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Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-13T17:55:28Z No. of bitstreams: 1 JOÃO DEHON DE ARAÚJO PONTES FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGECA) 2018.pdf: 3164932 bytes, checksum: ca3f762e9350a916f6bb046e39613cd8 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-13T17:55:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOÃO DEHON DE ARAÚJO PONTES FILHO – DISSERTAÇÃO (PPGECA) 2018.pdf: 3164932 bytes, checksum: ca3f762e9350a916f6bb046e39613cd8 (MD5) Previous issue date: 2018-02-07 / Grande parcela dos escassos recursos hídricos do semiárido brasileiro estão armazenados nos aquíferos aluviais, servindo como importante fonte para o abastecimento de comunidades rurais e a irrigação de pequeno porte, diante da intermitência dos rios da região. Apesar da importância desses aquíferos, esgoto doméstico, tratado ou não, é depositado nos leitos secos desses rios, gerando uma recarga não gerenciada desses aquíferos que pode provocar impactos negativos, fato que demanda a criação de estratégias em busca de possibilitar o correto manejo desse sistema. Uma opção é realizar a recarga gerenciada desses aquíferos, aproveitando-se da infraestrutura hídrica existente, formada por barragens associadas aos sistemas de tratamento de esgoto. Para formulação de tal estratégia nesse estudo, buscou-se um local que possuísse características representativas da região. Foram levantados dados litológicos e monitorados o nível estático e a qualidade da água do aquífero, assim como sua relação com a precipitação. Dessa forma, o sistema, formado pelo aquífero do Rio Sucuru, o açude Sumé e o esgoto produzido pela cidade de Sumé-PB, foi estudado e observou-se que a concentração de cloreto, utilizado como traçador para indicar a presença de esgoto, manteve-se elevada na zona urbana, devido à falta de saneamento. Porém, tanto seus valores, como a variação deles ao longo do tempo, vão diminuindo com o transcorrer do fluxo subterrâneo. Ainda, em busca de entender a efetividade do tratamento solo-aquífero na região, comparou-se as análises de nutrientes e de indicador bacteriológico do poço com maior presença de cloreto e do esgoto tratado, obtendo-se resultados melhores para o efluente após passagem pelo solo do que pelo sistema de lagoas de estabilização. Apesar dessa aparente capacidade de tratamento do aquífero para tais parâmetros, o mesmo não possui capacidade de remoção de cloreto, o que mostra a necessidade de realizar recarga com águas de menores concentrações, objetivando garantir seus usos e evitar risco de salinização. Diante disso, a estratégia proposta foi dividida em quatro medidas, duas utilizando o esgoto e duas recursos hídricos superficiais, as quais consideram os desafios financeiros e operacionais que podem surgir, de modo a promover: (i) reuso de águas servidas, (ii) diminuir as perdas por evaporação, e, consequentemente, (iii) aumentar a oferta. Sendo assim, essa proposta de promoção da gestão integrada dos recursos hídricos da região atuará no sentido de atingir os objetivos de desenvolvimento do milênio. / Great amount of scarce water resources from Brazilian semiarid are stored at alluvial aquifers, serving as important source to supply rural communities and small irrigation, due to its intermittent rivers. Despite the importance of this aquifers, wastewater, treated or not, is disposed at dry riverbed, generating an un-managed aquifer recharge that can lead to negative impacts, demanding creation of strategy searching for correct management of this system. One option is to manage recharge this aquifers, taking advantage of hydric works, made by dams, in conjunction with treated wastewater. To formulate this strategy, a site that possess representative characteristics of the region was chosen, in which lithologic data and of water quality and hydraulic heads were monitored, as their relationship with precipitation. Therefore, the system made by Sucuru River, Sumé Dam and wastewater produced by the city of Sumé, in the State of Paraíba, were studied. It was observed that chloride concentration, used as a tracer to indicate wastewater presence due to lack of sanitation, kept high at the urban zone. However, its values and variation with time decrease along the aquifer. Seeking to understand the effectivity of soil-aquifer treatment, the presence of nutrients and bacteriological indicator were compered between the well with highest amount of chloride and the effluent of the wastewater treatment plant and better results were found for the passage of wastewater through the soil than the system composed by stabilization lagoons. Despite this apparent capacity of treatment from the aquifer, it cannot remove chloride, demonstrating the need to use water with less concentration of this parameter in order to secure its uses and avoid salinization hazard. In face of that, the proposed strategy was divided in four measures, two utilizing wastewater and two superficial water resources available and they consider financial and operational challenges that may occur, in order to promote: (i) water reuse, (ii) reduce evaporation losses and, consequently, (iii) increase offer. This proposal to promote integrated management of existing water resources will act to achieve millennium development goals.

