Die vorliegende Arbeit umfasst im ersten Teil eine Literaturrecherche zu Aquifer Storage and Recovery (ASR) im Allgemeinen und den Einfluss physikalisch-chemischer Prozesse auf ASR. Aus dieser konnte abgeleitet werden, dass durch standortbedingte Untergrundeigenschaften stark unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse ablaufen und eine eindeutige Vorhersage zum Verhalten und zur Effizienz von ASR an einem neuen oder bereits genutzten Standort ohne spezifische Informationen nicht möglich ist. Des Weiteren wurde eine Literaturstudie zum Einfluss der transversalen Dispersivität, als Maß für die Vermischung von transportierten Stoffen quer zu einer (natürlichen) Fließrichtung, auf den (reaktiven) Transport durchgeführt. Letztlich wurde im Rahmen einer betreuten Masterarbeit (M. Sc. Chang Liu) eine Bewertung aus der Literatur entnommener transversaler Dispersivitäten durchgeführt. In den weiteren Teilen der Arbeit wurden Fallstudien mit unterschiedlichen Fragestellungen für die Planung und den Betrieb von künstlichen Grundwasseranreicherungen und speziell ASR numerisch modelliert und bewertet. Zuerst wurden numerische Simulationen zum konservativen Transport am Testfeld „Lauswiesen“, Tübingen, Baden-Württemberg durchgeführt. Diese beinhalteten über Direct-Push(DP)-Erkundungsmethoden gewonnene Informationen zur Untergrundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Vorhersage des standortspezifischen Transports in den „Lauswiesen“ und für vergleichbare hydraulische Situationen, auch in Hinsicht auf ASR, deterministische hydrogeologische Einheiten und ihre situationsgerechte Berücksichtigung in numerischen Modellen höchst relevant sind. Aufbauend auf den genannten Ergebnissen wurde eine Masterarbeit durch Herrn M. Sc. Tsegaye Abera Sereche durchgeführt. Diese Masterarbeit zeigte für diesen Fall erneut die hohe Relevanz deterministischer Strukturen gegenüber kleinskaligen, dreidimensionalen Heterogenitäten für ASR. Weiterführende numerische Simulationen zu einem möglichen ASR-Feldtest am Standort „Lauswiesen“ ergaben, dass dieser unter den gegebenen Untergrundbedingungen nur bei Abweichungen von einem vertretbaren Konzept für einen Ein-Brunnen-Test, z. B. bei sehr großen Infiltrationsmengen, oder durch Umwandlung in einen Zwei-Brunnen-Test durchführbar ist. Während dieser Arbeit wurden gemeinsame Forschungsarbeiten mit dem Kansas Geological Survey, Kansas, USA durchgeführt, welche die Bewertung der Verwendbarkeit von DP-Brunnen als alternative Infiltrationsmethode zu Oberflächenmethoden beinhalteten. Als Teil der gemeinsamen Arbeiten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine synthetisierte, numerische Bewertung der neuen DP-Infiltrationsbrunnen sowie einen Vergleich mit einer herkömmlichen Oberflächeninfiltrationsmethode übernommen. Im Einklang mit der Zielstellung der Arbeit wurde ebenfalls eine numerische Bewertung natürlicher und anthropogener Heterogenitäten auf die Infiltration durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten für die neue Infiltrationsmethode signifikante Vorteile abgeleitet werden. Weitere numerische Modellierungen wurden durchgeführt, um die wesentlichen Ergebnisse auf einen Feldstandort in der Südlichen Steiermark, Österreich, anzuwenden, welcher: a) bereits ein horizontales Versickerungssystem besitzt, b) weitere Systeme erhalten soll und c) letztlich eine besondere Herausforderung für vertikale Versickerungssysteme darstellt. Die Modellierung des vorhandenen Systems zeigt die hohe Komplexität der Infiltrationsprozesse. Jedoch konnten hydraulische Parameter bestätigt und in weitere planerische Simulationen zu Verwendung von DP-basierten Infiltrationsbrunnen eingefügt werden. Diese zeigen, dass ein Brunnenfeld am Standort auf relativ geringem Raum installiert werden kann. Zusätzlich zeigt ein Feldversuch an einem weiteren Standort (Pirna, Sachsen), dass hohe Infiltrationsraten unter Nutzung von DP-Brunnen möglich sind. / The works presented in the thesis include