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

With a size of ~10,000 km² the Salar de Uyuni is the largest salt lake in the world. It is located at a height of 3,653 m a.s.l. in the southern part of the Bolivian Altiplano, an endorheic high plateau separating the Eastern and Western cordillera of the Andes. The salt flat is characterized by an alternating sequence of evaporate layers mainly consisting of halite and lacustrine mud layers up to a depth of at least 220 m, whereby the stratification is ascribed to the alternation of dry and humid climatic phases during the Quaternary. With estimated 7 Mio tonnes in brine, the salt lake is considered the world’s largest Li deposit. Knowledge About genesis and distribution of Li is essential for the possible extraction of Li and other valuable elements from the brine in a commercial scale, which is the driving force for the Investigation of hydrochemical properties of the Salar de Uyuni. Practical work comprised the sampling of brines from drilled wells and along transects, salts from the surface, sampling of streams, rocks and sediments in the catchment, as well as chemical and isotopical analyses. The surface catchment, delineated with ArcGIS, has a size of 63,000 km² and is mainly characterized by volcanic deposits as ignimbrites, and unconsolidated sediments, salt deposits and lacustrine material in widespread flood plains. The pores of the upper salt crust, which shows a varying thickness of 2-11 m, are filled with a saturated NaCl brine rich in Mg, K, Li and B. The distribution of Li along the salt lake is inhomogeneous, with two regions of significantly higher concentrations up to 1.5 g/L in the southern part near the delta of the main inflow Río Grande and in the northern part, compared to an average of 0.3-0.4 g/L in brine. The age of brines from the upper salt crust was determined to 6,200 - 13,340 years, corresponding in age to the surrounding evaporates and showing a stable stratification with depth. However, a local mixing of the brine with freshwater feeding from groundwater Aquifers especially near the shore of the salar was observed by the analysis of δ2H and δ18O in the brines. The distribution of stable isotopes also shows the strong influence of evaporation, even smaller tributaries feeding the Río Grande are enriched in heavy isotopes of H and O. Element to bromine ratios in the brine showed that Li, K and Mg are not removed from solution by the formation of precipitates, but are rather released from clay minerals by ion exchange leading to their enrichment in the pore brine. Analyzed rocks, mostly of rhyolitic and dacitic type, show moderate lithium concentrations in the range of 4 to 37 mg/kg. Different types of digestion revealed that rock types occurring in the Salar de Uyuni catchment are a substantial supplier of lithium by the intensive physical and chemical weathering due to the specific environmental conditions. Increased Lithium concentrations in rock and sediment samples from the volcano flanks south of the salar indicate, that the southern catchment is the main supplier of lithium to the salt lake. The enrichment of lithium could also be observed by the analysis of superficial salts from the upper crust. Salt efflorescences are significantly enriched regarding Li, K, Mg and other Ions compared to the surface within the polygons. The enrichment of Li in brine occurs all-Season along shrinkage cracks at polygon borders, where brine rises up, water evaporates and NaCl precipitates, leaving a solution even more concentrated in Li and other solutes as Br, B, K and Mg. In conclusion, the accumulation of lithium in the brine of the Salar de Uyuni results from the combination of various site-specific circumstances, which are analyzed and discussed in the present thesis. / Mit einer Größe von ~10.000 km² ist der Salar de Uyuni der größte Salzsee der Welt. Er befindet sich auf einer Höhe von 