The current pressure on water resources is such, that water scarcity is now an important issue in regions with abundant water resources like the Tropics. These regions are characterized by high precipitation rates almost all year long. This results in a relatively large availability of water resources. However, these water resources are not always equally distributed in time or space, which causes periods and puts areas under water stress in tropical regions. Added to this is the challenge related to the access to these water resources, resulting in a reduced availability in general terms. Costa Rica is a clear example of a country in the Tropical regions, where water scarcity is, actually, on the top of the water agenda. Costa Rica is in the torrid tropical region in Central America, yet it experiences periods of shortage in its available water resources at the end of the dry season. This affects all water sectors, specially agriculture and drinking water supply systems. This situation has been magnified by global change, with a greater demand of resources from population growth, impermeabilization of recharge areas due to urbanization, and reduction of resources due to climate change. To adapt to the situation, it is necessary to conduct an evaluation of suitable water management tools for the country’s environmental conditions in a systematic way. This work focuses on one of these tools: managed aquifer recharge (MAR) MAR techniques are a promising approach to address the defined problems, by storing the excess of available water resources during the rainy season in suitable aquifer systems for later use during the dry season. MAR techniques present certain advantages compared to surface storage: less losses through evaporation, less demand of superficial area, among others. In order to determine if MAR techniques are suitable for Costa Rica and will help overcome the temporary water scarcity challenge, three main topics at different scale are investigated. First, at a country scale, the search of suitable areas for specific MAR techniques within the country is carried out based on physical criteria. Second, at a research scale, it is reduced to a basin level. For this case, the assessment of a MAR project based on the first stage of the Australian MAR guidelines is done. This consists of a checklist of five critical elements, which constitutes the base for the assessment of a MAR project. Third, the research is taken into a laboratory scale, where the research focuses on an injection well in an unconfined aquifer system. For the first topic, suitable areas for the implementation of MAR technique spreading methods are identified in Costa Rica by conducting a geographical information science-multi-criteria decision analysis (GIS-MCDA) approach. This is based on four criteria: hydrogeological geoaptitude, terrain slope, top soil texture, and drainage network density. By carrying out a GIS-MCDA, the country is classified into suitable and unsuitable. Based on this method, 61 % of the country is suitable for spreading methods. Among the higher ranked suitable areas are the ones located in the northern and northwest regions. The ranking of the country based on spreading methods by means of a GIS-MCDA method is a first course of action to determine where further research is needed. In the second research level, the feasibility of a MAR project was assessed in the Machuca River basin. This river basin was chosen because: the drinking water supply systems (WSS) do not meet the actual demand, there is government interest to research new water supply alternatives and there is enough basic information on this water basin. To evaluate the feasibility of a MAR project in the basin, the first stage of the feasibility assessment proposed by the Australian MAR guidelines was performed. This consists of a checklist of five critical elements: 1) sufficient demand, 2) adequate recharge source, 3) suitable aquifer, 4) space to treat and, 5) human capability. For an easier analysis of the whole river basin, it was divided into five locations based on the superficial aquifer water levels. It was concluded that a MAR project seems viable in this river basin in the Coyolar and Orotina locations. Regarding the MAR technique to be applied in the MAR project at the Machuca River basin, two considerations were taken: the previously determined suitability and the local conditions. First, the entire Machuca River is ranked as suitable for surface infiltration (MAR spreading method) based on the results from the country scale analysis. The Coyolar and Orotina locations are ranked as having a moderate suitability (between 0.4-0.6). Second, the best material aquifer for recharge in these two locations are the fractured lavas and alluvium located under clay layers. For these two reasons (moderate spreading methods suitability and local conditions), it was decided that direct injection MAR techniques (aquifer storage and recovery – ASR) will be more appropriate for these two locations. At the laboratory research scale, the effect of the well screen length on the injection rate for an unconfined aquifer was corroborated