The Distrito Federal in Western Central Brazil is characterized by a high share of urban population and a predicted growth of population. The corresponding increasing water consumption is associated with a falling groundwater table. The existing wastewater treatment plants could reach their capacity limits due to further increasing amounts of urban wastewater in conjunction with heavy precipitation events. During these events, untreated wastewater can become a contamination source for protected resources such as soil and water. This problem can be solved by soil aquifer recharge. This is a unique technique to take the load off the treatment plants, to store the water in the aquifer, and to improve the water quality during the soil passage. The controlled infiltration of pretreated municipal wastewater in the tropical soils can ensure the regional groundwater balance and backup high quality water as a suitable drinking water resource. The objective of the present thesis was to define suitable soils and areas for a soil aquifer treatment in the Distrito Federal to support the decentralized wastewater treatment management. For the identification of suitable soils, representative samples were taken. The soil samples were examined with respect to their pedological and geochemical properties. For the characterization of the unsaturated hydraulic conditions, in situ infiltration tests and a 3D infiltration monitoring were performed. Additionally, the retention potentials for sewage ingredients were determined for each soil with unsaturated, hydrochemical and geoelectrical column tests. Thus, it was possible to calculate the retention potentials of each soil against the wastewater content of an artificial wastewater. The artificial wastewater with known composition was infiltrated through the soil columns. The retention potentials of the soils were calculated by balancing the hydrochemical data. Afterwards, for the implementation of the hydraulic data and the data from the column tests, a utility analysis was performed to merge all parameters. Finally, the field and laboratory studies were combined within a GIS-based usability analysis to blend the determined parameter with geo-data to identify suitable areas for a soil aquifer treatment. Parameters as slope, land use and land cover were included in this analysis. After the evaluation of the hydrochemical balances, predominantly the younger soils turn out as suitable for an artificial recharge with water of impaired quality because of their high retention potential for TOC. The Gleissolo featured a retention potential of almost 100 % for TOC. However, a high hydraulic conductivity in the soils is necessary to ensure an effective artificial recharge. The Gleissolo featured the lowest measured hydraulic conductivity in the field test with 1,12 x 10-8 m/s. Due to the consideration of the determined hydraulic and hydrochemical data in the utility analysis, each parameter was weighted to embrace the requirement of an effective artificial recharge. The results of the laboratory and field tests have shown that the soil group of Latossolos is suitable for a soil aquifer treatment. These soils offer the best infiltration characteristics and a good retention potential against sewage ingredients for an effective artificial groundwater recharge with pretreated wastewater. Additional to that, slope, land use/land cover, depth of soil, and a defined distance to conservation area were considered in a GIS-based usability analysis. Additionally, the categorized soils from the utility analysis were included to identify suitable regions. The outcome of the thesis is a GIS-based usability analysis map which shows suitable areas for a soil aquifer treatment ranked by their category of suitability. Additionally, the thesis provides crucial evidences for soil parameters which have positive effects on wastewater infiltration. In addition, the 3D infiltration monitoring and the measured resistivity distribution showed that the gravitatively controlled infiltration influences only the soil zone immediately beneath the irrigation. Furthermore, it was found that the proxy of the geoelectrical resistivity is not (sufficiently) conclusive for the sorption potential of conductive wastewater ingredients. / O Distrito Federal, localizado no Centro-Oeste Brasileiro, é caracterizado por um intenso processo de urbanização o qual deve aumentar ainda mais nas próximas décadas. O correspondente crescimento no consumo de água está, também, associado ao rebaixamento dos níveis das águas subterrâneas. O atual sistema de tratamento de efluentes pode atingir seu limite de operação diante do crescimento demográfico e aumento de eventos extremos de chuva. Durante esses eventos, efluentes não tratados podem tornar-se uma fonte de contaminação aos recursos hídricos e solos. Uma solução é recarga artificial de águas subterrâneas. A mesma armazena o efluente pré-tratado nas águas subterrâneas e melhora a qualidade do mesmo durante o processo de percolação no solo. A infiltração controlada em solos tropicais pode contribuir para a qualidade das águas subterrâneas e balanço hídrico, servindo assim como fonte para o abastecimento de água. Essa tese tem como objetivo a identificação de áreas e solos propícios à recarga artificial de águas subterrâneas no Distrito Federal a fim de dar suporte à gestão decentralizada de