Die Schriftenreihe gibt in 11 Fachbeiträgen die Ergebnisse aktueller Projekte und Forschungsvorhaben des LfULG wieder. Die Themen sind breit gefächert und beinhalten beim Grundwasser die Nitratbelastung an der Wasserfassung Diehsa, das Vorhaben eines digitalen Hydroisohypsenplanes in Sachsen, Sensor- und Thermo-Flowmetermessungen für den Ersatz von Grundwasseraufschlüssen sowie Informationen zum Projekt KLIWES mit Abschätzung der Auswirkungen der Klimaveränderungen auf den Wasserhaushalt in Sachsen. Die Themen des Altlastenbereiches umfassen neben dem Sächsischen Altlastenkataster die Schwerpunkte Sickerwasserprognose, Resorptionsverfügbarkeit von Schadstoffen aus Böden der Erzgebirgsregion, die Flutung der Grube Königstein und Informationen zum Projekt SUMATECS zur Anwendung sanfter Sanierungsverfahren. Die Vernetzung der einzelnen Fachdisziplinen wie z. B. bei Klimaänderungen oder der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) spielt dabei eine immer größer werdende Rolle. »Grundwasser - Altlasten aktuell« erscheint mit dieser Ausgabe erstmals als Heft der Schriftenreihe.

Veränderungen des Klimas, zunehmende Grundwassernutzungen sowie die Verdichtung der städtischen Strukturen wirken sich auf Temperaturen, Mengenbilanzen und den Wasserspiegel des Grundwassers aus. Schon heute lassen sich anthropogene Einflüsse wie tief liegende Gebäudestrukturen und Einleitungen von Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf das Temperaturniveau des Grundwassers nachweisen. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Auswirkungen dieser natürlichen und anthropogenen Effekte in Dresden und die Aufstellung von Ansätzen eines Grundwasser-Temperaturmanagements. Auf der Grundlage aktueller Daten zu Grundwassernutzung und zur Grundwasserneubildung wurden Ist-Zustands-Berechnungen sowie Projektionen künftiger Systemzustände mit dem Grundwassermodell Dresden realisiert. Aufgrund des von TESCH (2013) in Szenarienberechnungen projizierten Rückgangs der Grundwasserneubildung um ca. zwei Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts ist ein deutlich geringeres Grundwasserdargebot zu erwarten. Defizite in der Grundwasserbilanz werden jedoch durch einen höheren Anteil an Uferfiltrat zum Teil ausgeglichen. Wesentlich ist, dass in den Szenarienberechnungen die maximale Entnahmemenge einen größeren Einfluss auf die Grundwasserbilanzen ausübt als der projizierte Rückgang der Grundwasserneubildung. Die Gewinnung von ausreichend Grundwasser für die Deckung des Trink- und Brauchwasserbedarfs von Bevölkerung, Gewerbe und Industrie scheint auch künftig sicher. Wärmeeinträge in das Grundwasser wurden anhand von Daten aus Stichtagsmessungen der Jahre 2009 und 2011 (FUGRO HGN; 2009 und SCHOLZ UND LEVIS, 2011) identifiziert. Hierbei konnte eine Reihe von Temperaturanomalien im Stadtgebiet den Quellen eindeutig zugeordnet werden. Anhand der Untersuchung von drei Teilgebieten zeigte sich, dass das Temperaturniveau des Grundwassers im Stadtzentrum (Teilgebiet Altstadt) gegenüber den anderen untersuchten Teilgebieten (Elbbogen Übigau und Johannstadt/Striesen) erhöht ist, was zuerst auf die Vielzahl von Bauwerken zurück geführt wird, die bis in das Grundwasser reichen. Des Weiteren zeigte sich ein deutlicher Zusammenhang von Messstellendichte und Ergebnisqualität. Während in der Altstadt die Identifikation von Wärmequellen gut möglich war, sind die Ergebnisse zu anderen Teilgebieten aufgrund der deutlich geringeren Messstellendichte weniger belastbar. Temperaturen im Boden und in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle in der Dresdner Altstadt wurden über einen Zeitraum von ca. 2 Jahren ausgewertet. Die Untersuchungen belegen die Durchprägung des Jahresgangs der Lufttemperatur bis zum Grundwasser mit einer zeitlichen Verzögerung des Eintreffens der Extremwerte von ca. drei Monaten. Mit den Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass das gleichzeitig angewendete Verfahren der Messung von Temperaturen in der Luftsäule einer Grundwassermessstelle zur Identifizierung der vertikalen Temperaturverteilung im Boden praktisch anwendbar ist. Der Wärmetransport im Boden wurde mit dem Programm HYDRUS 1-D für den Ist-Zustand auf Basis der Bodentemperaturmesswerte und für die Zukunftsszenarien auf der Basis von WETTREG 2010-Daten abgebildet. Die Berechnungen ergaben im Vergleich zum Ist-Zustand erhöhte