under controlled laboratory conditions. This is one of the first experiments on the topic to the best of the author’s knowledge. One of the main findings of the laboratory research is the almost neglectful effect on the injection rate for screen lengths above 80 % of the saturated thickness in an unconfined aquifer. The effect on the screen length is notable in the injection rate for open screen length under 80 % of the total aquifer thickness (95 % of the maximum achievable injection rate) and it increases for open screen lengths under 40 % (90 % of the maximum achievable injection rate). Based on the experimental results, it is recommended to use a screen length of 40 % of the saturated aquifer thickness for ASR wells and of 80 % for injection wells. This assessment shows that MAR techniques are suitable for Costa Rica’s environmental conditions. Further on, the assessment at the basin level shows MAR techniques as a promising solution to overcome water scarcity issues. The laboratory scale aquifer-well interactions show promising results regarding the effect of the screen well in the injection rate. Still, more research is needed in this field regarding other aquifer types. Based on all these findings, MAR techniques are an appropriate tool for the integrated water management in the tropical regions. / Der gegenwärtige Druck auf die Wasserressourcen ist so groß, dass Wasserknappheit sogar in den Tropen zum Thema wird. Diese Regionen sind von hohen Niederschlagsraten geprägt, was zu einer relativ großen Verfügbarkeit von Wasserressourcen führt. Diese sind jedoch nicht immer zeitlich und räumlich gleich verteilt, was temporären und/oder regionalen Wasserstress verursacht. Darüber hinaus hängt die Herausforderung auch mit dem Zugang zu diesen Wasserressourcen zusammen, was zu einer allgemein reduzierten Verfügbarkeit führt. Costa Rica ist ein Beispiel für ein tropisches Land, in dem Wasserknappheit in den letzten Jahren zunehmend an Relevanz gewonnen hat. Costa Rica leidet gegen Ende der Trockenzeit fast jedes Jahr an einem temporären Wassermangel. Dies betrifft alle Wassersektoren, insbesondere die Landwirtschaft und die Trinkwasserversorgung. Diese Situation wird durch den globalen Wandel verstärkt, mit einer größeren Nachfrage nach Ressourcen aufgrund von Bevölkerungswachstum, der Verhinderung von Grundwasserneubildung durch Urbanisierung und Versiegelung und, nicht zuletzt, den Klimawandel. Um sich an diese Situation anzupassen, ist es notwendig, eine systematische Evaluierung geeigneter Wasserbewirtschaftungsinstrumente für die Umweltbedingungen des Landes durchzuführen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf eines dieser Werkzeuge: Managed Aquifer Recharge (MAR). MAR-Techniken stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um die zuvor definierten Probleme anzugehen, indem die überschüssigen Wasserressourcen während der Regenzeit in geeigneten Grundwasserleitersystemen zur späteren Nutzung in der Trockenzeit gespeichert werden. MAR-Techniken bieten im Vergleich zur Oberflächenspeicherung gewisse Vorteile, unter anderem geringere Verdunstungsverluste und geringeren Raumbedarf. Um zu bestimmen, ob MAR-Techniken für Costa Rica geeignet sind und dabei helfen können, die zeitlichen Wasserknappheitsherausforderungen zu überwinden, wurden drei Hauptthemen in unterschiedlichen Skalen untersucht. Die Suche nach geeigneten Gebieten für spezifische MAR-Techniken im Land erfolgte zunächst auf der Grundlage von physikalischen Kriterien. Als Zweites wurde die Forschungsskala auf ein Beckenniveau reduziert. Für diesen Fall wurde die Bewertung eines MAR-Projekts auf der Grundlage der ersten Stufe der australischen MAR-Richtlinien durchgeführt. Diese basiert auf einer Checkliste mit fünf kritischen Elementen, welche die Grundlage für die Bewertung eines MAR-Projektes bilden. Zuletzt wurde die Untersuchung im Labormaßstab durchgeführt, wobei sich die Experimente auf Injektionsbohrlöcher in einem ungespannten Grundwasserleitersystem konzentrierten. Für das erste Thema wurden in Costa Rica geeignete Bereiche für die Implementierung von MAR-Technik-Verteilungsmethoden mithilfe eines GIS-basierten Multikriterien- Entscheidungsanalysen-Ansatzes (GIS-MCDA) identifiziert. Dieser basierte auf vier Kriterien: Hydrogeologie, Geländegefälle, oberste Bodentextur und Drainagenetzdichte. Durch die Realisierung eines GIS-MCDA wurde das Land in geeignete und ungeeignete Gebiete eingeteilt. Mit dieser Methode wurden 61 % des Landes als geeignet für die Beckeninfiltration befunden. Gut eingestufte Gebiete liegen hierbei größtenteils im Norden und im Nordwesten. Das Ranking-Verfahren des Landes mit Hilfe einer GIS-MCDA-Methode ist eine erste Vorgehensweise zur Bestimmung weiterer Forschungsgebiete. In der zweiten Forschungsstufe wurde die Machbarkeit eines MAR-Projekts im Machuca-Einzugsgebiet untersucht. Dieses Flussgebiet wurde aus folgenden Gründen gewählt: Die Trinkwasserversorgungsanlagen erfüllen die tatsächliche Nachfrage nicht, weshalb es auch im Interesse der Regierung liegt, nach Alternativen für die Wasserversorgung zu forschen. Darüber hinaus ist die Region geologisch gut erschlossen