Modellsystem ist in der Lage ein realistisches Bild der raumzeitlichen Dynamik des Abflusses sowie der Grundwasserneubildung aus infiltrierendem Wadiabfluss zu liefern. Damit stellt das Modellsystem ein wertvolles Werkzeug sowohl zur Wasserdargebotsermittlung, als auch für die Optimierung des Betriebes von Grundwasseranreicherungsdämmen dar.

In arid regions, mountain catchments are the major contributor to the total natural water yield. Due to generally low groundwater tables, subsurface underflow - referred to as mountain-front recharge - is important in distinction to the surface runoff at the mountain front. The extent of the groundwater basin is hereby often vague. Approaches to assess mountain-front recharge are mostly based on groundwater data and integrate over time and space. This, however, cannot provide prognostic and time-dependent estimates of subsurface inflow to the adjacent alluvial basin aquifer. Consequently, the proposed strategy builds on rainfall based approaches. Temporal and spatial resolution is in this case mostly limited by data scarcity regarding hydrological characteristics of the catchment area and high-resolution rainfall data. The proposed novel strategy combines three approaches to tackle these challenges. A newly developed conceptual hydrologic model provides time-dependent estimates based on fully distributed monthly rainfall. For distinct response units and seasons, non-linear relationships between rainfall and recharge describe the hydrogeologic response. The derivation of the response functions is based on a mass balance and considers the principal recharge mechanisms. Parameterisation makes use of available expert knowledge on geomorphology and seasonal rainfall characteristics. As an efficient tool to assess uncertainties, fuzzy arithmetic is used for complementary long-term average water balance estimates. This technique allows considering fuzziness in rainfall input, crop water use in mountain oases, and best available assumptions on recharge as portion of rainfall. Uncertainty regarding the potential, albeit unknown extent of groundwater basins is portrayed based on continuous surfaces which represent the degree of membership to a distinct geographical entity (termed as fuzzy regions). Distinct subsets of these fuzzy regions represent potential groundwater basins for water balance assessment. The proposed strategy was applied on the large scale in an arid karst mountain range in northern Oman. The two complementary assessment approaches result in similar ranges of values. They are in good agreement with inversely computed inflow to a steady state groundwater model for the adjacent basin aquifer. The results of the conceptual hydrologic model are confirmed by the plausibility of average recharge rates for distinct response units and seasons. This shows that less intense winter rainfall contributes mainly to groundwater recharge. Uncertainties due to the vague extent of the groundwater basin are about 30 % of the total mean annual value. An option to mitigate this uncertainty is the complementary consideration of adjacent aquifer systems in future studies. Hydrogeologic survey and observation of groundwater levels in the alluvial basin aquifer in near distance to the mountains is a way to underpin these findings in future studies. This recommenddation applies not only to the discussed study area, but also to mountain block systems in general. / In ariden Gebieten haben Gebirgseinzugsgebiete einen wesentlichen Anteil am gesamten natürlichen Wasserdargebot. Aufgrund i. Allg. tief liegender Grundwasserspiegel ist - in Abgrenzung zum Oberflächenabfluss am Gebirgsrand - auch der unterirdische Abstrom (mountain-front recharge) von besonderer Bedeutung. Die Ausdehnung des unterirdischen Einzugsgebiets ist dabei oft vage. Ansätze zur Abschätzung des mountain-front recharge basieren meist auf Grundwasserdaten und integrieren in Zeit und Raum. Damit können allerdings