3.653 m im Süden des bolivianischen Altiplano, einer abflusslosen Hochebene zwischen der Ost- und Westkordillere der Anden. Der Salzsee besteht bis zu einer Tiefe von mind. 220 m aus einer Wechselfolge evaporitischer Schichten (hauptsächlich halitisch) und lakustrinen Tonschichten, wobei die Schichtung auf den Wechsel von trockenen und feuchten klimatischen Phasen während des Quartärs zurückzuführen ist. Mit einer geschätzten Menge von 7 Mio. t gilt der Salzsee als die gegenwärtig größte Li-Ressource der Welt. Das Wissen über Genese und Verteilung von Li ist grundlegend für eine mögliche Gewinnung von Li und anderen Elementen in kommerziellem Maßstab, worin sich die Motivitation für die Untersuchung hydrochemischer Eigenschaften des Salar de Uyuni begründet. Praktische Tätigkeiten umfassten die Probenahme von Solen aus eigens gebohrten Brunnen und entlang von Transekten, die Entnahme von Oberflächensalzen, die Beprobung von Zuflüssen, Gesteinen und Sedimenten im Einzugsgebiet, sowie deren chemische und isotopische Analytik. Das oberflächliche, mittels ArcGIS ermittelte Einzugsgebiet, weist eine Größe von 63.000 km² auf und besteht hauptsächlich aus vulkanischen Gesteinen wie Ignimbriten und unverfestigten Ablagerungen, Salzausblühungen und lakustrinen Sedimenten in ausgeprägten Überschwemmungsebenen. Die Poren der obersten, zwischen 2 und 11 m mächtigen Salzschicht, sind mit einer an NaCl gesättigten Salzlösung, die reich an Mg, K, Li und B ist, gefüllt. Die inhomogene Verteilung von Li im Salzsee weist zwei Bereiche signifikant erhöhter Konzentrationen von bis zu 1,5 g/L auf, und zwar im südlichen Einmündungsbereich des Hauptzuflusses Río Grande und im Nordosten etwa 20 km von der Küste entfernt, verglichen mit einem durchschnittlichen Gehalt von 0,3-0,4 g/L in der Sole. Das Alter der Solen der obersten Salzkruste wurde auf 6.200 – 13.340 Jahre bestimmt, was dem Alter der umgebenden Evaporite entspricht und eine stabile Schichtung aufweist. Allerdings weist die Analytik von δ2H und δ18O auch auf eine lokale Vermischung der Sole mit Frischwasser aus ufernahen Aquiferen hin. Die Verteilung der stabilen Isotope δ²H und δ18O deutet auf einen signifikanten Einfluss der Verdunstung auf die Entwicklung der Porenlösung hin, denn auch kleinere Zuflüsse zum Salar sind angereichert an 2H und 18O. Das Verhältnis verschiedener Elemente zu Brom zeigt, dass Li, K und Mg weniger durch die Ausfällung von Salzen aus der Lösung entfernt, sondern eher durch Ionenaustausch aus Tonmineralen freigesetzt und folglich in der Sole angereichert werden. Die analysierten Gesteine, hauptsächlich rhyolitischen und dazitischen Typs, weisen moderate Lithiumkonzentrationen von 4 – 37 mg/kg auf. Die Anwendung verschiedener Aufschlüsse zeigte, dass die im Einzugsgebiet des Salar de Uyuni vorkommenden Gesteinstypen aufgrund der intensiven physikalischen und chemischen Verwitterung unter den spezifischen Umweltbedingungen eine wesentliche Quelle des Lithiums im Salzsee sind. Erhöhte Li-Konzentrationen in Gesteinen und Sedimenten der vulkanischen Flanken südlich des Salars deuten auf das südliche Einzugsgebiet als hauptsächlichen Zulieferer für Li hin. Die Anreicherung von Li wurde auch mittels der Untersuchung der Salze der obersten Kruste bestätigt. Im Vergleich zur Oberfläche innerhalb der Polygone sind die Salzausblühungen entlang der Polygonränder signifikant an Li, K, Mg und anderen Ionen angereichert. Die Anreicherung von Li geschieht ganzjährig entlang der Schrumpfungsrisse an Polygonrändern, indem die Sole durch kapillare Kräfte aufsteigt, Wasser verdunstet und NaCl ausfällt. Schließlich bleibt eine an Li und anderen Ionen wie Br, B, K und Mg noch stärker aufkonzentrierte Lösung zurück. Schlussfolgernd resultiert die Akkumulation von Lithium in der Porenlösung aus der Kombination zahlreicher standortspezifischer Faktoren, welche innerhalb der vorliegenden Arbeit untersucht und bewertet wurden.