und die Informationsdichte ist ausreichend hoch. Um die Realisierbarkeit eines MAR-Projektes im Einzugsgebiet zu bewerten, wurde die erste Stufe der Machbarkeitsbewertung anhand der Checkliste an fünf kritischen Elementen durchgeführt: 1) ausreichende Nachfrage, 2) angemessene Wiederaufladungsquelle, 3) geeigneter Grundwasserleiter, 4) Raum für Maßnahmen und 5) Humanressourcen. Um die Analyse des gesamten Flusseinzugsgebietes zu vereinfachen, wurde es in fünf Bereiche eingeteilt, die auf den oberflächennahen Grundwasserständen basieren. Es wurde der Schluss gezogen, dass ein MAR-Projekt in diesem Flussgebiet an den Standorten Coyolar und Orotina nachhaltig erscheint. In Bezug auf die MAR-Technik, die in einem MAR-Projekt am Machuca-Flussbecken angewendet werden soll, wurden Überlegungen angestellt hinsichtlich der zuvor ermittelten Eignung und der örtlichen Gegebenheiten. Zunächst wurde der gesamte Machuca-Fluss aufgrund der Ergebnisse der Länderanalyse als geeignet für die Oberflächeninfiltration eingestuft. Die Coyolar- und Orotina-Standorte wurden mit einer moderaten Eignung eingestuft. Weiterhin wurde festgestellt, dass die für die Grundwasseranreicherung geeignetste Formation die Kies- und Bruchlavenlagen darstellen, die sich unter einer Tonschicht befinden. Aus diesen beiden Gründen (moderate Eignung für Beckeninfiltration, und lokale Hydrogeologie) wurde entschieden, dass MAR-Techniken mit direkter Injektion (Aquifer Storage and Recovery - ASR) für diese beiden Standorte geeigneter sind. In der kleinsten Untersuchungsskala wurde der Einfluss der Filterlänge auf die Injektionsrate für einen freien Grundwasserleiter unter kontrollierten Laborbedingungen bestätigt. Dies ist eines der ersten Experimente zu diesem Thema nach bestem Wissen des Autors. Eines der Hauptergebnisse der Laborforschung ist der fast vernachlässigbare Effekt auf die Injektionsrate bei Filterlängen von über 80 % der gesättigten Mächtigkeit in einem freien Grundwasserleiter. Die Wirkung auf die Filterlänge ist bei der Injektionsrate für offene Filterlängen unter 80 % der gesamten Grundwasserleiterhöhe (95 % der maximal erreichbaren Injektionsrate) und bei offenen Filterlängen unter 40 % (90 % der maximal erreichbaren Injektionsrate). Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird empfohlen, eine Filterlänge von 40 % der gesättigten Grundwasserleiterhöhe für ASR-Brunnen und 80 % für Injektionsbohrungen zu verwenden. Die vorliegende Bewertung zeigt, dass MAR-Techniken für die Umweltbedingungen in Costa Rica gut geeignet sind. Darüber hinaus demonstriert die Bewertung auf der Einzugsgebietsebene MAR als eine Lösung zur Überwindung von Wasserknappheitsproblemen. Die Grundwasserleiter-Brunnen-Interaktionen im Labormaßstab zeigen vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Wirkung der Filterlänge auf die Injektionsrate. Dennoch ist auf diesem Gebiet mehr Forschung in Bezug auf andere Aquifertypen erforderlich. Basierend auf all diesen Erkenntnissen sind MAR-Techniken ein geeignetes Werkzeug für das integrierte Wassermanagement in der tropischen Umwelt. / La presión actual sobre los recursos hídricos es tal, que la escasez de agua es ahora un problema importante en áreas con abundantes recursos hídricos como las regiones tropicales. Estas regiones se caracterizan por altas tasas de precipitación casi durante todo el año. Esto da como resultado una disponibilidad relativamente grande de recursos hídricos. Sin embargo, estos recursos hídricos no siempre se distribuyen equitativamente en el tiempo y el espacio, lo que causa períodos y pone áreas bajo estrés hídrico en las regiones tropicales. Además de esto, el desafío también está relacionado con el acceso a estos recursos hídricos, lo que crea una disponibilidad reducida en términos generales. Costa Rica es un claro ejemplo de un país en las regiones tropicales, donde la escasez de agua se encuentra en lo más alto de la agenda del agua. Costa Rica está situada en la región tropical tórrida de América Central, sin embargo, experimenta períodos de escasez en sus recursos hídricos disponibles al final de la estación seca. Esto afecta a todos los sectores de agua, especialmente a la agricultura y a los sistemas de suministro de agua potable. Esta situación ha sido magnificada por el cambio global, con una mayor demanda de recursos por el crecimiento de la población, la impermeabilización de las áreas de recarga por la urbanización y la reducción de recursos debido al cambio climático. Para adaptarse a esta situación, es necesario llevar a cabo una evaluación sistemática de las herramientas de gestión del agua adecuadas para las condiciones ambientales del país. Este trabajo se centra en una de estas herramientas: la gestión de la recarga acuíferos gestionados (MAR). Las técnicas de MAR son un enfoque prometedor para abordar los problemas previamente definidos, almacenando el exceso de recursos hídricos disponibles durante la estación lluviosa en sistemas acuíferos adecuados para su uso posterior en la estación seca. Las técnicas de MAR presentan ciertas ventajas en comparación con el almacenamiento en superficie: menos pérdidas por evaporación y menor