Bodentemperaturen. Besonders interessant ist, dass die Änderungssignale der Bodentemperaturen für alle berechneten Tiefen bei den Minima deutlicher ausfallen als bei den Maxima. Des Weiteren zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den Berechnungsergebnissen der beiden untersuchten Zeitscheiben (2021 bis 2050 und 2071 bis 2100). Die höheren Bodentemperaturen im Winter bieten gegebenenfalls Ansatzpunkte zur Nutzung dieses Wärmeangebots, die erhöhten Temperaturen im Sommer können gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Temperaturen des Wassers in Abschnitten des Trinkwassernetzes mit zeitweise größeren Aufenthaltsdauern führen. Die gefundenen Ergebnisse implizieren zudem künftig höhere Grundwassertemperaturen. Die Auswirkungen von Wärmeeinträgen auf das Grundwasser wurden mit Hilfe von MODFLOW/SEAWAT-Konzeptmodellen untersucht. Für den Ist-Zustand berücksichtigen diese Konzeptmodelle bereits Wärmeeinträge durch Gebäude und thermische Grundwassernutzungen (MIX, 2013). In den Szenarienberechnungen wurden projizierte erhöhte mittlere Lufttemperaturen aufgeprägt und weitere, zum Teil fiktive Nutzungen und Wärmeeinträge durch Gebäude implementiert. Die mit dem Anstieg der Lufttemperatur erwartete Erhöhung der mittleren Grundwassertemperatur und somit die Wirkung der natürlichen Anteile der Wärmeeinträge wird für die weniger anthropogen beeinflussten Grundwasserleiterabschnitte am deutlichsten. Die Modellergebnisse zeigen, dass unter den angenommenen Voraussetzungen mittlere Grundwassertemperaturen über 20°C nicht erreicht werden und modellgestützte Managementmaßnahmen für größere Grundwasserleiterabschnitte hinsichtlich der Bewertung energetischer Nutzungen des Grundwassers zielführend sind. Aufgrund des heutigen Standes der Forschungen zur Auswirkung von Wärmeeinträgen auf die Grundwasserqualität kann noch kein Handlungszwang abgeleitet werden, gleichsam fehlt ohne verbindliche Temperaturrichtwerte ein rechtlicher Rahmen. In der Klärung dieser Fragen, der verstärkten Wärmerückgewinnung aus dem Grundwasser und dem modellgestützten Grundwasserwärmemanagement sind zukünftige Aufgabenfelder der Grundwasserbewirtschaftung erkennbar. / Climate change, the rise of energetic groundwater use and the compact city structures cause an impact to the groundwater temperatures, groundwater quantity balance and the groundwater table. Today impacts of anthropogenic influences like deep basements of big buildings and the infiltration of heated or cooled water from groundwater using heat pumps were already detected. The target of this dissertation has been the investigation of these natural and anthropogenic effects in Dresden and planning steps for a groundwater temperature management. Basing on existing data of groundwater use and recharge in Dresden, a modelling of the recent and future system status scenarios with the three-dimensional model has been done. According to the latest results of the regional climate model WETTREG 2010 and a work by Tesch about the groundwater recharge until the end of the 21st Century, a significant reduction in resources are expected. Partly the balance deficit will be regulated by bank filtration. It is an important fact that the maximum discharge rate, which is larger than the permitted real use, has a bigger influence in the balance than the lower groundwater recharge. The water catchment to supply inhabitants and industrial units seems to be secure in the future. Heat impacts to the groundwater were detected by measurements in 2011 and 2012. With the results of these measurements anomalies of the temperature field and the emission points of heat inputs were distinctly located. Based on the investigation of three subareas, a higher level of groundwater temperatures in the city center (subarea Altstadt) compared to the other subareas (Übigau and Jogannstadt/Striesen) was detected. The reason of this fact is the multitude of big buildings which are reaching the aquifer. The investigation has also showed the relationship between the quantity of the measuring points and the quality of the results. In the subarea Altstadt an identification of heat inputs could be very well found. The results in the other subareas with a lower amount of sampling points have not the same level of validity. Information from time series over two years about soil and air column temperatures of a close-by