Mining of lignite in Lusatia has a long history of over 100 years. The extracted brown coal is utilized to generate electricity in three large power plants: Jänschwalde, Boxberg, and Schwarze Pumpe. With an annual carbon dioxide (CO2) output of approximately 50 million tons, these power plants are among Germany’s large-scale CO2 emitters. The environmental impact from open-pit mining is of a considerable degree and currently poses a challenging problem. The groundwater deficit in 1990 was 7 billion m3 over a surface area of approximately 2100 km2 (Luckner, 2006a) and was bisected in value until today. Due to the decline of mining activity and the termination of mine drainage at most open pits in the Lusatian region, the groundwater table has recovered forming 28 pit lakes (Zschiedrich, 2011). The majority of the post mining lakes do not meet the quality standards for pH, iron or sulfate parameters; because of pyrite oxidation that produces acid mine drainage (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). The post mining lakes in Lusatia have low pH values (3 – 4), high sulfate contents (up to 2800 ppm) as well as high iron concentrations (100 – 150 ppm). Lakes are flooded by groundwater and using surface water from Spree and Neisse River to achieve fast filling and dilution; however, due to the limited availability of surface water, further rehabilitation strategies for the region had to be investigated. Between 1970 and 1990, approximately 26 million m3 of suspended fly ash were deposited in the lake Burghammer and settled as an ash body at its base; where it may be used for rehabilitation. In a first experiment conducted in 2001 material from the ash body was picked up and redistributed throughout the lake. By this treatment the pH of the lake was raised temporarily; however, a sustainable remediation was not achieved. Based on these experiments it was investigated whether the ash reacts more sufficiently through additional CO2 injection or not. Aim was to combine the rehabilitation of acid mine lakes with the utilization of atmospheric carbon dioxide emissions from coal-fired power plants. The CO2 sequestration is achieved through the generation and accumulation of carbonates in the lake. The following equations describe the precipitation of carbonate by using CO2 and alkaline earth cations M: CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Therefore, neutral pH conditions are necessary for the long-term accumulation of carbonates in the lakes. In laboratory investigations it was shown, that the 20 to 30 years old fly ash deposits of lake Burghammer can be used for carbonate sequestration and lake water treatment. Bivalent ions (Ca2+, Mg2+) are eluable and available for carbonate precipitation; on average we assumed 1 wt.-% of reactive calcium to be contained in the settled ash sediments. Settled fly ash sediments are less reactive than fresh fly ash from a power plant (e.g. Schwarze Pumpe). During batch experiments, we increased the buffering capacity to maximum values of 7 mmol/L. Beforehand no buffering capacity exists due to the low pH of 2.9 in the lake. Batch investigations provided a sequestration potential of 17 g CO2/kg ash sediment; in comparison fresh fly ash results in a sequestration potential of 33 g CO2/kg ash (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Based on the laboratory results a field experiment was conducted. In this field experiment gas injection lances were installed to a sediment depth of 12 m. Gaseous CO2 was applied with a pressure of 2.2 bar and 2.2 m³/h for 3 months and lake water was monitored during injection. Variations in total inorganic carbon due to diffusion processes of CO2 saturated pore waters could be observed. As the pilot experiment