demanda de área superficial, entre otras. Con el fin de determinar si las técnicas de MAR son adecuadas para Costa Rica y ayudarán a superar los desafíos temporales de escasez de agua, se investigaron tres temas principales a diferentes escalas. Primero, en una escala de país, la búsqueda de áreas adecuadas para técnicas específicas de MAR en el país se realizó con base en criterios físicos. En segundo lugar, la escala de investigación se reduce a un nivel de cuenca. Para este caso, se realizó la evaluación de un proyecto de MAR basado en la primera etapa de las directrices australianas de MAR. Esta consiste en una lista de verificación de cinco elementos críticos, que constituye la base para la evaluación de un proyecto MAR. En tercer lugar, la investigación se lleva a escala de laboratorio, donde la investigación se centra en los pozos de inyección en un sistema acuífero no confinado. Para el primer tema, las áreas adecuadas para la implementación de los métodos de infiltración de la MAR se identifican en Costa Rica mediante un enfoque de ciencia la información geográfica y análisis de decisión multicriterio (SIG-MCDA). Esto se basa en cuatro criterios: geoaptitud hidrogeológica, pendiente del terreno, textura del suelo superior y densidad de la red de drenaje. Al realizar un GIS-MCDA, el país se clasifica en áreas adecuadas e inadecuadas. Con base en este método, el 61 % del país se consideró adecuado para métodos de infiltración. Las áreas adecuadas mejor clasificadas se encuentran en las regiones del norte y noroeste del país. La clasificación del país según el potencial de los métodos de infiltración por medio de un método GIS-MCDA es un primer curso de acción para determinar otras áreas de investigación. En el segundo nivel de investigación, se evaluó la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca. Esta cuenca hidrográfica se eligió porque: los sistemas de suministro de agua potable no satisfacen la demanda real, existe un interés del gobierno en buscar nuevas alternativas de suministro de agua y hay suficiente información básica en esta cuenca hidrográfica. Para evaluar la factibilidad de un proyecto MAR en la cuenca, la primera etapa de la evaluación se realizó sobre la base de la lista de cinco elementos críticos: 1) demanda suficiente, 2) fuente de recarga adecuada, 3) acuífero adecuado, 4) espacio para tratar el agua y, 5) la capacidad humana. Para facilitar el análisis de toda la cuenca del río, se dividió en cinco localidades en función de los niveles de agua superficiales del acuífero. Se concluyó que un proyecto MAR parece viable en esta cuenca en las localidades Coyolar y Orotina. Con respecto a la técnica de MAR que se aplicará en un proyecto MAR en la cuenca del río Machuca, se tomaron dos consideraciones: la idoneidad previamente determinada y las condiciones locales. En primer lugar, todo el río Machuca se clasifica como adecuado para la infiltración superficial (método de infiltración MAR) en función de los resultados del análisis a escala de país. Las localidades Coyolar y Orotina se clasifican con una idoneidad moderada. En segundo lugar, el mejor material acuífero para la recarga en estos dos lugares son las fracturas lavas y aluviones ubicados bajo capas de arcilla. Se decidió que las técnicas de inyección directa MAR (almacenamiento y recuperación - ASR) serán más apropiadas para estas dos ubicaciones por estas dos razones (idoneidad de los métodos de propagación moderada y condiciones locales). En la escala de investigación más pequeña, el efecto de la longitud de la pantalla del pozo sobre la tasa de inyección para un acuífero no confinado se corroboró bajo condiciones de laboratorio controladas. Este es uno de los primeros experimentos sobre el tema según el mejor conocimiento del autor. Uno de los principales hallazgos de la investigación de laboratorio es el efecto casi nulo en la tasa de inyección para longitudes de pantalla superiores al 80 % del espesor saturado en un acuífero no confinado. El efecto en la longitud de la pantalla es apreciable en la velocidad de inyección para pantalla abierta inferior al 80 % del espesor total del acuífero (95 % de la máxima velocidad de inyección alcanzable) y aumenta para longitudes de pantalla abierta por debajo del 40 % (90 % de la máxima tasa de inyección alcanzable). En base a los resultados experimentales, se recomienda utilizar una longitud de malla del 40 % del espesor del acuífero saturado para los pozos ASR y del 80 % para los pozos de inyección. La presente evaluación muestra que las técnicas de MAR son adecuadas para las condiciones ambientales de Costa Rica. Más allá, la evaluación a nivel de cuenca muestra las técnicas de MAR como una solución para superar los problemas de escasez de agua. Las interacciones entre acuíferos y pozos a escala de laboratorio muestran resultados prometedores con respecto al efecto de la pantalla en la velocidad de inyección. Aun así, se necesita más investigación en este campo con respecto a otros tipos de acuíferos. Con base en todos estos hallazgos, las técnicas de MAR son una herramienta apropiada para la gestión integrada del agua en las regiones tropicales.

