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Ziel der Arbeit ist es, ein genaueres Prozessverständnis zur Abflussbildung an Hängen auf der Basis der räumlichen Verbreitung periglazialer Deckschichten zu erhalten. Das Untersuchungsgebiet ist ein 6 ha großes, forstlich bewirtschaftetes Quelleinzugsgebiet im Osterzgebirge. Das anstehende Gestein ist Gneis. Der oberflächennahe Untergrund ist aus zwei- und dreigliedrigen Deckschichten zusammengesetzt. Auf der Punkt-, Hang- und Kleineinzugsgebietsskala werden hydrometrische, hydrochemische und geoelektrische Methoden sowie Färbeversuche eingesetzt, um auf die dominierenden Abflussbildungsprozesse schließen zu können. Aus der Synthese der Teilergebnisse werden drei typische Prozessabläufe in Abhängigkeit von der Gebietsvorfeuchte abgeleitet. Diese verdeutlichen, dass bei geringer Vorfeuchte Sättigungsoberflächenabfluss im Quellsumpf vorherrscht, bei mittlerer bis hoher Vorfeuchte dagegen Zwischenabfluss der dominierende Abflussprozess ist. Die Abflusswirksamkeit der Niederschläge steigt zudem mit zunehmender Vorfeuchte nichtlinear an. Es wird herausgestellt, dass die hydraulisch anisotropen Eigenschaften der Basislage entscheidend die oberflächennahen Fließwege des Wassers beeinflussen. Sie besitzt durch ihre hohe Lagerungsdichte einerseits vertikal wasserstauende Eigenschaften. Andererseits kann Wasser, begünstigt durch das dominant sandige Substrat und das hangparallel eingeregelte Bodenskelett innerhalb der Schicht bevorzugt lateral geleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung der Eigenschaften der periglazialen Deckschichten für die Abflussbildung an Mittelgebirgshängen. / The aim of this study is to contribute to the understanding of runoff processes on slopes based on the spatial distribution of periglacial cover beds. The study area is a 6 ha large forested spring catchment in the Eastern Ore Mountains, Saxony. Bedrock is gneiss overlain by periglacial cover beds comprising two or three layers. On plot, hillslope and small-catchment scales hydrometrical, hydrochemical and geoelectrical methods as well as tracer experiments are used to determine the constitutive runoff processes. From the synthesis of partial results, three pre-moisture controlled process cycles are derived. With low pre-moisture, saturation overland flow dominates in the spring bog. In contrast, with medium or high pre-moisture interflow occurs. Besides, with rising pre-moisture runoff coefficients increase in a non-linear manner. It is emphasised that the hydraulic anisotropic structure of the Basal Layer is the major control factor for subsurface water-flow paths. On the one hand, this layer acts as an aquitard for seeping water because of its high bulk density. On the other hand, water within the layer is able to flow laterally because of the sandy texture and the coarse clasts oriented parallel to the slope. These findings highlight the importance of relic periglacial cover beds for runoff generation in subdued mountains.