comprised only a small area of lake Burghammer no initial neutralisition (e.g. by a suction excavator) was possible. Thus, no further changes in water chemistry were observed. Drilling cores in the vicinity of the injection area provided mineralogical and geochemical conditions before and after CO2 treatment. No trace metal mobilization was found during CO2 injection. Most elements showed decreasing trends or didn’t change significantly. Calculated saturation indices for calcite indicated equilibrium conditions or slightly oversaturated conditions (SICalcite,average +0.12; SICalcite,median +0.31). Geochemical and mineralogical investigations proved that CO2 sequestration is possible with an average precipitation rate of 0.5 wt.-% (2.2 g CO2/kg). The maximum rate for carbonate precipitation was determined with 7.4 wt.-% Calcite, according to 32.6 g CO2 per kilogram treated ash. Besides the use of the settled fly ash as neutralizing agent in acidic mining lakes, laboratory and field investigations were conducted in order to improve in-lake liming. In batch and columns experiments, different liming agents (synthetic marble powder and industrial products) were tested and investigated. Significant differences in reactivity were obvious at pCO2 > 3.8 • 10-4 atm. Ions typical for acid mine drainage (e.g. Mn2+, Cd2+, SO42-) do have different effects on the kinetic of carbonate dissolution. Manganese concentrations typical for acidic mining lakes inhibit calcite dissolution. Cadmium has as well a significant influence on dissolution and kinetics. Only circa 50 % of the calcium concentration was reached with cadmium as inhibitor compared to the dissolution in pure water. Increased CO2 partial pressure might be used to compensate inhibtion by material impurities and/or water constituents. Column experiments showed that a multi-stage application of liming agent increases the efficiency of a lake treatment. The combination of a first application of calcite (up to pH 4.5) and further application of Ca(OH)2 seemed to be the most promising method. This treatment sheme was successfully applied in lake Burghammer from March 2009 – December 2010 (initial neutralisation and 6 follow-up treatments). Finally, it can be concluded, that in lignite mining districts in-lake treatment of acidic mining lakes is a seminal method to handle water quality problems. Using gaseous CO2 in combination with industrial by-products can be accounted as sustainable method for CO2 sequestration and for treatment of AMD. The advantage for mining areas lays in the prevention during treatment of acid mine lakes. Nevertheless, this method presents only a niche solution due to the dependence on alkaline materials, e.g. fly ash. The development of further strategies and optimization during lake water treatment by in-lake liming might improve the effectiveness of the method. Using calcite instead of NaOH or CaO as liming agent will provide advantages in being more economic and ecological (CO2 bilance). In order to enhance efficiency the use of calcite in combination with CO2 can be a worth considering suggesting. If meteorological parameters (wind) and lake specific characteristics (morphology, currents, etc.) will be considered efforts and costs for in-lake liming will be minimized. / Der Abbau von Braunkohle im Lausitzer Bergbaurevier hat seit über 100 Jahren Tradition. Die abgebaute Braunkohle wird dabei hauptsächliche zur Energieerzeugung in den drei großen Kraftwerken Jänschwalde, Boxberg und Schwarze Pumpe genutzt. Mit einem jährlichen Kohlenstoffdioxid (CO2) – Ausstoß von circa 50 Millionen Tonnen gehören diese Kraftwerke zu Deutschlands größten CO2-Emittenten. Der Einfluss auf die Umwelt durch Tagebau-Betrieb ist von beträchtlichem Ausmaß und bringt große