in the first part a literature research on Aquifer Storage and Recovery (ASR) in general and the impacts of different physico-chemical processes on ASR. This research concludes that site-specific subsurface conditions lead to varying physical and chemical processes and that a conclusive prediction of function and efficiency of ASR at any site, in-operation or new site design, is not possible without site-specific information. Additionally, a literature study was conducted that focused on the impacts of transverse dispersivity, as a measure for mixing of transported species perpendicular to the (natural) flow direction, on (reactive) transport. Finally, evaluation of transverse dispersivity data available in the literature was performed, which included a supervision of a master thesis (of M. Sc. Chang Liu). Numerical simulations of case studies for different questions of planning and operation of artificial recharge systems and more specifically ASR were realized for the other parts of the thesis. The first evaluated case was the “Lauswiesen” test site, Tübingen, Baden-Wuerttemberg. This study used new insights into the subsurface structure gained by Direct-Push(DP) exploration methods. The results obtained show that for further works at the site and for comparable hydraulic conditions, also in the view of ASR, deterministic hydrogeological subunits and their consideration in numerical models are critical for prediction of site-specific transport. Based on the previous findings, a master thesis was conducted by M. Sc. Tsegaye Abera Sereche. The master thesis yet again revealed for this case the high relevance of deterministic subunits compared to small-scale, three-dimensional heterogeneities for ASR. Further, numerical simulations of a possible ASR field test at “Lauswiesen” site showed that under the prevailing subsurface conditions, a field test can only be realized when the set-up of a single-well-test is impracticably changed, by e.g. very high infiltration volumes, or by transformation into a two-well-test. During the thesis joint research works were performed with the Kansas Geological Survey, Kansas, USA, which contained the evaluation of the applicability of DP wells as an alternative to surface infiltration methods. As part of the joint work, this thesis presents a synthesized numerical evaluation of the new DP well infiltration as well as a comparison to a common surface infiltration system. Furthermore, in accordance with the main objective of the work, numerical evaluation of natural and anthropogenic heterogeneities was performed. The results concluded the advantages for the DP wells for infiltration process. Further numerical models were implemented to convey the important results to a field site at Southern Styria, Austria, where: a) an existing infiltration system is already in operation, b) further infiltration systems are planned and c) the subsurface conditions are rather challenging for vertical infiltration systems. Modeling of the existent system revealed the high complexity of the infiltration processes. However, hydraulic parameters could be verified and included into planning simulations for DP-based infiltration wells. The findings show, that a well field can be installed at a comparably small land. Additionally, a field test at a further test site (Pirna, Sachsen) indicates that high infiltrations rates are possible when DP wells are used.