groundwater measurement point were analyzed. The research documents the heat transport from the air to the groundwater with a retardation of the extreme values along about three months. With this analysis, the method of measurement air column temperatures in groundwater measurement points aiming to identify the vertical soil temperature distribution could be attested. The measured heat transport in the unsaturated soil was reproduced with the HYDRUS 1-D program. After this, future scenarios on the basic of WETTREG 2010 results were computed. The findings are higher soil temperature levels in the future with higher alteration signals in the minimum than in the maximum values. The modeling results have also showed a significant difference in the investigated time series (2021 - 2050 and 2071 - 2100). The higher temperatures in winter could be a chance to use this heat. In the summer it could partly affect parts of the water supply. Furthermore the findings implicate higher ground water temperatures in the future. To investigate heat impacts to the ground water concept, models of MIX (2013) were used for the heat transport in the aquifer which combines the heat impact of buildings and heat pumps with the natural air temperature rise. The WETTREG2010 result (air temperatures), heat inputs and possible new energetic groundwater use systems were implemented in the conceptual models. Results of the modeling has showed that the expected rise of the ground water temperature will be more significant for the less anthropogenic influenced parts of the urban aquifer than the parts with high initial level of heat pollution. In the model results, the temperatures do not reach mean values of 20°C (LAWA guideline). An important finding is also that these models could be used for a more efficient groundwater heat management and for the evaluation of energetic groundwater projects of its use. Because of the recent stand of research on the impacts of higher ground water temperatures to the ground water quality, a need for action can’t be indicated at the moment. At present there are no guideline values neither standard of law for the energetic use of groundwater. This facts and the question of heat recycling from the urban aquifer are fields for the groundwater management in the future.

Geosorption processes play an important role as retardation mechanism in subsurface transport of organic water constituents. Geosorption behaviour of Ionisable Hydrophobic Organic compounds (IHOCs) especially influence of dissolved natural organic materials on their sorption coefficients is poorly investigated. In this study influence of pH and NOM on the sorption of three different phenols (2-methyl-4,6-dinitrophenol, 2,4,6-trichlorophenol and pentachlorophenol) on a natural sandy aquifer material collected from a bank filtration site was studied in flow through column experiments. In first step the sorption coefficients of investigated phenols from NOM-free solutions with different pH values were determined. Single as well as multi (mixed) solutes experiments confirmed that there was no competition effect among the phenols investigated. An increasing sorption/retardation was observed with decreasing pH. A linear model was used to resolve the apparent sorption coefficient into an ionised species and neutral species component. This model allows a prediction of apparent sorption coefficients for any pH value. Analysis of data also revealed that the anion of 2-M-4,6-DNP show no significant sorption and a simple model based on the neutral form sorption coefficient was useful in predicting the apparent sorption coefficient over the entire pH range investigated. For 2,4,6-TCP and PCP, the anion sorption is much lower than that of the neutral species but cannot be neglected completely. For PCP, the anion sorption is even as high as the sorption of neutral 2,4,6-TCP. Thus for such hydrophobic phenols prediction of sorption based only on the partitioning of non-dissociated species may lead to an error, especially at high pH values (> pKa), where ionised form is present predominantly. On the other hand prediction of sorption based on the partitioning of non-dissociated species is useful at pH < pKa or in cases where the anion sorption can be neglected. The advantage of this prediction is that it allows predicting the pH-dependent sorption only on the