Probleme mit sich. Im Jahr 1990 betrug das Grundwasser-Defizit im Lausitzer Bergbaurevier 7 Milliarden m³ auf einer Fläche von circa 2100 km² (Luckner, 2006a). Dieses Defizit hat sich bis zum heutigen Zeitpunkt halbiert. Durch den Rückgang der Bergbauaktivitäten und die Beendigung der Wasserhaltungsmaßnahmen in den meisten Tagebauen, hat der ansteigende Grundwasserspiegel 28 Tagebaufolgeseen geschaffen (Zschiedrich, 2011). Der überwiegende Teil der Tagebaufolgeseen ist aufgrund der Pyritoxidation, welche AMD (acid mine drainage) produziert, hinsichtlich der Wasserqualitätsparameter stark beeinflusst (Luckner, 2006b, Klapper and Schultze, 1995, Schultze et al., 2010). Die Tagebaufolgeseen im Lausitzer Bergbaurevier sind durch niedrige pH-Werte (3 – 4), hoche Sulfat-Konzentrationen (bis zu 2800 ppm) und hohe Eisengehalte (100 – 150 ppm) gekennzeichnet. Die entstehenden Seen sind hauptsächlich durch aufsteigendes Grundwasser und Oberflächenwasser aus den Flüssen Spree und Neisse geflutet. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von Oberflächenwasser mussten weitere Sanierungsmaßnahmen für die Region untersucht werden. Zwischen 1970 und 1990 wurden im Tagebaufolgesee Burghammer circa 26 Millionen m³ Flugasche-Suspension als Aschekörper abgelagert, wobei eine Nutzung zu Sanierungszwecken angedacht war. Im Rahmen einer Aschesedimentumlagerung im Jahr 2001 wurde der pH-Wert des Seewassers kurzzeitig angehoben, eine nachhaltige Sanierung fand jedoch nicht statt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht, ob die abgelagerten Aschesedimente nachhaltiger durch Einsatz von CO2 reagieren. Ziel war es die Sanierung von Tagebaufolgeseen mit der Reduktion von CO2-Emissionen aus Kohlekraftwerken zu kombinieren. Diese CO2-Sequestrierung sollte durch die Bildung und Ablagerung von Carbonaten im Seesediment erfolgen. Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben dabei die Fällungsreaktion von Carbonaten aus CO2 mit dem Alkalimetall M (aus Oxiden bzw. Hydroxiden): CO2 + MO → MCO3 (s) CO2 + M(OH)2 → MCO3 (s) + H2O Zur Carbonatfällung und nachhaltigen Ablagerung sind neutrale pH-Bedingungen notwendig. In Laboruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die 20 bis 30 Jahre alten Flugaschesedimente zur CO2-Sequestrierung in Kombination mit Seewasserbehandlung genutzt werden können. Zweiwertige Ionen (Ca2+, Mg2+) sind aus den Aschesedimenten eluierbar und stehen für die Fällungsreaktion zur Verfügung. Durchschnittlich 1 Masse-% reaktives Calcium befindet sich in den Sedimenten. Die abgelagerten Aschesedimente sind dabei weniger reaktiv als frische Flugaschen aus Kohlekraftwerken (z.B. Schwarze Pumpe). In Batch-Versuchen mit Tagebaufolgesee-Wasser konnte die Säure-Pufferkapazität auf maximal 7 mmol/L erhöht werden. Sequestrierungs-Raten von 17 g CO2/kg Aschesediment wurden im Rahmen der Versuche erreicht. Im Vergleich dazu betrugen die Sequestrierungs-Raten in Versuchen mit frischen Flugaschen bis 33 g CO2/kg Asche (Schipek and Merkel, 2008b, Schipek and Merkel, 2008a, Schipek, 2009). Auf Grundlage dieser Laborergebnisse wurde ein Feldversuch im Tagebaufolgesee Burghammer geplant. Während diesem wurden Gasinjektionslanzen bis in eine Sedimenttiefe von 12 m im abgelagerten Aschesediment installiert. Gasförmiges CO2 wurde mit einem durchschnittlichen Druck von 2.2 bar und 2.2 m³/h für eine Dauer von 3 Monaten injiziert. Während dieser Zeit fand ein kontinuierliches Monitoring des Seewassers im Bereich der Injektion statt. Veränderungen des Gehaltes an TIC (total inorganic carbon) aufgrund von Diffusionprozessen von CO2-gesättigtem Porenwasser aus dem Aschekörper waren beobachtbar. Da der Feldversuch nur in einem begrenzten Bereich des Tagebaufolgesees Burghammer stattfand und keine Initialneutralisierung