Der Austausch zwischen Grundwasser und Kanalnetz kann in die Prozesse der Grundwasserinfiltration in Kanalnetze und der Abwasserexfiltration aus Kanalnetzen unterteilt werden. Generell entstehen durch die In- und Exfiltration (I/E) erhöhte Kosten der Abwasserentsorgung und eine Belastung für Boden, Grundwasser und Oberflächenwasser. Für Einschätzungen zur Dynamik und Quantität der In- und Exfiltration ist die Nutzung von Modellen sinnvoll, da zahlreiche Einflussfaktoren in die Betrachtungen einfließen können und dadurch eine komplexe Erfassung der Prozessmechanismen ermöglicht wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden physikalisch basierte Modelle zur Abbildung der In- und Exfiltrationsprozesse hinsichtlich erforderlicher Parameter und Randbedingungen analysiert und angewandt. Anhand detaillierter 3D-Modelle, kleintechnischer Versuche, Datenanalysen und statistischer Verfahren erfolgte die Modifizierung und Entwicklung von I/E-Modellen sowie die Parameteridentifikation zur Abbildung der In- und Exfiltration. Des Weiteren wurden die entwickelten Modellansätze mit einem hydrodynamischen Kanalnetzmodell verknüpft und großräumige Langzeitsimulationen durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen bezüglich der Infiltration von Grundwasser in das Kanalnetz, dass eine physikalisch basierte Prozessmodellierung einer Abstraktion bedarf, um die 3-Dimensionalität des Prozesses in einem 1D-Modell wieder zu geben und dadurch die Anbindung an ein Kanalnetzmodell zu ermöglichen. Anhand von Simulationsrechnungen wurde festgestellt, dass die quantitative Betrachtung der Infiltration auf Einzugsgebietsebene keine hydrodynamische Modellierung erfordert. Signifikante quantitative Änderungen der Grundwasserinfiltration aufgrund der Wasserstandsschwankungen in den Kanälen sind nur lokal oder temporär von Bedeutung. Die Grundwasserinfiltration kann jedoch deutliche Auswirkungen auf die Ergebnisse der hydrodynamischen Simulation haben. Anhand von Datenanalysen im Einzugsgebiet Dresden konnte des Weiteren ein signifikanter Zusammenhang zwischen Infiltrationsparametern und Kanalzustand ermittelt werden. Der Exfiltrationsprozess kann durch ein 1D-Modell gut abgebildet werden, wobei der Prozess der Bodenkolmation anhand eines zeit- und potenzialabhängigen Modells implementiert werden kann. Ferner konnte durch die Verknüpfung mit Infiltrationsanalysen eine Ableitung der Schadensfläche erfolgen, die als Parameter in die Exfiltrationsmodellierung eingeht. Die hydrodynamischen Berechnungen zeigen, dass für die Exfiltrationsmodellierung eine möglichst exakte Berechnung der Wasserstände in Kanalnetzen essentiell ist. / The water exchange between groundwater and sewer system can be characterized by the processes of groundwater infiltration and sewerage exfiltration. Infiltration and exfiltration (I/E) cause an increase of the costs of sewerage management and a deterioration of soil, groundwater and the receiving surface water. In order to assess the dynamics and quantities of I/E, model applications can be used in order to include influencing factors and to afford a complex consideration of the process mechanisms. Within this work I/E-approaches were analyzed and modified in order to assess parameters and boundary conditions. The parameter identification and model development was realised according to the application of a detailed 3D-model, the realization of experiments, data analyses and the application of statistical methods. Furthermore the developed and modified approaches were coupled with a hydrodynamic sewer network model and long term simulations were performed. It was found that a physical based description of the infiltration process requires the implementation of the 3-dimensionality of the process. A hydrodynamic modelling of the sewer flow processes is not necessary to quantify infiltration rates on catchment scale, but the results of hydrodynamic modelling can be influenced significantly by groundwater infiltration. Furthermore data analyses of data of Dresden show a significant relationship between infiltration parameters and the condition class of the sewer pipes. The exfiltration process can be described by a 1D-model, whereat the processes of soil clogging are simulated by a time and potential based approach. Using the infiltration analyses it was possible to calculate the leak area, which is an important parameter of the exfiltration modelling. Hydrodynamic simulations show that the exfiltration modelling requires an accurate calculation of water levels in sewers.