keine prognostischen oder zeitabhängigen Schätzungen für den Zustrom zur benachbarten alluvialen Aquifer gemacht werden. Daher wird im folgenden ein niederschlagsbasierter Ansatz vorgeschlagen. Das vorgeschlagene neue Konzept kombiniert drei Ansätze, um den genannten Herausforderungen zu begegnen. Mit einem neu entwickelten konzeptionellen hydrologischen Modell auf Basis verteilter Niederschläge werden monatliche Werte für die Grundwasserneubildung bereitgestellt. Es basiert auf nicht-linearen Beziehungen zwischen Niederschlag und Grundwasserneubildung für definierte hydrologisch homogene Einheiten und Jahreszeiten. Deren Ableitung basiert auf einer Massenbilanz und berücksichtigt die wesentlichen Neubildungsmechanismen. Die Parametrisierung basiert auf Expertenwissen zu Geomorphologie und Niederschlagscharakteristika. Fuzzy Arithmetik wird zur Berücksichtigung von Unsicherheiten in einer ergänzenden mittleren jährlichen Wasserbilanz verwendet. Damit können Unschärfen im Niederschlagsinput, beim Pflanzenwasserbedarf in Gebirgsoasen und best verfügbaren Schätzungen der Neubildung als Bruchteil des Niederschlags effizient berücksichtigt werden. Mittels kontinuierlicher Oberflächen, die den Grad der Zugehörigkeit zu einer bestimmten geographischen Entität anzeigen (fuzzy regions) werden Unsicherheiten in der räumlichen Ausdehnung der unterirdischen Einzugsgebiete beschrieben. Definierte Teilmengen dieser fuzzy regions werden dann bei den Wasserhaushaltsbetrachtungen als potentielle Grundwassereinzugsgebiete verwendet. Der vorgeschlagene Ansatz wurde in einer ariden, teils verkarsteten Gebirgsregion im Norden des Sultanats Oman angewendet. Die beiden sich ergänzenden Ansätze zur Abschätzung der Grundwasserneubildung ergaben im langjährigen Mittel vergleichbare Werte. Diese stimmten auch gut mit den Ergebnissen einer inversen Grundwassermodellierung überein. Die Plausibilität der Neubildungsraten für bestimmte hydrologisch homogene Einheiten und Jahreszeiten spricht für die Verlässlichkeit der Ergebnisse des konzeptionellen hydrologischen Modells. Offensichtlich tragen insbesondere die weniger intensiven Winterniederschläge wesentlich zur Grundwasserneubildung bei. Die Unsicherheiten bezüglich der Ausdehnung des Grundwassereinzugsgebiets belaufen sich auf ca. 30 % des mittleren jährlichen Dargebots. Die komplementäre Betrachtung benachbarter Grundwassereinzugsgebiete ist ein denkbarer Weg, diese Unsicherheit in Zukunft zu reduzieren. Ein wesentlicher Beitrag um die Ergebnisse dieser Studie zukünftig weiter zu untermauern wären hydrogeologische Erkundung und Beobachtung von Grundwasserständen im alluvialen Aquifer, insbesondere nahe dem Gebirgsrand. Diese Empfehlung gilt über dieses Fallbeispiel hinaus für vergleichbare Systeme, in denen ein Gebirgseinzugsgebiet den Aquifer in der angrenzende Ebene speist.

In arid regions, mountain catchments are the major contributor to the total natural water yield. Due to generally low groundwater tables, subsurface underflow - referred to as mountain-front recharge - is important in distinction to the surface runoff at the mountain front. The extent of the groundwater basin is hereby often vague. Approaches to assess mountain-front recharge are mostly based on groundwater data and integrate over time and space. This, however, cannot provide prognostic and time-dependent estimates of subsurface inflow to the adjacent alluvial basin aquifer. Consequently, the proposed strategy builds on rainfall based approaches. Temporal and spatial resolution is in this case mostly limited by data scarcity regarding hydrological characteristics of the catchment area and high-resolution rainfall data. The proposed novel strategy combines three approaches to tackle these challenges. A newly developed conceptual hydrologic model provides time-dependent estimates based on fully distributed monthly rainfall. For distinct response units and seasons, non-linear relationships