tratamento de efluentes. Para a identificação dessas áreas, amostras representativas à diferentes tipos de solos foram obtidas. As amostras foram examinadas de acordo com suas propriedades pedológicas e geoquímicas. Para a caracterização das condições hidráulicas não saturadas, realizaram-se diversos testes de infiltração in situ, bem como o monitoramento 3D. Ainda, determinou-se para cada solo o potencial de retenção de poluentes através de testes de coluna insaturados, hidroquímico e geoelétricos. Dessa forma foi possível calcular os potenciais de retenção para cada solo quando utilizados efluentes sintéticos. Com base na contabilização de todos os dados hidroquímicos, calculou-se os potenciais de retenção de poluentes para o determinado efluente de composição conhecida. Mais a frente, para a implementação de dados hidráulicos e dados dos testes de coluna, utilizou-se uma análise de utilidade considerando todos os parâmetros. Finalmente, estudos de laboratório e campo foram combinados em uma análise baseada em sistema de informação geográfica (SIG). O mesmo permite o cruzamento de um determinado parâmetro obtido com uma base de dados georeferenciados (p. ex. classes de solos) a fim de identificar as áreas mais propícias. Parâmetros tais como declividade, uso e cobertura de solo foram incluídos nessa análise. Após a avaliação dos balanços hidroquímicos, identificou-se que os solos jovens possuem um alto potencial de retenção de carbono orgânico total (COT). Os mesmos mostraram-se adequados para recarga de águas subterrâneas com efluente residuário pré-tratado. Como exemplo, o Gleisolo apresentou um potencial de retenção de aproximadamente 100% de COT. No entanto, é importante lembrar que, a fim de garantir uma retenção efetiva, a condutividade hidráulica do solo deve ser alta. Nesse caso, o Gleisolo apresentou baixos valores no teste de campo com uma condutividade hidráulica de 1,12 x 10-8 m/s. Ainda, os dados hidráulicos e hidroquímicos medidos foram integrados à uma análise de uso-benefício. No caso, cada parâmetro recebe um peso de modo a atender às demandas de uma recarga efetiva de águas subterrâneas. Resultados mostram que o grupo de solo classificado com Latossolo é propício para a recarga de águas subterrâneas. O mesmo oferece a melhor característica de infiltração e potencial de retenção de contaminantes para uma recarga artificial com efluentes pré-tratados. Declividade, uso e ocupação de solo, profundidade do solo e uma distância devida de áreas de conservação foram contemplados na análise de utilidade baseada em SIG. Além disso, os colos caracterizados pela análise de uso-benefício foram incluídos com o intuito de identificar as regiões mais propícias para a prática. O resultado da tese é uma representação gráfica georeferenciada das áreas propícias para a aplicação de recarga artificial de águas subterrâneas. Ainda, a tese fornece evidências cruciais de parâmetros do solo que tem efeitos positivos na infiltração de efluentes pré-tratados. O monitoramento 3D de infiltração e a distribuição de resistividade medida mostram que infiltração controlada por gravidade influencia apenas a zona do solo imediata à superfície de irrigação. Mas a frente, foi determinado que o proxy da resistividade geoelétrica não é válido para o potencial de retenção de contaminantes condutores. / Der Distrito Federal ist durch eine starke Urbanisierung geprägt. Das ohnehin bereits starke Bevölkerungswachstum wird Prognosen zufolge weiter zunehmen. Der damit verbundene Anstieg des Wasserverbrauchs wird auch in absinkenden Grundwasserständen widergespiegelt. Weiterhin ist das westliche Zentralbrasilien aufgrund seiner Lage in den wechselfeuchten Tropen durch eine starke Saisonalität der Niederschläge geprägt. Das erhöhte Abwasseraufkommen in Verbindung mit extremen Niederschlagsereignissen kann zu einer deutlichen Überbelastung der vorhandenen Kläranlagen führen. In Extremsituationen kann ungeklärtes Abwasser in die Bodenzone gelangen und somit Schutzgüter wie Boden und Wasser kontaminieren. Eine effiziente Maßnahme gegenüber der unkontrollierten Versickerung von ungeklärtem Abwasser sowie zur Vorbeugung absinkender Grundwasserspiegel ist die gezielte Infiltration von vorbehandeltem Abwasser in Verbindung mit einer Grundwasseranreicherung. Diese Maßnahme umfasst einen zusätzlichen Reinigungsschritt des vorgereinigten Abwassers und dient zur Vorbeugung gegenüber absinkenden Grundwasserspiegeln. Ziel der Arbeit war es, geeignete Böden und Flächen für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser im Distrito Federal auszuweisen. Zur Identifizierung geeigneter Böden wurden repräsentative Bodenproben auf ihre pedologischen und geochemischen Eigenschaften hin untersucht. Zusätzlich wurden in situ Durchlässigkeitstests und ein Versickerungsmonitoring aufgebaut, um zur Klärung der Infiltrationseigenschaften beizutragen. Für die Laboruntersuchungen wurden die Bodenproben im Hinblick auf ihre Schadstoffrückhaltepotentiale untersucht. Dazu wurden kombinierte hydrochemische und geoelektrische sowie ungesättigte Säulenversuche durchgeführt. Dadurch war es möglich, Rückschlüsse auf die Sorptionsleistung der Böden gegenüber den Abwasserinhaltsstoffen einer künstlichen Abwasserlösung schließen zu können. Die Bodensäulen wurden mit einem künstlichen Abwasser mit bekannter Schadstoffzusammensetzung überstaut. Auf der Grundlage der