<p>Saturated hydraulic conductivity (<em>K</em>_<em>s</em>) is among the most important soil properties that influence the partitioning of rainfall into surface and subsurface waters and is needed for understanding and modeling hydrologic processes at the field-scale. Field-scale variability of <em>K</em>_<em>s</em> is often represented as a lognormal random field, and its parameters are assessed either by making local- or point-scale measurements using instruments such as permeameters and infiltrometers or by calibrating probabilistic models with field-scale infiltration experiments under natural/artificial rainfall conditions. This research quantifies the uncertainty in the <em>K</em>_<em>s</em> random field when using observations from the above techniques and provides recommendations as to what constitutes a good experiment to assess the field-scale variability of <em>K</em>_<em>s</em>. Infiltration experiments with instruments sampling larger areas (or volumes) are typically expected to be more representative of field conditions than those sampling smaller ones; hence, the uncertainty arising from the field-scale natural rainfall-runoff experiments was evaluated first. A field-averaged infiltration model and Monte Carlo simulations were employed in a Bayesian framework to obtain the possible <em>K</em>_<em>s</em> random fields that would describe experimental observations over a field for a rainfall event. Results suggested the existence of numerous parameter combinations that could satisfy the experimental observations over a single rainfall event, and high variability of these combinations among different events, thereby providing insights regarding the identifiable space of <em>K</em>_<em>s</em> distributions from individual rainfall experiments. The non-unique parameter combinations from multiple rainfall events were subsequently consolidated using an information-theoretic measure, which provided a realistic estimate of our ability to quantify the spatial variability of <em>K</em>_<em>s</em> in natural fields using rainfall-runoff experiments. </p> <p>  </p> <p>With the resolving ability from rainfall-runoff experiments constrained due to experimental limitations, the <em>K</em>_<em>s</em> estimates from in-situ point infiltration devices could provide additional information in conjunction with the rainfall-runoff experiments. With this hypothesis, the role of three in-situ point infiltration devices --- the double-ring infiltrometer, CSIRO version of tension permeameter, and Guelph constant-head permeameter --- was then evaluated in characterizing the field-scale variability of <em>K</em>_<em>s</em>. Results suggested that <em>K</em>_<em>s</em> estimates from none of the instruments could individually represent the field conditions due to the presence of measurement and structural errors besides any sampling biases; hence any naive efforts at assimilating their data (e.g., data pooling, instrument-specific transforms, etc.) and augmenting with field-scale rainfall-runoff observations as informative prior distributions would not be fruitful. In the absence of benchmarks establishing the true <em>K</em>_<em>s</em> field, it is also impossible to quantify these errors; therefore, a posterior coarsening method was used to alleviate their impact when estimating the field-scale variability of <em>K</em>_<em>s</em>. </p> <p>  </p> <p>Finally, the impact of censored moments on the maximum likelihood (ML) estimates of the <em>K</em>_<em>s</em> distribution parameters was studied. Results highlighted the rainfall event's ability to only be able to resolve a fraction of the <em>K</em>_<em>s</em> field, and that the time and duration of peak rainfall intensity play a role in resolving the <em>K</em>_<em>s</em> field, besides the peak rainfall intensity. The reliability of the ML estimates is a function of the fraction of the <em>K</em>_<em>s</em> field resolved by the rainfall event, until a limit when the estimates start to overfit the calibration data. Rainfall-runoff experiments for which the ML estimates resolve 30--80 % of the <em>K</em>_<em>s</em> distribution are likely to be good calibration events. </p>

No description available.

Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.