basis of LFER correlations. It was shown that the organic carbon normalized sorption coefficients of the neutral forms of the phenols can be predicted better by solubility based regression correlations than by n-octanol-water partition coefficient based correlations. In second step the apparent sorption coefficients of investigated phenols from NOM-containing solutions (mixed solution of phenols dissolved in natural river water) with different pH values were determined; the sorption coefficients obtained from this step were compared with the results of the first step examinations. Analysis of data revealed that binding of 2-M-4,6-DNP by dissolved humic substances (DHS) reduces the sorption coefficient significantly. In contrast to it, the sorption of the more hydrophobic chlorinated phenols was not affected by DHS. A strong reduction of sorption onto aquifer material caused by complex formation with DHS was also observed for a second nitrophenol (2,4-DNP) and seems to be typically for nitrophenols. A combined sorption and complex formation model was proposed which could be used successfully to describe the effect of pH and NOM concentration on sorption reduction and to estimate binding constants. The binding constant found for 2-M-4,6-DNP is much higher than those reported by Ohlenbusch and Frimmel, 2001, for chlorophenols associated with Aldrich humic acid. This can be interpreted as a result of specific interactions between the nitrophenol and DHS. This phenomenon may cause an increase of the amount of nitrophenols, which can be transported with the groundwater flow and has to be considered in transport modelling, especially in cases where pH is lower than pKa. The models developed here are a useful tool to describe the influence of pH and NOM on geosorption processes and to estimate the Kd values which have to be used in transport models.

Karst aquifers can be conceptualized as dual flow systems comprised of a low-conductive matrix with embedded high-conductive conduits / preferential flow zones. Discharge in conduits ranges from low-velocity laminar flow to high-velocity transitional and turbulent flow. Commonly employed continuum models do not account for the specific behavior of transitional and turbulent flow. In response to this limitation, enhancements have been made to MODFLOW, a commonly used groundwater flow model, by adding a discrete conduit network to the matrix continuum (hybrid model). The Conduit Flow Process (CFP) package is the latest realization of this model approach. CFP Mode 1 (CFPM1) computes laminar and turbulent flow in discrete conduits that are coupled to the laminar continuum model. CFP Mode 2 (CFPM2) accounts for turbulent flow in preferential flow layers by adapting the continuum model. Therefore, laminar hydraulic conduc-tivities are converted into turbulent hydraulic conductivities. CFPM2 was further modified to consider steady turbulent pipe flow. Karst models based on CFPM2 require potentially less input data and computational efforts than karst models based on CFPM1. Furthermore, CFPM2 integrates more easily into MODFLOW versions including e.g. transport models. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrates that continuum models with turbulent flow representation and an additional flow barrier between conduits and matrix can represent karst systems similar to hybrid models. For simulation of highly transient flow processes in karst conduit systems, i.e. during flood events, it is crucial to consider dynamics such as free-surface flow, wave propagation, and changes between pressurized and non-pressurized conduit flow. The coupled overland- and groundwater flow model MODBRANCH was therefore enhanced to consider unsteady and non-uniform flow processes in karst conduits. Flow in discrete conduits is simulated using the Saint-Venant-equations for free-surface flow. Contrary to overland flow, the cross sectional area of karst conduits is finite. Accordingly, both pressurized and non-pressurized flow may occur within conduits. To simulate pressurized flow, a hypothetical, narrow, open-top slot (Preissmann slot) is added to the conduit crown, which allows the use of the free-surface flow equations for fully filled conduits. Beyond this, the model features a variable time step to consider wave speed variations, for example due to the transition from free-surface to pressurized flow. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrate the significance of free-surface flow representation for variably filled conduits. / Karstgrundwasserleiter können als duale Fließsysteme konzeptionalisiert werden, bestehend aus einer geringdurchlässigen Matrix mit eingebundenen hochdurchlässigen Bereichen, z. B. Karströhren. Der Abfluss in den hochdurchlässigen Bereichen reicht von langsamer laminarer Strömung bis zu schneller turbulenter Strömung. Herkömmliche numerische Grundwasser-strömungsmodelle berücksichtigen nicht die spezifischen Eigenschaften von nicht-laminarer Strömung (Übergangsbereich laminar-turbulent bzw. turbulente Verhältnisse). Ein Ansatz um diese Einschränkung zu umgehen, ist die Erweiterung des laminaren Kontinuums um ein dis-kretes Röhrenmodell, das zustandsabhängig laminare und turbulente Strömung berücksichtigt (Hybridmodell). Eine aktuelle Umsetzung dieses Ansatzes ist Conduit Flow Process (CFP), ein Modul für das weitverbreitete Grundwasserströmungsmodell MODFLOW. CFP Mode 1 (CFPM1) berechnet laminare und turbulente Strömung in diskreten, mit dem Kontinuummodell gekoppelten Röhren. CFP Mode 2 (CFPM2) berücksichtigt nicht-laminare Strömung in hochdurchlässigen Schichten mit einer angepassten hydraulischen Leitfähigkeit des Kontinuummodells. CFPM2 wurde weiter modifiziert, so dass auch turbulente Strömung in Karströhren berechnet werden kann. Dadurch kann möglicherweise der Parameterbedarf sowie der Rechenaufwand gegenüber Hybrid¬modellen reduziert werden. CFPM2 lässt sich einfach in vorhandene MODFLOW Modelle einbinden, z. B. zur Berechnung von Transportprozessen. Parameterstudien für ein idealisiertes Karsteinzugsgebiet zeigen, dass Kontinuummodelle bei Berücksichtigung der turbulenten Strömung sowie des zusätzlichen hydraulischen Widerstand zwischen Röhren und Matrix, Karstsysteme ähnlich wie Hybridmodelle darstellen. Zur Simulation von instationären Prozessen in Karströhren, z. B. ausgeprägte Abflusssignale infolge pulsförmiger Grundwasserneubildung, ist es notwendig, dynamische Prozesse infolge Freispiegelabfluss, Wellenausbreitung sowie Wechsel zwischen Abfluss in teil- und vollgefüllten Röhren zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das numerische Modell MODBRANCH, welches ein diskretes Oberflächenwassermodell mit einem Kontinuummodell koppelt, so angepasst, dass instationäre und nichtgleichförmige Abflussprozesse in Karströhren berücksichtigt werden können. Der Abfluss in diskreten Röhren wird dabei mit den Saint-Venant-Gleichungen für Freispiegelabfluss berechnet. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern ist der für den Abfluss zur Verfügung stehende Querschnitt in Karströhren limitiert, so dass sowohl Freispiegel- als auch Druckabfluss innerhalb der Röhren auftreten kann. Druckabfluss wird mit Hilfe eines schmalen virtuellen Schlitzes an der Röhrenoberkante simuliert (Preissmann Schlitz), der auch im Fall vollgefüllter Röhren die Anwendung der Gleichungen für Freispiegelabfluss erlaubt. Durch die Verwendung eines variablen Zeitschrittes kann die geänderte Dynamik beim Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss berücksichtigt werden. Parameterstudien für idealisierte, synthetische Karsteinzugsgebiete demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von Freispiegelabfluss in teilgefüllter Röhren.

Die Uferfiltration (UF) ist eine potentielle Alternative zur konventionellen Oberflächenwasseraufbereitung in Indien, da Trübstoffe, pathogene Mikroorganismen und organische Wasserinhaltsstoffe effektiv entfernt werden. In dieser Arbeit wurde erstmals ein umfangreicher Überblick zu bestehenden UF-Anlagen in Indien erarbeitet. Für die Standorterkundung und -bewertung wurde ein Konzept erarbeitet, das an drei Standorten entlang des Ganges getestet und weiterentwickelt wurde. Das Konzept umfasst vier Stufen: Standortvorerkundung, Bestimmung von Grundwasserleiterparametern, Erfassung von hydraulischen und Beschaffenheits-parametern sowie numerische Grundwasser-strömungsmodellierung. Entlang des oberen Flusslaufes des Ganges (Haridwar und Srinagar) wurden günstige geohydraulische Verhältnisse identifiziert (kf = 10E-4 bis 10E-3 m/s, Grundwasser leitermächtigkeit 11 bis 20 m). Entlang des unteren Flusslaufes (Patna) gibt es in Abhängigkeit von der Mächtigkeit der Sedimentablagerungen im Ganges nur bei erhöhter Schleppkraft im