between rainfall and recharge describe the hydrogeologic response. The derivation of the response functions is based on a mass balance and considers the principal recharge mechanisms. Parameterisation makes use of available expert knowledge on geomorphology and seasonal rainfall characteristics. As an efficient tool to assess uncertainties, fuzzy arithmetic is used for complementary long-term average water balance estimates. This technique allows considering fuzziness in rainfall input, crop water use in mountain oases, and best available assumptions on recharge as portion of rainfall. Uncertainty regarding the potential, albeit unknown extent of groundwater basins is portrayed based on continuous surfaces which represent the degree of membership to a distinct geographical entity (termed as fuzzy regions). Distinct subsets of these fuzzy regions represent potential groundwater basins for water balance assessment. The proposed strategy was applied on the large scale in an arid karst mountain range in northern Oman. The two complementary assessment approaches result in similar ranges of values. They are in good agreement with inversely computed inflow to a steady state groundwater model for the adjacent basin aquifer. The results of the conceptual hydrologic model are confirmed by the plausibility of average recharge rates for distinct response units and seasons. This shows that less intense winter rainfall contributes mainly to groundwater recharge. Uncertainties due to the vague extent of the groundwater basin are about 30 % of the total mean annual value. An option to mitigate this uncertainty is the complementary consideration of adjacent aquifer systems in future studies. Hydrogeologic survey and observation of groundwater levels in the alluvial basin aquifer in near distance to the mountains is a way to underpin these findings in future studies. This recommenddation applies not only to the discussed study area, but also to mountain block systems in general.:1 Mountains - 'water towers' for water resources systems in arid regions 2 Mountain hydrology and water resources assessment 2.1 Mountain hydrology and mountain-front recharge 2.2 Essential aspects to advance mountain hydrology 2.2.1 Rainfall characteristics and options for data acquisition 2.2.2 Groundwater-surface water interactions and availability of reference values 2.3 Approaches to the assessment of mountain-front recharge 2.3.1 Options to assess groundwater recharge 2.3.2 Arid zone water balance modelling - options and limitations 2.3.3 Key components for assessing mountain-front recharge 2.4 Linear reservoir models to describe base flow recession 3 Approaches to deal with uncertainty with a special focus on fuzzy sets 3.1 Probability based uncertainty assessment versus fuzzy reasoning 3.2 Fuzzy sets and related methods 3.3 Ranges of application in hydrology and water resources management 4 A novel strategy for estimating groundwater recharge in arid mountain regions 5 Fuzzy-based tools to portray uncertainties in water balance assessment 5.1 Fuzzy Recharge Areas: From qualitative data to quantitative conclusions 5.1.1 The concept of the Fuzzy Recharge Areas 5.1.2 Consideration of adjacent basins 5.2 Water balance assessment based on fuzzy arithmetic 5.2.1 Outline of the calculation procedure 5.2.2 Implementation of the fuzzy arithmetic operators 5.2.3 Implementation of the regionalisation approach APLIS 6 A conceptual hydrologic model to assess mountain-front recharge 6.1 Basic idea 6.2 Model structure 6.3 Calculation procedure using histograms of rainfall depths 6.4 Non-linear seasonal rainfall-recharge relationships 6.4.1 Derivation of the rainfall-recharge relationships 6.4.2 Sensitivity analysis 6.4.3 Response functions based on extreme parameter sets 6.5 Subsurface routing based on linear reservoir models 7 Case Study: Groundwater recharge assessment for the Barka Region (Oman) 7.1 Study area 7.1.1 Topography 7.1.2 Climate 