In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Summary 1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel der Arbeit 2 Stand des Wissens 2.1 Grundlagen zum Wasserfluss im Boden 2.1.1 Beschreibung des Infiltrationsprozesses im Boden 2.2 Definition des Begriffes Makropore, deren Entstehung und Einflüsse im Boden 2.2.1 Zusammenhang zwischen Bodenbearbeitung und dem Vorhandensein von Makroporen 2.2.2 Einfluss der Makroporen auf den Wasserfluss und die Infiltration 2.3 Ansätze zur Modellierung des Makroporenflusses 2.3.1 Dual-Porositäts-Modelle 2.3.2 Einfache empirische Schätzverfahren 3 Material und Methoden 3.1 Standorte 3.2 Geländeversuche 3.2.1 Erfassung bodenphysikalischer Parameter 3.2.2 Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit 3.2.2.1 Haubeninfiltrometermessungen 3.2.2.2 Beregnungsversuche 3.2.3 Erfassung des Makroporensystems 3.3 Säulenversuche 3.3.1 Vorversuche 3.3.2 Experimente mit L. terrestris 3.3.3 Experimente mit künstlichen Makroporen 3.3.4 Experimente ohne Makroporen 3.4 Ableitung des Modellparameters Skinfaktor 4 Ergebnisse 4.1 Ergebnisse der Geländeversuche am Standort Lüttewitz 4.1.1 Bodenphysikalische Parameter 4.1.2 Beregnungsexperimente 4.1.3 Hydraulische Leitfähigkeit 4.1.4 Makroporensystem 4.1.5 Auswertung der Tracerversuche am Standort Lüttewitz 4.2 Ergebnisse der Geländeversuche Standort Oberwinkel 4.2.1 Bodenphysikalische Parameter 4.2.2 Beregnungsexperimente 4.2.3 Makroporensystem 4.2.4 Skinfaktorenermittlung 4.3 Ergebnisse aus den Säulenversuchen 4.3.1 Verteilung der Grabgänge 4.3.2 Messung der hydraulischen Leitfähigkeit 5 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 5.1 Experimente im Gelände 5.1.1 Vergleich der kf-Werte aus Haubeninfiltrometermessung und Beregnung 5.2 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse aus den Säulenversuchen 5.3 Vergleich Makroporenkennwerte mit bodenhydrologischen Messgrößen 5.4 Vergleich Makroporenkennwerte mit Modellparametern 5.5 Einfluss der Bewirtschaftung 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis

To determine the soil infiltration characteristics of pine and acacia plantations, we used a double-ring infiltrometer in 15 different locations of up-hill, mid-hill and down-hill part in each kind of plantation from June to August, 2018. The spatial infiltration characteristics of the soil at three plots (with no tree, with acacia tree and with pine tree) was determined by dye tracer method. The factors having an impact to the infiltration process were also analyzed. The main findings include: (1) The soil infiltration rate under both pine and acacia plantation decreased over time and it was the highest in the bottom of the hill and the lowest in the middle of the hill. The infiltration rate and the total infiltrated water in one hour at the acacia plantation were higher than ones at the pine plantation. However, statistical significant difference was only found for stable infiltration rate between two plantations; (2) The area and the depth of infiltrated water were the highest at the plot without trees, smaller at the soil of acacia plot and smallest at the soil of pine plot. All spatial infiltration rates were within the findings of previous studies; (3) The result indicated that soil with high ground cover has high infiltration rate. / Để xác định đặc điểm thấm nước của đất dưới rừng trồng Thông và Keo, vòng đôi đo tốc độ thấm đã được sử dụng để đo ở sườn trên, sườn giữa và sườn dưới (5 lần/ ví trí) cho mỗi loại hình rừng từ tháng 6-8/2018. Trong khi, thuốc nhuộm được sử dụng để kiểm tra đặc điểm thấm nước của đất theo không gian trên 3 ô (ô không có cây, ô trồng Keo và ô trồng Thông). Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm thấm nước cũng được phân tích. Kết quả chính thu được: (1) Tốc độ thấm ở cả hai loại rừng giảm dần theo thời gian và cao nhất ở sườn dưới, nhỏ nhất ở sườn giữa. Cả tốc độ thấm và tổng lượng nước thấm trong một giờ của rừng keo đều cao hơn so với rừng Thông. Tuy nhiên, chỉ có tốc độ thấm ổn định là khác biệt có ý nghĩa thống kê; (2) Diện tích và độ sâu nước thấm xuống đất cao nhất ở ô không có cây, nhỏ hơn ở ô trồng Keo và nhỏ nhất ở ô trồng Thông; (3) Độ che phủ thực vật càng cao thì lượng nước thấm càng lớn.