vorsah, konnten keine weiteren, großmaßstäblichen Veränderungen im Wasserkörper festgestellt werden. Bohrkernentnahmen im Umfeld des Behandlungsgebietes lieferten Aussagen bezüglich der mineralogischen und geochemischen Beschaffenheit vor und nach CO2-Injektion. Im Porenwasser wurde keine Spurenmetall-(re)-mobilisierung durch die Behandlung mit CO2 festgestellt. Nahezu alle Elemente zeigten einen abnehmenden Trend durch die Behandlung mit CO2, bzw. keine signifikanten Veränderungen. Modellierte Sättigungsindizes für Calcit wiesen auf Gleichgewichtsbedingungen oder leichte Übersättigung bzgl. Calcit hin (SICalcit, Mittelwert +0.12; SICalcit, Median +0.31). Geochemische und mineralogische Untersuchungen zeigten, daß CO2-Sequestrierung mit einer durchschnittlichen Fällungsrate von 0.5 Masse-% (2.2 g CO2/kg Aschesediment) erreicht wurde. Die maximale Fällungsrate wurde mit 7.4 Masse-% Calcit bestimmt, dies entspricht einer Festlegung von 32.6 g CO2/ kg Aschesediment. Neben der Nutzung der abgelagerten Aschesedimente zur Behandlung des Tagebaufolgeseewassers wurden desweiteren Labor- und Feldversuche durchgeführt um In-Lake-Behandlungen mit industriellen Kalkprodukten zu optimieren. In Batch- und Säulenversuchen wurden verschiedene Kalkprodukte (synthetisches Marmorpulver und industrielle Produkte) getestet und untersucht. Signifikante Unterschiede auf die Reaktivität wurde bei erhöhten CO2-Partialdrücken (pCO2 > 3.8 • 10-4 bar) beobachtet. Wasserinhaltsstoffe, die typisch für AMD sind (z.B.. Mn2+, Cd2+, SO42-) zeigten einen signifikanten Einfluss auf die Calcit-Lösungskinetik. Mangankonzentrationen, wie sie in Lausitzer Tagebaufolgeseen vorkommen, zeigten – ebenso wie Cadmium - eine inhibitierende Wirkung auf die Kinetik. Im Vergleich zu Versuchen mit destilliertem Wasser wurden nur ungefähr 50 % der Calcium-Gleichgewichtskonzentration mit Cadmium als Inhibitor erreicht. Erhöhte CO2-Partialdrücke könnten genutzt werden, um die inhibitierende Wirkung von vorhanden Materialverunreinigungen und/oder Wasserinhaltsstoffen zu kompensieren. Säulenversuche zeigten, dass der mehrstufige Einsatz von Kalkprodukten die Effizienz während einer Seewasserbehandlung erhöht. Die Kombination einer Erstbehandlung mit Kalksteinmehl (bis pH 4.5), und einer Behandlungsfortsetzung mit Ca(OH)2 erwies sich als wirkungsvollste Methode. Dieses Behandlungsschema (Initialneutralisation, 6 Nachfolgebehandlungen) wurde im Tagebaufolgesee Burghammer von März 2009 – Dezember 2010 erfolgreich angewandt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in ehemaligen Bergbaurevieren die In-Lake-Behandlung von Tagebaufolgeseen eine zukunftsträchtige Methode zur Behandlung von Wasserqualitätsproblemen darstellt. Die Nutzung von gasförmigen CO2 in Kombination mit industriellen „Abfall-Produkten“ kann als nachhaltige Methode zur CO2-Sequestrierung und zur Behandlung von AMD bezeichnet werden. Der Vorteil in Bergbaurevieren liegt dabei in der Vorbeugung der Entstehung von Wasserqualitätsproblemen. Dennoch stellt diese Methode nur eine Nischenlösung aufgrund der Verfügbarkeit der alkalischen Materialien (Flugasche) dar. Die Entwicklung und Optimierung weiterführender Strategien zur In-Lake-Behandlung durch Kalkung wird zur Effizienzerhöhung beitragen. Die Nutzung von Kalksteinmehl anstelle von NaOH bzw. CaO als Neutralisationsprodukt wird Vorteile hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Sicht (CO2-Bilanz) mit sich führen. Um die Effizienz beim Einsatz von Kalksteinmehl zu steigern, kann der Einsatz von CO2 in Betracht gezogen werden. Sobald meteorologische Parameter (Wind) und see-spezifische Merkmale (Morphologie, Strömungen, etc.) berücksichtigt werden, kann der Aufwand und die Kosten für In-Lake-Behandlungen minimiert werden.