7.1.3 Evapotranspiration 7.1.4 Rainfall characteristics 7.1.5 Geology and Hydrogeology 7.1.6 Soils 7.1.7 Runoff characteristics 7.1.8 Vegetation and irrigated agriculture in mountain oases 7.2 Recharge mechanisms in the study area 7.3 Assessment of mountain-front recharge - Methodology 7.3.1 Data Processing of Fuzzy Recharge Areas 7.3.2 Determining response units 7.3.3 Water use in mountain oases 7.3.4 Long-term average considerations based on fuzzy arithmetic 7.3.5 Time-dependent assessment using the conceptual hydrologic model 7.4 Assessment of mountain-front recharge - Results 7.4.1 Long-term average considerations 7.4.2 Time-dependent estimates 7.5 Consideration of uncertainties 7.6 Discussion & Conclusions 7.6.1 Water resources assessment in the study area 7.6.2 Modelling approaches 8 Summary 9 Prospects for future work List of Figures List of Tables List of Symbols List of Abbreviations Appendix A: Sensitivity of the response function to variations of the different model parameters B: Histograms of subsurface outflow at the mountain front QMFR based on different parameterisations of the conceptual hydrologic model References / In ariden Gebieten haben Gebirgseinzugsgebiete einen wesentlichen Anteil am gesamten natürlichen Wasserdargebot. Aufgrund i. Allg. tief liegender Grundwasserspiegel ist - in Abgrenzung zum Oberflächenabfluss am Gebirgsrand - auch der unterirdische Abstrom (mountain-front recharge) von besonderer Bedeutung. Die Ausdehnung des unterirdischen Einzugsgebiets ist dabei oft vage. Ansätze zur Abschätzung des mountain-front recharge basieren meist auf Grundwasserdaten und integrieren in Zeit und Raum. Damit können allerdings keine prognostischen oder zeitabhängigen Schätzungen für den Zustrom zur benachbarten alluvialen Aquifer gemacht werden. Daher wird im folgenden ein niederschlagsbasierter Ansatz vorgeschlagen. Das vorgeschlagene neue Konzept kombiniert drei Ansätze, um den genannten Herausforderungen zu begegnen. Mit einem neu entwickelten konzeptionellen hydrologischen Modell auf Basis verteilter Niederschläge werden monatliche Werte für die Grundwasserneubildung bereitgestellt. Es basiert auf nicht-linearen Beziehungen zwischen Niederschlag und Grundwasserneubildung für definierte hydrologisch homogene Einheiten und Jahreszeiten. Deren Ableitung basiert auf einer Massenbilanz und berücksichtigt die wesentlichen Neubildungsmechanismen. Die Parametrisierung basiert auf Expertenwissen zu Geomorphologie und Niederschlagscharakteristika. Fuzzy Arithmetik wird zur Berücksichtigung von Unsicherheiten in einer ergänzenden mittleren jährlichen Wasserbilanz verwendet. Damit können Unschärfen im Niederschlagsinput, beim Pflanzenwasserbedarf in Gebirgsoasen und best verfügbaren Schätzungen der Neubildung als Bruchteil des Niederschlags effizient berücksichtigt werden. Mittels kontinuierlicher Oberflächen, die den Grad der Zugehörigkeit zu einer bestimmten geographischen Entität anzeigen (fuzzy regions) werden Unsicherheiten in der räumlichen Ausdehnung der unterirdischen Einzugsgebiete beschrieben. Definierte Teilmengen dieser fuzzy regions werden dann bei den Wasserhaushaltsbetrachtungen als potentielle Grundwassereinzugsgebiete verwendet. Der vorgeschlagene Ansatz wurde in einer ariden, teils verkarsteten Gebirgsregion im Norden des Sultanats Oman angewendet. Die beiden sich ergänzenden Ansätze zur Abschätzung der Grundwasserneubildung ergaben im langjährigen Mittel vergleichbare Werte. Diese stimmten auch gut mit den Ergebnissen einer inversen Grundwassermodellierung überein. Die Plausibilität der Neubildungsraten für bestimmte hydrologisch homogene Einheiten und Jahreszeiten spricht für die Verlässlichkeit der Ergebnisse des konzeptionellen hydrologischen Modells. Offensichtlich tragen insbesondere die weniger intensiven Winterniederschläge wesentlich zur Grundwasserneubildung bei. Die Unsicherheiten bezüglich der Ausdehnung des Grundwassereinzugsgebiets belaufen sich auf ca. 