Global change is a major threat to local groundwater resources. Climate change and population growth are factors that directly or indirectly augment the increasing uptake of groundwater resources. To outbalance the pressure on aquifers, managed aquifer recharge (MAR) schemes are increasingly being implemented. They enable the subsurface storage of surplus water for times of high demand. The complexity of MAR schemes makes their planning and implementation multifaceted and requires a comprehensive assessment of the local hydrogeological and hydrogeochemical conditions. Despite the fact that MAR is a widely used technique, its implementation is not well regulated and comprehensive planning and design guidelines are rare. The use of supporting tools, such as numerical and physical models or geographic information systems (GIS), is rising for MAR planning but their scope and requirements for application are rarely reflected in the available MAR guidelines. To depict the application potential and the advantages and disadvantages of the tools for surface infiltration MAR planning, this thesis comprises reviews on the past use of the tools as well as suggestions to improve their applicability for MAR planning. GIS is not mentioned by most MAR guidelines as a planning tool even though it is increasingly being used for MAR mapping. Through a review of GIS-based MAR suitability studies, this thesis shows that the MAR mapping process could be standardized by using the often-applied approach of constraint mapping, suitability mapping by using pairwise comparison for weight assignment and weighted linear combination as a decision rule, and a subsequent sensitivity analysis. Standardizing the methodology would increase the reliability and comparability of MAR maps due to the common methodological approach. Thus, the proposed standard methodology was incorporated into a web GIS that simplifies MAR mapping through a pre-defined workflow. Numerical models are widely used for the assessment of MAR schemes and are included into some MAR planning guidelines. However, only a few studies were found that utilized vadose zone models for the planning and design of MAR schemes. In this thesis, a review and a subsequent case study highlight that numerical modelling has many assets, such as monitoring network design or infiltration scenario planning, that make its utilization during the MAR planning phase worthwhile. Consequently, this study advocates the use of vadose zone models for MAR planning by showing their potential areas of application as well as their uncertainties that need to be regarded carefully during modelling. Physical models used for MAR planning are typically field or pilot sites, as some MAR legislation requests pilot sites as part of the preliminary assessment. Laboratory experiments are used less often and are mostly restricted to the analysis of very specific issues, such as clogging. This thesis takes on the issue of scaling laboratory results to the field scale by comparing results from three physical models of different scales and dimensionality. The results indicate that preferential flow paths, air entrapment and boundary influence limit the quantitative validity of laboratory experiments. The use of 3D tanks instead of 1D soil columns and the application of statistical indicators are means to increase the representativeness of laboratory measurements. Nevertheless, physical models have the potential to improve MAR planning in terms of detailed process assessment, scenario and sensitivity analyses. All tools discussed in this thesis have their merits for MAR scheme planning and should be advocated better in MAR guidelines by depicting their application potential, advantages and disadvantages. The information accumulated in this thesis is a step towards an advanced use of supporting tools for the planning and design of MAR schemes.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 Appendix / Der globale Wandel stellt eine große Bedrohung für die lokalen Grundwasserressourcen dar. Klimawandel und Bevölkerungswachstum sind Faktoren, die, direkt oder indirekt, die zunehmende Nutzung von Grundwasserressourcen verstärken. Um diesen Druck auf die Grundwasserleiter auszugleichen, werden verstärkt Maßnahmen zur gezielten Grundwasserneubildung (managed aquifer recharge = MAR) durchgeführt. Dies ermöglicht die unterirdische Speicherung von überschüssigem Wasser für Zeiten hohen Bedarfs. Die Komplexität von MAR-Anlagen macht ihre Planung und Umsetzung kompliziert und erfordert eine umfassende Bewertung der lokalen hydrogeologischen und hydrogeochemischen Bedingungen. Trotz der weltweiten Implementierung von MAR ist dessen Planung wenig reguliert. Umfassende Planungs- und Gestaltungsrichtlinien sind rar. Der Einsatz unterstützender Werkzeuge, wie numerischer und physikalischer Modelle oder Geoinformationssysteme (GIS), nimmt bei der MAR-Planung zu, aber ihre Einsatzmöglichkeiten und ihre Anforderungen an die Anwendung spiegeln sich selten in den verfügbaren MAR-Richtlinien wider. Um das Anwendungspotential und die Vor- und Nachteile der Werkzeuge für die MAR-Planung darzustellen, wurden für diese Arbeit Recherchen über den bisherigen Einsatz der Werkzeuge durchgeführt. Zusätzlich wurden Vorschläge zur Erhöhung ihrer Anwendbarkeit für die MAR Planung gemacht. Der Schwerpunkt lag dabei auf Oberflächeninfiltrationsverfahren. GIS wird in keiner MAR-Richtlinie als Planungsinstrument erwähnt, obwohl es zunehmend für die MAR-Kartierung