Over thousands of years, the eastern part of the Mediterranean has developed ways to supply and manage its water resources. The most important evidence of this is the water networks that are distributed in the area. Case studies involving a literature review, fieldwork, sample collection and analysis were conducted that focused on two areas in the West Bank: Nablus city and the northern part of Jordan Valley. These locations were chosen because Nablus city and its vicinity have many of Roman tunnels and aqueducts while the Jordan Valley has many watermills. This study aims to examine the changes in water quality over time in various ways; in an attempt to explain environmental degradation, to understand archeological aspects relating to the water management system, and to piece together what sustained the past environmental development. Throughout centuries carbonate deposits have accumulated along the sidewalls of the water system, containing and archiving geochemical and hydraulic information. These carbonate deposits were sampled from the walls of tunnels together with water samples from the tunnel and surrounding springs in the area. In addition, carbonate sinter has accumulated at the outlet of the watermill on the water shaft. This sinter was also sampled along with water samples from the springs and the water in the Wadi in the area. Water and carbonate samples were analyzed. Water analysis included major cations and anions, trace elements, rare earth elements, 18O/16O isotope ratio, and 87Sr/86Sr isotope ratio. Results indicate the presence of different underground water bodies and Sr resources. Furthermore, thin sections were made from the carbonate samples for SEM–EDX analyses and microscopic investigations. The microscope analysis showed that the distribution of minerals precipitated differs within one sample. Likewise, SEM–EDX results show a variation in element distribution along the growth axis. After finishing the analysis of water samples and thin sections, the layers of the carbonate samples were acidified and trace elements and rare earth elements were measured by means of ICP–MS. Then selected layers were prepared for isotope analyses (18O, 13C, and 87Sr/86Sr) and subsequently measured. The carbonate samples were dated using the U–Th method. Rare earth elements and trace elements measurements provide clear evidence that urbanization has an adverse effect on groundwater quality. Different groundwater bodies were identified by means of geochemical analysis. In the same way, the water sources used to feed the ancient water system were also identified. Through petrological and geochemical analysis, the sustainability of the watermill concept could be demonstrated. This study recommends a more controlled regulation of urbanization expansion. It will only be possible to continue living in this region with sufficient amounts of groundwater and innovative techniques for water supply and management that are environmentally sustainable, as it used to be centuries ago.