30 % des mittleren jährlichen Dargebots. Die komplementäre Betrachtung benachbarter Grundwassereinzugsgebiete ist ein denkbarer Weg, diese Unsicherheit in Zukunft zu reduzieren. Ein wesentlicher Beitrag um die Ergebnisse dieser Studie zukünftig weiter zu untermauern wären hydrogeologische Erkundung und Beobachtung von Grundwasserständen im alluvialen Aquifer, insbesondere nahe dem Gebirgsrand. Diese Empfehlung gilt über dieses Fallbeispiel hinaus für vergleichbare Systeme, in denen ein Gebirgseinzugsgebiet den Aquifer in der angrenzende Ebene speist.:1 Mountains - 'water towers' for water resources systems in arid regions 2 Mountain hydrology and water resources assessment 2.1 Mountain hydrology and mountain-front recharge 2.2 Essential aspects to advance mountain hydrology 2.2.1 Rainfall characteristics and options for data acquisition 2.2.2 Groundwater-surface water interactions and availability of reference values 2.3 Approaches to the assessment of mountain-front recharge 2.3.1 Options to assess groundwater recharge 2.3.2 Arid zone water balance modelling - options and limitations 2.3.3 Key components for assessing mountain-front recharge 2.4 Linear reservoir models to describe base flow recession 3 Approaches to deal with uncertainty with a special focus on fuzzy sets 3.1 Probability based uncertainty assessment versus fuzzy reasoning 3.2 Fuzzy sets and related methods 3.3 Ranges of application in hydrology and water resources management 4 A novel strategy for estimating groundwater recharge in arid mountain regions 5 Fuzzy-based tools to portray uncertainties in water balance assessment 5.1 Fuzzy Recharge Areas: From qualitative data to quantitative conclusions 5.1.1 The concept of the Fuzzy Recharge Areas 5.1.2 Consideration of adjacent basins 5.2 Water balance assessment based on fuzzy arithmetic 5.2.1 Outline of the calculation procedure 5.2.2 Implementation of the fuzzy arithmetic operators 5.2.3 Implementation of the regionalisation approach APLIS 6 A conceptual hydrologic model to assess mountain-front recharge 6.1 Basic idea 6.2 Model structure 6.3 Calculation procedure using histograms of rainfall depths 6.4 Non-linear seasonal rainfall-recharge relationships 6.4.1 Derivation of the rainfall-recharge relationships 6.4.2 Sensitivity analysis 6.4.3 Response functions based on extreme parameter sets 6.5 Subsurface routing based on linear reservoir models 7 Case Study: Groundwater recharge assessment for the Barka Region (Oman) 7.1 Study area 7.1.1 Topography 7.1.2 Climate 7.1.3 Evapotranspiration 7.1.4 Rainfall characteristics 7.1.5 Geology and Hydrogeology 7.1.6 Soils 7.1.7 Runoff characteristics 7.1.8 Vegetation and irrigated agriculture in mountain oases 7.2 Recharge mechanisms in the study area 7.3 Assessment of mountain-front recharge - Methodology 7.3.1 Data Processing of Fuzzy Recharge Areas 7.3.2 Determining response units 7.3.3 Water use in mountain oases 7.3.4 Long-term average considerations based on fuzzy arithmetic 7.3.5 Time-dependent assessment using the conceptual hydrologic model 7.4 Assessment of mountain-front recharge - Results 7.4.1 Long-term average considerations 7.4.2 Time-dependent estimates 7.5 Consideration of uncertainties 7.6 Discussion & Conclusions 7.6.1 Water resources assessment in the study area 7.6.2 Modelling approaches 8 Summary 9 Prospects for future work List of Figures List of Tables List of Symbols List of Abbreviations Appendix A: Sensitivity of the response function to variations of the different model parameters B: Histograms of subsurface outflow at the mountain front QMFR based on different parameterisations of the conceptual hydrologic model References