Societal developments are associated with land use change, and with urbanization in particular. Urbanization can influence hydrological processes by decreasing evapotranspiration and infiltration as well as by increasing streamflow, peak flow and overland flow. This causes higher risks of flooding. Although several studies have investigated the impacts of urbanization on streamflow over the last decades, less is known about how urbanization affects the hydrological processes in peri-urban areas characterized by a complex mosaic of different land uses. This study aimed to model the impact of land use change, or more specifically urbanization, on the hydrological responses of the small peri-urban Ribeira dos Covões catchment (6.2 km2) located in central Portugal. The catchment has undergone rapid land use change since the mid- 1950s associated with conversion of agricultural fields (decreased from 48 to 4%) into woodland and urban areas, which increased from 44 to 56% and from 8 to 40%, respectively. For the study, the hydrological modelling system MIKE SHE was used. Parameters and data of climate, vegetation and soil types were used as input. There were also land use maps and daily streamflow values available for the hydrological years 2008/09 to 2012/13, which were used to calibrate and validate the model. The statistics from the calibration and validation both indicated that the model simulated the streamflow well. The model was designed to examine both how past land use change might have affected the streamflow, and to investigate the impacts on hydrology if the urban area was to be increased to cover 50% of the catchment. It was not only the importance of the urban cover’s size that was tested, but also the placement of additional urban areas. Three future scenarios were run, all with a 50% urban cover, but distributed differently within the catchment. The study did not indicate that an increase in urbanization leads to higher peak flow or streamflow. Neither could any decrease in infiltration be seen. All three scenarios however gave an increase in overland flow of approximately 10% and a decrease in evapotranspiration by 55%, regardless of where the urban areas were added. The reliability of the models can be enhanced by additional climate, soil and vegetation data. This would improve the results and make them more useful in decision making processes in the planning and management of new urban areas. / Samhällets ständiga utveckling medför förändringar i markanvändning. Utvecklingen och förändringarna är framför allt associerade med urbanisering som kan påverka ett avrinningsområdes hydrologiska processer genom att exempelvis reducera dess evapotranspiration och infiltration samt öka vattenföringen, högsta flödet och ytavrinningen. Det i sin tur ökar risken för översvämning. Trots att många studier har undersökt urbaniseringens inverkan på vattenföring de senaste decennierna saknas viss kunskap om dess påverkan på hydrologin i stadsnära avrinningsområden, kännetecknade av flera olika typer av markanvändning. Denna studie syftade till att modellera hur förändringar i markanvändning, eller mer specifikt urbanisering, påverkar hydrologin i det lilla stadsnära avrinningsområdet Ribeira dos Covões (6,2 km2) i centrala Portugal. Avrinningsområdet har genomgått snabba markanvändningsförändringar sedan mitten av 1950-talet i samband med en omvandling av åkrar (täckningsarean har minskat från 48 till 4 %) till skogsmark och urbaniserade områden, vilkas storlek har ökat från 44 till 56 % respektive 8 till 40 %. För att uppfylla syftet har den hydrologiska modellen MIKE SHE använts. Parametrar avseende klimat samt vegetations- och jordegenskaper användes som indata till modellen. Det fanns också tillgång till en markanvändningskarta över området samt dagliga flödesvärden mellan de hydrologiska åren 2008 och 2013. Dessa användes för att kalibrera och validera modellen. Statistiken för både kalibreringen och valideringen indikerade en fullt acceptabel modell. Modellen var avsedd att undersöka dels hur tidigare förändring i markanvändning kan ha påverkat vattenföringen, dels för att studera effekten på hydrologin om urbaniseringen fortgår tills dess täckning är 50 % av avrinningsområdet. Det var inte bara betydelsen av de urbana ytornas storlek som testades, utan även placeringen av dem. Tre framtidsscenarier togs fram, alla med en urban yta på 50 % fördelad olika inom avrinningsområdet. Studien indikerade inte att ytterligare urbanisering ökar vare sig flödet eller det högsta flödet. Inte heller gav de någon minskning av infiltration. Alla tre scenarierna gav emellertid en ökning av ytavrinningen med cirka 10 % och en minskning av evapotranspirationen med 55 %, oavsett placering av de urbana ytorna. Modellernas tillförlitlighet skulle kunna förbättras med hjälp av ytterligare klimat-, vegetations- och jordindata. Det skulle förbättra resultaten och göra dem användbara i beslutsfattanden vid planering och utveckling av nya urbana områden.