Over thousands of years, the eastern part of the Mediterranean has developed ways to supply and manage its water resources. The most important evidence of this is the water networks that are distributed in the area. Case studies involving a literature review, fieldwork, sample collection and analysis were conducted that focused on two areas in the West Bank: Nablus city and the northern part of Jordan Valley. These locations were chosen because Nablus city and its vicinity have many of Roman tunnels and aqueducts while the Jordan Valley has many watermills. This study aims to examine the changes in water quality over time in various ways; in an attempt to explain environmental degradation, to understand archeological aspects relating to the water management system, and to piece together what sustained the past environmental development. Throughout centuries carbonate deposits have accumulated along the sidewalls of the water system, containing and archiving geochemical and hydraulic information. These carbonate deposits were sampled from the walls of tunnels together with water samples from the tunnel and surrounding springs in the area. In addition, carbonate sinter has accumulated at the outlet of the watermill on the water shaft. This sinter was also sampled along with water samples from the springs and the water in the Wadi in the area. Water and carbonate samples were analyzed. Water analysis included major cations and anions, trace elements, rare earth elements, 18O/16O isotope ratio, and 87Sr/86Sr isotope ratio. Results indicate the presence of different underground water bodies and Sr resources. Furthermore, thin sections were made from the carbonate samples for SEM–EDX analyses and microscopic investigations. The microscope analysis showed that the distribution of minerals precipitated differs within one sample. Likewise, SEM–EDX results show a variation in element distribution along the growth axis. After finishing the analysis of water samples and thin sections, the layers of the carbonate samples were acidified and trace elements and rare earth elements were measured by means of ICP–MS. Then selected layers were prepared for isotope analyses (18O, 13C, and 87Sr/86Sr) and subsequently measured. The carbonate samples were dated using the U–Th method. Rare earth elements and trace elements measurements provide clear evidence that urbanization has an adverse effect on groundwater quality. Different groundwater bodies were identified by means of geochemical analysis. In the same way, the water sources used to feed the ancient water system were also identified. Through petrological and geochemical analysis, the sustainability of the watermill concept could be demonstrated. This study recommends a more controlled regulation of urbanization expansion. It will only be possible to continue living in this region with sufficient amounts of groundwater and innovative techniques for water supply and management that are environmentally sustainable, as it used to be centuries ago.:Declaration V Acknowledgment VI Abstract VIII List of Figures X List of Tables XVI List of Abbreviations XVII Terms and definitions XIX 1. Introduction 1 1.1 Structure of the thesis 1 1.2 General information, background 2 1.2.1 Spiritual value of water in Palestine 2 1.2.2 Water resources and management condition in Palestine 3 1.2.3 Water crisis in Palestine 4 1.3 Motivation 5 1.4 Hypothesis 6 1.5 Location of study area 6 1.5.1 Description of geology and hydrogeology of the study area 8 1.5.2 Climate 13 2. Literature review 18 2.1 Research history of aqueducts 18 2.2 Aqueducts in Palestine 18 2.2.1 Agricultural aqueducts (related to watermills) in Palestine 20 2.3 Utilization of springs in Palestine 21 2.3.1 Ancient water system in Nablus–Sebestia 22 2.4 Carbonate sinter accumulation in aqueducts and artificial water network 24 2.4.1 Research history of secondary carbonate sinter 26 2.4.2 Growth mechanism of secondary carbonate 29 2.4.3 Carbonate sinter analysis 30 3. Methodology 33 3.1 Literature review 33 3.2 Fieldwork 34 3.3 Sampling and analysis 37 3.3.1 Water samples: 37 3.3.2 Carbonate samples 38 3.3.3 U–Th series dating 41 3.4 Software used 43 3.5 Challenges 43 4. Results and discussion (Nablus area) 45 4.1 Ancient water system description 45 4.2 Water sample results and discussion 54 4.2.1 Stable isotope 59 4.2.2 Strontium isotope analysis (87Sr/86Sr) 60 4.2.3 Saturation index 62 4.2.4 Discussion 63 4.3 Carbonate analysis (host rock) 64 4.4 Aqueduct building material 65 4.5 Secondary carbonate analysis 66 4.5.1 Ras Al Ein location (S-2) 66 4.5.2 Ijnisinya location (S-9) 72 4.5.3 Harun Location (S-8) 79 4.5.4 Water tunnel Location (A-1) 86 4.5.5 Water aqueduct Location (A-4) 99 4.6 Discussion 101 4.6.1 Is urbanization a source of groundwater quality degradation? 101 4.6.3 Paleoclimate calculations 105 5. Results and discussion (Al Malih area) 107 5.1 Water system description 107 5.2 Geochemical results (water) 108 5.3 Geochemical results (Carbonate) 111 5.3 Sustainability of watermills 113 6. Conclusions and recommendation 115 6.1 Conclusions 115 6.2 Recommendations 116 6.2.1 Recommendation for further research 116 6.2.2 Recommendation for policy makers 116 References 118