This thesis presents a novel analytical solution strategy for the zero-inertia (ZI) equations of free surface flow. These equations are utilized herein for routing flood flow in open channels and for simulating excess rainfall runoff on overland planes. The novel solution approach is shown to be both accurate and robust, especially under the complicated and intricate conditions of infiltrating flow on initially dry river beds or soils, e.g., as present in arid and semiarid areas. This is underlain by comparing modeling results of the novel analytical procedure with those of validated numerical solutions. Furthermore, it is shown that the analytical ZI model can deliver a process-oriented portrayal of runoff concentration in the flood-generating parts of the catchment. Subsequently, the novel analytical ZI model is applied for a real-world water management problem in the Sultanate of Oman, Arabian Peninsula. Within an integrated flash flood routing model—which is also presented in this thesis—the novel analytical routing approach helps in accurately matching the dynamics of advancing and infiltrating ephemeral river flow, established as a consequence of release from a groundwater recharge dam. The integrated modeling system houses the aforementioned analytical downstream model and tailor-made, state-of-the-art modeling components to portray the upstream flow processes, dam operation (including evaporation), and spillway release flow. The proposed modeling system can aid in rendering a realistic image of transient transmission losses and dependent flow dynamics. This is of extremely high importance for water resources assessment, as well as for optimizing recharge dam operation strategies in order to maximize downstream transmission losses and, thus, groundwater recharge.:List of Figures List of Tables List of Algorithms List of Symbols and Acronyms 1 Introduction 1.1 The Role of Ephemeral River Flow for Groundwater Recharge 1.2 Methods for Estimating Groundwater Recharge 1.3 Groundwater Augmentation Techniques and the Involved Processes 1.4 The Role of Overland Flow for Flash Flood Formation 1.5 Objectives of the Thesis 1.6 Structure of the Work 2 Literature Review 2.1 Surface-Water Based Studies on the Estimation of Indirect Recharge 2.2 Review of Literature on Process-Oriented Overland Flow Modeling 2.3 Summary 3 Principles of Physically-Based Modeling of Infiltrating Free Surface Flows 3.1 Hydraulic Phases of an Infiltrating Flow Event 3.2 Hydrodynamic Models 3.2.1 The Saint-Venant Equations 3.2.2 Zero-Inertia Approximation 3.2.3 Kinematic Wave Approximation 3.2.4 Other Simplifications of the Full Hydrodynamic Model 3.3 Initial and Boundary Conditions 3.4 Relating Friction and Flow Properties 3.5 Accounting for Losses or Gains 3.6 Including Arbitrary Cross-Sectional Geometries 3.7 Discussion of the Reviewed Flow Models 3.7.1 Discussion of Modeling Approaches for Ephemeral River Routing 3.7.2 A Suitable Hydrodynamic Model for Overland Flow 3.7.3 On the Portrayal of Shocks with the Kinematic Wave Model 3.8 Summary 4 Solution Procedures for the Reviewed Flow Models 4.1 Method of Characteristics 4.2 Numerical Solution Procedures 4.2.1 Introduction to Finite Difference Methods 4.2.2 Mathematical Principles of Finite Difference Methods 4.3 Analytical Solution Procedures 4.4 Discussion of the Reviewed Solution Procedures 4.5 Summary and Conclusions 5 Novel Analytical Solution Approaches for the Zero-Inertia Equations 5.1 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Open Channel Flow 5.1.1 Governing Equations 5.1.2 Including Nonprismatic Channel Geometries 5.1.3 Boundary and Initial Conditions 5.1.4 Analytical Solution of the Momentum Equation 5.1.5 Analytical Solution of the Continuity Equation 5.1.6 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.1.7 Coupling Surface Flow and Infiltration 5.1.8 Additional Remarks 5.2 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Overland Flow 5.2.1 Governing Equations 5.2.2 Boundary and Initial Conditions 5.2.3 Analytical Solution 5.2.4 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.3 Summary 6 Comparative Studies with Generally Accepted Approaches 6.1 Open Channel Flow in Prismatic and Nonprismatic Permeable Open