eingesetzt wird. Eine Recherche über GIS-basierte MAR-Eignungsstudien zeigte, dass der MAR-Kartierungsprozess standardisiert werden kann mittels des oft genutzten Ansatzes: initiales Ausschneiden von Gebieten, welche Restriktionen unterliegen, dem folgend die Eignungskartierung mittels Paarvergleich für die Wichtung der GIS-Karten und der gewichteten Linearkombination als Entscheidungsregel, sowie eine abschließende Sensitivitätsanalyse. Die Standardisierung der Methodik könnte die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit von MAR-Karten aufgrund des gemeinsamen methodischen Ansatzes erhöhen. Daher wurde die standardisierte Methodik in ein Web-GIS integriert, das über einen definierten Workflow die MAR-Kartierung vereinfacht. Numerische Modelle werden häufig für die Beurteilung von MAR-Systemen verwendet und sind in einigen MAR-Planungsrichtlinien ausgewiesen. Es wurden jedoch nur wenige Studien gefunden, die die Modelle der ungesättigten Zone für die Planung und Gestaltung von MAR Standorten verwendeten. Die in dieser Arbeit durchgeführte Literaturrecherche und eine darauf aufbauende Fallstudie zeigen, dass die numerische Modellierung viele Vorteile bietet, wie z. B. beim Design eines Monitoring-Netzwerkes oder bei der Planung von Infiltrationsszenarien. Physikalische Modelle, die für die MAR-Planung verwendet werden, sind meist Feld- oder Pilotversuche, da einige MAR-Gesetzgebungen Pilotstandorte im Rahmen der Vorabbewertung verlangen. Laborexperimente werden seltener eingesetzt und beschränken sich meist auf die Analyse sehr spezifischer Fragestellungen, wie z.B. der Kolmatierung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Skalierbarkeit von Laborergebnissen auf die Feldskale, indem sie Ergebnisse aus drei physikalischen Modellen verschiedener Maßstäbe und Dimensionen vergleicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Makroporen, Lufteinschlüsse und der Einfluss der Randbedingungen die quantitative Aussagekraft von Laborversuchen einschränken. Der Einsatz von 3D-Tanks anstelle von 1D-Bodensäulen oder von statistischen Indikatoren ist ein Mittel zur Erhöhung der Repräsentativität von Labormessungen. Nichtsdestotrotz hat die Anwendung physikalischerModelle das Potenzial, die MAR-Planung in Bezug auf detaillierte Prozessbewertung, Szenarien und Sensitivitätsanalysen zu unterstützen. Alle beschriebenen Instrumente haben ihre Vorzüge bei der Bewertung von MAR-Anlagen und sollten in MAR-Richtlinien detaillierter berücksichtigt werden, indem ihr Anwendungspotenzial, ihre Vor- und ihre Nachteile dargestellt werden. Die für diese Arbeit zusammengestellten Informationen sind ein Schritt zur Förderung der beschriebenen Planungsinstrumente für die Planung und Gestaltung von MAR-Anlagen.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 Appendix

Costa Rica’s annual mean precipitation is above 3300 mm, but this precipitation is not evenly distributed in time or space, producing clear differentiated wet and dry seasons in most of the country. Droughts are also common phenomena which greatly affect the availability of water resources. Managed aquifer recharge (MAR) schemes are being taken into consideration to enhance the underground water storage capacity of the country. The present study constitutes the first assessment for the identification of suitable sites for the implementation of MAR technology spreading methods (SM) in Costa Rica. The suitable sites are identified by means of a geographic information system multi-criteria decision analysis (GIS-MCDA) based on four criteria: hydrogeological aptitude, terrain slope, top soil texture and drainage network density. Four steps are performed in order to identify these sites: problem definition, screening for suitable areas, suitability mapping, and sensitivity analysis. The suitability map was divided in two zones after the screening: suitable and unsuitable, the first zone was further divided in five classes according to the weighted linear combination (WLC) ranking. The results indicate that 61% of the country is suitable for conducting SM. This map is a tool for future implementation of MAR techniques in the country.

Costa Rica’s annual mean precipitation is above 3300 mm, but this precipitation is not evenly distributed in time or space, producing clear differentiated wet and dry seasons in most of the country. Droughts are also common phenomena which greatly affect the availability of water resources. Managed aquifer recharge (MAR) schemes are being taken into consideration to enhance the underground water storage capacity of the country. The present study constitutes the first assessment for the identification of suitable sites for the implementation of MAR technology spreading methods (SM) in Costa Rica. The suitable sites are identified by means of a geographic information system multi-criteria decision analysis (GIS-MCDA) based on four criteria: hydrogeological aptitude, terrain slope, top soil texture and drainage network density. Four steps are performed in order to identify these sites: problem definition, screening for suitable areas, suitability mapping, and sensitivity analysis. The suitability map was divided in two zones after the screening: suitable and unsuitable, the first zone was further divided in five classes according to the weighted linear combination (WLC) ranking. The results indicate that 61% of the country is suitable for conducting SM. This map is a tool for future implementation of MAR techniques in the country.