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

Im Grundwasser mobile Feststoff-Partikel stehen im Verdacht, den Transport schwerlöslicher Schadstoffe zu begünstigen. Die Partikel-Konzentration im Wasser lässt sich aber nur mittels einer aufwändigen Probenahme bestimmen. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit Feld- und Laborversuche durchgeführt. In Feldversuchen zur Probenahme wurde festgestellt, dass für eine Stabilisierung der Partikel-Anzahl-Konzentration (CN in Partikel>Nachweisgrenze/L) die Dauer der Probenahme ausschlaggebend ist, nicht das insgesamt geförderte Volumen. Eine hohe Förderrate hat dabei nicht automatisch eine stärkere Mobilisierung von Partikeln aus dem Partikel-Depot im Umfeld der Messstelle zur Folge, wie es häufig postuliert wird. Die Gewinnung einer repräsentativen Partikelprobe macht eine Probenahme-Dauer von mindestens 5, häufig sogar über 10 oder 12 Stunden erforderlich. Empfehlungen zur Probenahme wurden erarbeitet. Es wurde aber festgestellt, dass sich stabilisierte Werte für CN als Funktion der Förderdauer (t in min) nach CN = a ? t^(-½) ungefähr abschätzen lassen, wenn der Parameter a über CN nach ca. 60 Minuten ermittelt wird. Bei Wässern mit Sauerstoff-Konzentrationen über ca. 1 mg/L kann überdies auch die Verteilung der Partikel auf einzelne Größenklassen bereits nach dieser Zeit ermittelt werden; bei sauerstoffärmeren Wässern verändert sie sich später noch. Angesichts einer starken Variation von CN einer Messstelle ist es generell aber nur möglich, eine Größenordnung für die Hintergrundkonzentration anzugeben. Von Messstelle zu Messstelle sind große Unterschiede bei CN festzustellen. Die Konzentration ist dabei nicht eindeutig abhängig von der Lithologie des Grundwasserleiters oder der Zusammensetzung des Grundwassers. Allerdings konnte eine schwache Korrelation mit dem Redox-Potential (Eh in mV) des Wassers gefunden werden (CN = 1,8?10^6?e^( 0,0087?Eh) [Partikel>2,58µm/L]; r² ≈ 0,46). Hierüber besteht die Möglichkeit, CN eines Grundwassers auch ohne Partikelmessung abzuschätzen. Insgesamt bewegen sich die Partikel-Massen-Konzentrationen (C in mg/L) der beprobten Wässer meist im Bereich von <1 mg/L, öfters sogar <0,1 mg/L, wenn die im Verlaufe von Probenahme und Messung ausgefällten Fe- und Mn-Oxide nicht berücksichtigt werden. Solche Konzentrationen sind vermutlich kaum in der Lage, relevante Mengen selbst sehr hydrophober Schadstoffen aufzunehmen und zu transportieren. Versuche mit Phenanthren ergaben zudem, dass es anscheinend weniger an bereits in Suspension befindliche Partikel sorbiert, sondern vielmehr in sorbiertem oder kristallinen Zustand aus dem Depot erodiert wird. In Laborversuchen wurde weiter gezeigt, dass in natürlichen Sedimenten ein großes Depot mobilisierbarer Partikel vorhanden ist, das Partikel über einen sehr langen Zeitraum kontinuierlich abgeben kann. Durchbruchsversuche ergaben außerdem, dass ein Großteil zugegebener Partikel bei der Passage durch eine Sedimentprobe zurückgehalten und nur sehr allmählich wieder abgegeben wird. Allerdings war auch ein schneller (präferentieller) Durchbruch zu verzeichnen. In Modellrechnungen konnte gezeigt werden, dass sich ein solcher Partikeltransport weder über eine Filterfunktion noch über die Transportgleichung zufrieden stellend berechnen lässt. Daher ist es nötig, einerseits einen bevorzugten Transport und andererseits eine starke Retardation zu berücksichtigen. Letzteres kann am besten über verschiedene Retardationsfaktoren oder ein dynamisches Partikel-Depot mit Anlagerungs- und Ablösungskonstanten geschehen. / Solid particles that are mobile in groundwater are suspected to enhance the transport of hardly soluble contaminants. But particle concentrations in water can only be measured using time-consuming sampling-procedures. On this background field- and laboratory-experiments were conducted in this work. In field experiments on sampling it turned out, that sampling time is crucial for stabilizing particle number-concentration (CN in particles>detection limit/L), not the volume sampled. A high sampling rate does not -as often argued- automatically result into higher mobilization of particles from the particle-depot in the vicinity of the sampling-well. Obtaining a representative particle sample requires a sampling-time of at least 5, often even more than 10 or 12 hours. In this work recommendations on sampling are given. It was noticed that stabilized values of CN can be estimated as function of sampling time (t in min) by CN = A ? t^(-½), if parameter A is calculated using CN after about 60 minutes. In waters having oxygen-concentrations above approximately 1 mg/L even distribution of the particles into size classes can be estimated after this time; in oxygen-poor waters size-distributions stabilized much later. Because of strong variations of CN in a single measuring well it is generally only possible to give the magnitude of the background-particle-concentration. But among several measuring wells CN may differ by several magnitudes. The concentrations do neither definitely depend upon the lithology of the aquifer nor on the groundwater-composition. But a weak correlation to the redox-potential (Eh in mV) can be found (CN = 1.8 ? 10^6 ? e^( 0.0087 ? Eh) [particles>2.58µm/L]; r² ≈ 0,46). Using this connection it is possible to estimate a magnitude of CN of a groundwater without even measuring particles. Over all particle mass-concentrations (C in mg/L) of all sampled groundwaters were almost always <1 mg/L, often even <0.1 mg/L, at least if iron- and manganese-oxides that precipitated during measurements were ignored. Such particle concentrations are probably hardly capable of adsorbing and carrying relevant amounts of contaminants, even very hydrophobic ones. Experiments using phenanthrene in contaminated sand additionally showed that it is probably hardly adsorbed onto already suspended particles, but mostly eroded from the particle depot in adsorbed or crystalline state. In laboratory experiments it was further shown that there is a huge depot of mobilizable particles in natural sediments that can continually release particles over a very long period of time. Break-through-experiments showed in addition that a large part of particles fed into the system are retained during the passage through a sediment sample and that they are re-released only very slowly. However, there also was a fast (preferential) break-through. In model calculations it could be shown that such a particle transport can neither be sufficiently described by the filter-function nor by the transport equation. Because of that it is necessary to take into consideration a preferential transport on the one hand and a strong retardation on the other. The last one can at the best be described by several retardation-factors or a dynamic particle-depot having constant attachment- and detachment rates.

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Hydrosystems are important elements of the hydraulic cycle. With population growth and climatic change impacting water resources, the existing water transport systems need to be reproduced in order to optimize the usage of the precious water resources. The individual flow process i.e. unsaturated soil flow and groundwater flow in porous and fractured media can be expressed by partial differential equations mathematically. The numerical models are generally used to give solutions of these equations with specific conditions. In this work, the numerical solutions are carried out using the scientific software OpenGeoSys (OGS) based on the finite element method. The complex geometrical structure model domain can be imported into the numerical model with an implemented graphical interface. A GIS based relational database model GeoHydroDataBase (GHDB) designed to create a specialized set of geo- and hydro-objects is integrated with the numerical model. The multi-field and detailed computational hydrosystem analysis methodology is applied to Meijiang catchment and Nankou site respectively. As an application, the case study for the Meijiang area with the focus on surface/subsurface water interaction and the recharge response from surface infiltration to groundwater with different time series discretization. In the Nankou case study, a 3-D regional groundwater flow model is developed. The hydrogeological system is reproduced according to sparsely distributed boreholes data. The model calibration and sensitivity analysis are accomplished with inverse methods by applying a model independent parameter estimation system (PEST). The results of the calibrated model show reasonable agreements with observed water levels. The transient groundwater flow simulations reflect the observed drawdown of the last 9 years and show the formation of a depression cone in an intensively pumped area. The well calibrated 3-D groundwater model provides hydrogeological parameters and lateral fluxes from the adjacent mountain area for the following transport modeling and remediation scenarios analysis. In this study the method of capture zone type curves is used to estimate the pumping rate and the number of pumping wells needed for the contaminated aquifer cleanup. The analytical solutions of drawdown at the pumping wells (for both single pumping well and double wells) are compared with those calculated from the numerical model.