Channels 6.1.1 Test Setup 6.1.2 Comparison of Flow Dynamics 6.1.3 Analysis of the Geometry Parameter Sensitivity 6.1.4 Evaluating the Stability of the Analytical ZI Model 6.1.5 Summary 6.2 Overland Flow on a Plane 6.2.1 Test Setup 6.2.2 Comparison of Modeling Results 6.2.3 Summary 7 Flash Flood Routing under Transmission Losses and Dam Operation 7.1 Outline of the Structure of a Novel Integrated Modeling System 7.1.1 Wadi Flow Routing Models 7.1.2 Dam Simulation Model with Evaporation Component 7.2 Real-World Application of the Modeling System for an Arid Region 7.2.1 Study Area and Available Data 7.2.2 Parameter Sensitivity Analysis 7.2.3 Optimization-Based Process Parameter Estimation 7.2.4 Model Application for Wadi Ma\\\\\\\'awil 7.3 Summary 8 Summary and Conclusions 9 Outlook 9.1 The Modeling System for Improving Water Resources Assessment 9.2 The Modeling System for Optimizing Groundwater Recharge Bibliography A Mathematical Supplements A.1 Explicit First-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.2 Explicit Second-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.3 Implicit Finite Difference Scheme with Interior Point (Preissmann Scheme) A.4 Analytical Solution of the Kinematic Wave Model A.5 Details on the Derivation of the Iterative Procedure (5.47);(5.48) A.6 Details on the Evaluation of Equation (5.60) B Selected Publications of the Author B.1 Analytical Model of Surge Flow in Nonprismatic Permeable Channels B.2 Analytical Model of Surface Flow on Hillslopes B.3 Integrated Modeling System for Flash Flood Routing in Ephemeral Rivers / Diese Dissertation präsentiert einen neuartigen analytischen Lösungsansatz für das beschleunigungsfreie Wellenmodell (bzw. „Zero-Inertia-Modell“, „ZI-Modell“, oder „diffusives Wellenmodell“). Im Rahmen der Arbeit wird das hergeleitete hydrodynamische Modell sowohl zur Simulation von Freispiegelabflüssen in nichtprismatischen und durchlässigen Gerinnen, als auch für die Beschreibung von auf der Landoberfläche abfließendem Infiltrationsüberschuss eingesetzt. Es wird gezeigt, dass der neuartige analytische Ansatz — im Hinblick auf Massenerhaltung und die exakte Abbildung der Abflussdynamik — akkurate Ergebnisse liefert und gleichzeitig unter komplexen und verwickelten Prozessbedingungen anwendbar ist. So belegt eine vergleichende Analyse mit validierten numerischen Lösungsansätzen die Robustheit des analytischen ZI-Modells. Insbesondere die im Sinne der numerischen Mathematik stabile und genaue Modellierung der gekoppelten Abfluss- und Infiltrationsvorgänge in anfänglich trockenen Gerinnen ist dabei ein Novum. Weiterhin wird die Eignung und Anwendbarkeit des neuartigen Modellansatzes zur Beschreibung der Abflusskonzentrationsprozesse gezeigt. Der neuartige Lösungsansatz wird im Folgenden für ein reales Wassermanagementproblem im Sultanat Oman, Arabische Halbinsel eingesetzt. Als Bestandteil eines integrierten Modellsystems, welches ebenfalls im Rahmen der Dissertation vorgestellt wird, dient das analytische ZI-Modell zur Simulation von infiltrierendem Wadiabfluss, welcher unterstrom von Grundwasseranreicherungsdämmen starke Verluste von Masse und Impuls erfährt. Zusammen mit maßgeschneiderten und dem Stand der Technik entsprechenden Komponenten für die Betriebssimulation des Anreicherungsdammes (inklusive Verdunstung von der freien Seefläche) sowie für die Abbildung der oberstromigen hydrodynamischen Prozesse (ebenfalls inklusive Infiltration) wird der neuartige analytische Ansatz in einem Modellsystem zusammengefasst. Das Modellsystem ist in der Lage ein realistisches Bild der raumzeitlichen Dynamik des Abflusses sowie der Grundwasserneubildung aus infiltrierendem Wadiabfluss zu liefern. Damit stellt das Modellsystem ein wertvolles Werkzeug sowohl zur Wasserdargebotsermittlung, als auch für die Optimierung des Betriebes von Grundwasseranreicherungsdämmen dar.:List of Figures List of Tables List of Algorithms List of Symbols and Acronyms 1 