Dans un contexte global d'augmentation de la population, les réserves en eau des nappes phréatiques sont de plus en plus sollicitées. Pour pallier à cette exploitation, des systèmes d’infiltration artificiels ont été mis en place pour recharger les nappes avec de l’eau de surface. Néanmoins, ces systèmes subissent des pertes d’efficacité liées au colmatage du support d’infiltration par des processus physiques, chimiques ou biologiques. Face à ce phénomène, le travail de thèse a pour but de tester la faisabilité d’une technique d’ingénierie écologique par introduction d’un gastéropode, V. viviparus, pour limiter le colmatage de l’interface eau/sédiment de bassins d’infiltration utilisés pour recharger artificiellement l’aquifère sous-jacent au Rhône. Par des approches expérimentales, deux volets ont été abordés, (1) la dynamique des interactions biofilm/brouteur et les conséquences sur l’état physiologique du gastéropode et (2) la dynamique des interactions biofilm/gastéropode et les conséquences sur les propriétés hydrauliques et écologiques de l’interface eau/sédiment. Les résultats ont mis en évidence que (1) V. viviparus pouvait se maintenir dans les bassins d’infiltration aux différentes saisons, (2) V. viviparus pouvait limiter le colmatage biologique de l’interface eau/sédiment soit par ses actions trophiques (broutage), soit par des actions physiques (déplacement, pelletisation) et (3) V. viviparus n’a pas eu d’effet positif sur l’infiltration lorsque le colmatage était chimique. Pour conclure, V. viviparus apparait comme un bon candidat pour des solutions d’ingénierie écologique visant à restaurer des interfaces eau/sédiment, colmatées par un biofilm phototrophe. Ce travail ouvre des perspectives sur l’utilisation de solutions basées sur la nature à plus large échelle spatiale (e.g. pilote) et à des milieux naturels comme les zones humides / With the global increase of the population, groundwater reserves are increasingly exploited. To circumvent this problem, managed aquifer recharge systems using surface water are used worldwide. Nevertheless, the hydraulic performance of these systems is often altered by physical, chemical or biological clogging. This work aim to test the sustainability of ecological engineering solution based on the introduction of the gastropod, V. viviparus, to attenuate the clogging of the water/sediment interface of infiltration basins use for the recharge of the Rhône river aquifer. Two sections have been addressed with experimental approaches, (1) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the physiological state of the gastropod and (2) dynamic of biofilm/grazer interaction and its consequences on the hydraulic and ecological properties of the water/sediment interface. Results show that (1) V. viviparus is able to survive in the infiltration basins at contrasted seasons, (2) V. viviparus can attenuate the biological clogging of the water/sediment interface, ether by trophic interaction (grazing) or physical actions (crawling activity, pelletization), and (3) V. viviparus has no positive effect on infiltration in case of chemical clogging. To conclude, V. viviparus appears to be a good candidate for ecological engineering solutions aiming to preserve and restore water/sediment interface impacted by biological clogging. This work provides useful information for the study of natured based solutions at larger scale (experimental pilot) and in natural ecosystems as wetlands

This research project focuses on the Walla Walla River Basin located on the east side of the states of Oregon and Washington, USA. With the support and collaboration of the Walla Walla Basin Watershed Council, this work embraces four research topics. The first topic includes the feasibility study of artificial aquifer recharge in the Walla Walla Basin. Through development and application of a regional hydrological model, a methodology for evaluating locations of artificial aquifer recharge is presented with a test case. The second research topic evaluates the recharge rates observed from pilot test studies of artificial aquifer recharge. Scale dependence of recharge rates should be considered when excessive induced groundwater mounding forms beneath the infiltrating basins. The third topic utilizes groundwater tracers and simulation models to evaluate the hydraulic connection of springs to infiltrating basins of artificial aquifer recharge. Finally, the fourth topic as a proof of a technique, utilizes distributed temperature sensing technology with a pair of black and white coated fiber optic cables to estimate the effective exposure to solar radiation over the Walla Walla River. / Graduation date: 2013

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[Truncated abstract] Managed Aquifer Recharge (MAR) is a technique that can be used to capture and store water in aquifers for later reuse. This method recycles water that would normally be lost or discarded to the environment. MAR has been observed to have the potential for improving the quality of recharged water through a combination of physical, chemical and biological processes. The aim of this study was to investigate the changes in groundwater microbial population structure during MAR and the major influences that drive these population changes. Biogeochemical MAR studies have the potential to assist in the improved prediction of the removal of contaminants such as nutrients, pathogens and trace organics from the recharged water. Biological clogging during recharge also has the potential to overwhelm an aquifers ability to process wastewater thus reducing the hydraulic conductivity of the aquifer. Therefore further research into the spatial and temporal biogeochemical processes that occur during MAR is required. The geochemical and microbial population dynamics of two contrasting MAR techniques were investigated at two different geographical locations (Perth, Western Australia and Adelaide, South Australia). These MAR sites contained aquifers of dissimilar properties that were recharged with wastewater that contrasted in water quality. The Perth MAR site received secondary treated effluent which continuously infiltrated the unsaturated zone into an unconfined aquifer aided by infiltration galleries. Reclaimed water was extracted from a well at distance from the infiltration gallery. ... Notably the background and recovered water was most dissimilar in microbial and chemical population structure to that described for the infiltration gallery and injection well. Microbial and chemical evidence suggested that the background and extraction well groundwater were unaffected by plume migration. These results suggested that extraction well groundwater was similar in quality to that of ambient groundwater. Significant geochemical and microbial changes of secondary treated effluent during infiltration and lateral movement through aquifer were implicated in addition to the forced hydraulic gradient created from extracting fives time the volume of infiltrating wastewater. This study demonstrated that microbial populations and the geochemical processes associated with MAR can be studied and compared. Multivariate statistical methodology greatly simplified a vast array of dynamic biogeochemical information that could be dissected for meaningful interpretation over distance and time. The study evaluated the major biogeochemical influences which resulted in microbial and geochemical changes where it was noted that microbial populations were more dynamic than geochemical variation over time. Additionally biogeochemical comparative analysis indicated that microbial populations could change in population structure before a shift in aquifer geochemistry was detected. It is anticipated that the results from this study will benefit further research into the biogeochemical processes involved in water quality changes (e.g. nutrient removal, pathogen decay and biodegradation of trace organics) as well as controlling biological clogging of MAR schemes.