Seit mehr als 100 Jahren wird Oberflächenwasser mit verschiedenen Verfahren versickert, wobei sich dessen Qualität stark verbessert. Sie finden zunehmend weltweit Anwendung, um eine zuverlässige Versorgung mit sauberem Trinkwasser zu gewährleisten. Solche Verfahren erfordern nur einen geringen technischen Aufwand. Während bei der Versicherung mit Schluckbrunnen und bei künstlichen Infiltrationsbecken das Wasser noch gepumpt und oft auch vorgereinigt werden muss, reduziert die Nutzung eines natürlichen Gewässers den Aufwand nochmals. Am Beispiel eines Untersuchungsgebiets am Tegeler See in Berlin werden die hydraulischen Prozesse modelliert. Die regionale, instationäre und 3-dimensionale Modellierung eines langen Zeitraums zeigt, dass die bisher verwendeten linearen Ansätze zur Beschreibung der Durchlässigkeit der Kolmationsschicht sowohl die infiltrierten Wassermengen als auch die Infiltrationsprozesse nur unzureichend wiedergeben. Grundwasserpiegelschwankungen werden stärker als bisher angenommen gedämpft. Als Folge dieser Wasserspiegelschwankungen wird die Bodenluft in der ungesättigten Bodenzone ausgetauscht und Sauerstoff eingetragen. Auf diese Weise erhöht sich die Durchlässigkeit der Kolmationsschicht um mindestens eine Größenordnung. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden eine instationäre Wasserbilanz aufgestellt und die Uferfiltratanteile bestimmt. Die genaue lokale Lage eines Grundwasserstauers wird mit Hilfe eines neu entwickelten inversen Modellkonzeptes bestimmt. Er wird mit räumlich verteilten Pilot Points und Überparameterisierung unter Nebenbedingungen kalibriert. Die Zielgröße sind Piezometerhöhenschwankungen. Kreuzvalidierung bestätigt, dass die Lage des Grundwasserstauers präzise bestimmt wird. Diese hat einen entscheidenden Einfluss auf das räumliche Strömungsfeld und liefert neue Anhaltspunkte zur Genese des Tegeler Sees. Ein Transportmodell liefert lediglich mit den hydraulisch kalibrierten Parametern eine genaue Anpassung der Durchbruchskurven von Chlorid, 18O und Temperatur. Dies kann als Vorhersage angesehen werden und zeigt die Güte des Modells. Es konnte gezeigt werden, dass der Sauerstoffeintrag die Redoxprozesse in der Infiltrationszone dominiert. In Kombination mit der Lage des Grundwasserstauers können so auch zuvor widersprüchliche und lokale geochemische Verhältnisse schlüssig interpretiert werden. Es wird eine Theorie entwickelt, die erklärt, wie die vertikale Schichtung von oxidiertem und reduziertem Wasser zu starker Verockerung der Brunnen führt. / Several kinds of managed aquifer recharge techniques provide very good purification of surface water since more than 100 years. In order to maintain a reliable supply of clean water, they are becoming increasingly popular all over the world. These methods require low technical effort. At Aquifer Storage and Recovery and ponded infiltration the recharged amounts are technically controlled. The infiltration water has to be pumped and often pretreated. At bank filtration this is dispensable, the approach, of using existing surface water bodies is even more consequent. Exemplarily, at a test site at Lake Tegel, Berlin, Germany, the hydraulic processes are modelled. By means of 3D long term regional and transient hydraulic modelling it was detected that the existing approaches for determining the leakance induce large errors in the water balance and describe the infiltration zone insufficiently. The leakance could be identified to be triggered by the groundwater table, causing air exchange and intrusion of atmospheric oxygen, which reduces clogging by altered redox conditions by at least one order of magnitude. This causes that changes of the groundwater table are mitigated much more than previously assumed. Taking these findings into account, a transient water balance is determined and bank filtration ratios are quantified. A new inverse modelling concept has been developed and applied to a 3D short term local and transient hydraulic model. It comprises spatially distributed pilot points and overparameterisation constrained by regularisation and calibration to head differences. Significance of the results is demonstrated by cross validation. With this approach the spatial distribution of an aquitard have been identified with high precision. The highly transient and heterogeneous flow conditions are specified and a new viewpoint on the geologic formation of Lake Tegel is obtained. The good fit of modelled and observed breakthrough curves of 18O, chloride and temperature by just using transferred parameters obtained with the previous hydraulic methods, show the very good model performance and predictive capabilities. The intrusion of atmospheric oxygen into the unsaturated zone is identified to be the principal redox determining factor during infiltration. Previously inconsistent and also local geochemical conditions are identified to be determined by interaction of infiltration processes with the spatial extent of the aquitard. A theory for chemical clogging of abstraction wells is developed, identifying the strong vertical redox zoning as principal factor of influence.