Introduction 1.1 The Role of Ephemeral River Flow for Groundwater Recharge 1.2 Methods for Estimating Groundwater Recharge 1.3 Groundwater Augmentation Techniques and the Involved Processes 1.4 The Role of Overland Flow for Flash Flood Formation 1.5 Objectives of the Thesis 1.6 Structure of the Work 2 Literature Review 2.1 Surface-Water Based Studies on the Estimation of Indirect Recharge 2.2 Review of Literature on Process-Oriented Overland Flow Modeling 2.3 Summary 3 Principles of Physically-Based Modeling of Infiltrating Free Surface Flows 3.1 Hydraulic Phases of an Infiltrating Flow Event 3.2 Hydrodynamic Models 3.2.1 The Saint-Venant Equations 3.2.2 Zero-Inertia Approximation 3.2.3 Kinematic Wave Approximation 3.2.4 Other Simplifications of the Full Hydrodynamic Model 3.3 Initial and Boundary Conditions 3.4 Relating Friction and Flow Properties 3.5 Accounting for Losses or Gains 3.6 Including Arbitrary Cross-Sectional Geometries 3.7 Discussion of the Reviewed Flow Models 3.7.1 Discussion of Modeling Approaches for Ephemeral River Routing 3.7.2 A Suitable Hydrodynamic Model for Overland Flow 3.7.3 On the Portrayal of Shocks with the Kinematic Wave Model 3.8 Summary 4 Solution Procedures for the Reviewed Flow Models 4.1 Method of Characteristics 4.2 Numerical Solution Procedures 4.2.1 Introduction to Finite Difference Methods 4.2.2 Mathematical Principles of Finite Difference Methods 4.3 Analytical Solution Procedures 4.4 Discussion of the Reviewed Solution Procedures 4.5 Summary and Conclusions 5 Novel Analytical Solution Approaches for the Zero-Inertia Equations 5.1 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Open Channel Flow 5.1.1 Governing Equations 5.1.2 Including Nonprismatic Channel Geometries 5.1.3 Boundary and Initial Conditions 5.1.4 Analytical Solution of the Momentum Equation 5.1.5 Analytical Solution of the Continuity Equation 5.1.6 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.1.7 Coupling Surface Flow and Infiltration 5.1.8 Additional Remarks 5.2 Novel Analytical Solution Approach for Zero-Inertia Overland Flow 5.2.1 Governing Equations 5.2.2 Boundary and Initial Conditions 5.2.3 Analytical Solution 5.2.4 Algorithm for the Iterative Solution of the Nonlinear Problem 5.3 Summary 6 Comparative Studies with Generally Accepted Approaches 6.1 Open Channel Flow in Prismatic and Nonprismatic Permeable Open Channels 6.1.1 Test Setup 6.1.2 Comparison of Flow Dynamics 6.1.3 Analysis of the Geometry Parameter Sensitivity 6.1.4 Evaluating the Stability of the Analytical ZI Model 6.1.5 Summary 6.2 Overland Flow on a Plane 6.2.1 Test Setup 6.2.2 Comparison of Modeling Results 6.2.3 Summary 7 Flash Flood Routing under Transmission Losses and Dam Operation 7.1 Outline of the Structure of a Novel Integrated Modeling System 7.1.1 Wadi Flow Routing Models 7.1.2 Dam Simulation Model with Evaporation Component 7.2 Real-World Application of the Modeling System for an Arid Region 7.2.1 Study Area and Available Data 7.2.2 Parameter Sensitivity Analysis 7.2.3 Optimization-Based Process Parameter Estimation 7.2.4 Model Application for Wadi Ma\\\\\\\'awil 7.3 Summary 8 Summary and Conclusions 9 Outlook 9.1 The Modeling System for Improving Water Resources Assessment 9.2 The Modeling System for Optimizing Groundwater Recharge Bibliography A Mathematical Supplements A.1 Explicit First-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.2 Explicit Second-Order Finite Difference Scheme for the Kinematic Wave Model A.3 Implicit Finite Difference Scheme with Interior Point (Preissmann Scheme) A.4 Analytical Solution of the Kinematic Wave Model A.5 Details on the Derivation of the Iterative Procedure (5.47);(5.48) A.6 Details on the Evaluation of Equation (5.60) B Selected Publications of the Author B.1 Analytical Model of Surge Flow in Nonprismatic Permeable Channels B.2 Analytical Model of Surface Flow on Hillslopes B.3 Integrated Modeling System for Flash Flood Routing in Ephemeral Rivers