Monsun eine gute hydraulische Verbindung zwischen dem Fluss und dem Grundwasserleiter. In Haridwar wurde der Uferfiltratanteil im Rohwasser mittels Isotopenanalysen (δ18O) und Leitfähigkeitsmessungen im Fluss- und Rohwasser ermittelt. Der Uferfiltratanteil in den auf einer Insel und südlich davon gelegenen Brunnen liegt bei bis zu 90%. An den untersuchten Standorten wird durch die UF eine effektive Entfernung von E. coli um 3,5 bis 4,4 Log10 und der Trübung bis >2 Log10 Einheiten erreicht. Eine Entfernung von 3 Log10 Einheiten wurde bereits bei einer Fließzeit des Uferfiltrats von zwei Tagen beobachtet. Die erhöhte Anzahl an Coliformen in einigen Brunnen am Standort Haridwar resultiert aus Verunreinigungen des landseitigen Grundwassers. Bei Hochwässern und Starkregenereignissen muss eine Kontamination durch den direkten Eintrag von Wasser durch undichte Brunnenabdeckungen, Risse in den Schächten bzw. unsachgemäßen Brunnenbau berücksichtigt werden. Die Anwendung des angepassten Untersuchungskonzepts an 15 weiteren UF-Standorten in Indien hat gezeigt, dass die niedrigen DOC-Konzentrationen im Flusswasser (0,9 bis 3,0 mg/L) und im Brunnenwasser (0,4 bis 2,3 mg/L) günstig für die Anwendung der UF sind. Bei erhöhten DOC-Konzentrationen (Vormonsun) im Flusswasser konnte in Delhi und Mathura im Monsun eine 50%ige Verminderung erreicht werden. Bei der Erkundung neuer UF-Standorte in bergigen Gebieten sind die Grundwasserleitermächtigkeit mit geophysikalischen Erkundungsverfahren, die Strömungsverhältnisse in den alluvialen Ablagerungen sowie lokale Hochwasserrisiken zu untersuchen. / Riverbank filtration or bank filtration (RBF / BF) is a potential alternative to the direct abstraction and conventional treatment of surface water by virtue of the effective removal of pathogens, turbidity, suspended particles and organic substances. A comprehensive overview of existing RBF systems in India has been compiled for the first time. To systematically select and investigate new and existing potential RBF sites in India, a methodological concept was developed and tested at three sites along the Ganga River. The four stages of the concept are: initial site-assessment, basic site-survey, monitoring of water quality and quantity parameters and determination of aquifer parameters and numerical groundwater flow modelling. Suitable geohydraulic conditions for RBF (hydraulic conductivity: 10E-4 to 10E-3 m/s, aquifer thickness: 11 to 20 m) exist along the upper course of the Ganga (Haridwar and Srinagar). Due to the presence of fine sediment layers beneath the river bed along the Ganga’s lower course (Patna), river-aquifer interaction occurs during increased shear stress on the riverbed in monsoon. The portion of bank filtrate abstracted by the wells in Haridwar was determined from isotope analyses (Oxygen 18) and electrical conductivity measurements of river and well water and is up to 90% for wells located on an island and between the river and a canal. The results were confirmed by groundwater flow modelling. A high removal of E. coli (3.5 to 4.4 Log10 units) and turbidity (>2 Log10 units) was observed at the investigated sites. An E. coli removal of 3 Log10 units was observed for short travel times of 2 days. Higher coliform counts in some wells occur due to contamination from landside groundwater. During floods and intense rainfall events, contamination of RBF wells from direct entry of flood water, seepage of surface runoff into the well through leaky covers, fissures in the well-heads / caissons and in-appropriately sealed well-bases has to be considered. The application of the adapted investigation concept to 15 other sites in India showed that the low DOC concentrations in river water (0.9 to 3.0 mg/L) and well-water (0.4 to 2.3 mg/L) are favourable for the application of RBF. A 50% decrease of the high (pre-monsoon) DOC concentration was observed during monsoon in Delhi and Mathura. For the exploration of new RBF sites in hilly / mountainous areas, investigations of the aquifer thickness using geophysical methods, subsurface flow conditions in the alluvial deposits and the risk from floods should be conducted.

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.

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.

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

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