Bilanzierung aller hydrochemischen Daten wurden die Schadstoffrückhaltepotentiale für die Abwasserinhaltsstoffe berechnet. Anschließend wurden die experimentell ermittelten Parameter in einer Nutzwertanalyse zusammengefasst, um so geeignete Böden für eine effiziente Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zu identifizieren. Abschließend wurden die Feld- und Laboruntersuchungen mit einer GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse komplettiert, um die gemessenen Parameter mit weiteren vorliegenden, räumlich aufgelösten Daten verschneiden zu können. In diese Analyse wurden Parameter wie Gefälle, Landnutzung und Landbedeckung einbezogen. Bei der Auswertung der hydrochemischen Bilanzen kristallisierten sich vorwiegend die jungen Böden aufgrund ihrer hohen Schadstoffrückhaltepotentiale als geeignete Böden für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser heraus. Exemplarisch wies der Gleissolo ein Sorptionspotential von fast 100 % für den Parameter TOC auf. Allerdings müssen Böden für eine effektive Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser zusätzlich zu den hohen Sorptionsleistungen auch hohe hydraulische Durchlässigkeiten aufweisen. Für den Gleissolo wurde im Feldversuch die niedrigste hydraulische Durchlässigkeit von 1,12 x 10-8 m/s bestimmt. Durch die Einbindung der gemessenen hydraulischen und hydrochemischen Daten in eine Nutzwertanalyse konnten diese Parameter gewichtet werden, um so den Ansprüchen einer effektiven Grundwasseranreicherung gerecht zu werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen hat sich gezeigt, dass sich die Bodengruppe der Latossole besonders gut für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignet. Diese Böden weisen die besten Infiltrationsbedingungen sowie gute Sorptionseigenschaften für eine effizient gestaltete Grundwasseranreicherung auf. Mit Hilfe der GIS-basierten Nutzbarkeitsanalyse geografischer Parameter wurden Flächen ausgezeichnet, die sich in Bezug auf Gefälle, Landnutzung/Landbedeckung, Bodentiefe und einer adäquaten Distanz zu Schutzgebieten für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser eignen. Zusätzlich wurden die mit Hilfe der Nutzwertanalyse kategorisierten Böden in die Flächenidentifizierung einbezogen. Das Resultat dieser Arbeit liegt in Form einer Karte vor, in der die Gebiete, die für eine Grundwasseranreicherung mit vorbehandeltem Abwasser geeignet sind, nach Kategorien geordnet, verzeichnet sind. Zusätzlich dazu liefert die Arbeit entscheidende Hinweise auf Bodeneigenschaften, die sich positiv auf eine Abwasserinfiltration auswirken. Darüber hinaus konnte durch das geoelektrische 3D-Monitoring und der dabei gemessenen Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes gezeigt werden, dass die Infiltration gravitativ gesteuert nur die Bodenzone direkt unterhalb der Verrieselung beeinflusste. Weiterhin wurde festgestellt, dass das Proxy des geoelektrischen Widerstandes im Labormaßstab nicht aussagekräftig genug ist, um Rückschlüsse auf die Sorption leitfähigkeitsrelevanter Abwasserinhaltsstoffe geben zu können.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems. / Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.

Nowadays society strongly depends on its available resources and the long term stability of the surrounding ecosystem. Numerical modelling has become a general standard for evaluating past, current or future system states for a large number of applications supporting decision makers in proper management. In order to ensure the correct representation of the investigated processes and results of a simulation, verification examples (benchmarks), that are based on observation data or analytical solutions, are utilized to evaluate the numerical modelling tool. In many parts of the world, groundwater is an important resource for freshwater. While it is not only limited in quantity, subsurface water bodies are often in danger of contamination from various natural or anthropogenic sources. Especially in arid regions, marine saltwater intrusion poses a major threat to groundwater aquifers which mostly are the exclusive source of freshwater in these dry climates. In contrast to common numerical groundwater modelling, density-driven flow and mass transport have to be considered as vital processes in the system and in scenario simulations for fresh-saltwater interactions. In the beginning of this thesis, the capabilities of the modelling tool OpenGeoSys are verified with selected benchmarks to represent the relevant non-linear process coupling. Afterwards, variable-density application and process studies on different scales are presented. Application studies comprehend regional groundwater modelling of a coastal aquifer system extensively used for agricultural irrigation, as well as hydro-geological model development and parametrization. In two process studies, firstly, a novel method to model gelation of a solute in porous media is developed and verified on small scale laboratory observation data, and secondly, investigations of thermohaline double-diffusive Rayleigh regimes on medium scale are carried out. With the growing world population and, thus, increasing pressure on non-renewable resources, intelligent management strategies intensify demand for potent simulation tools and development of novel methods. In that way, this thesis highlights not only OpenGeoSys’ potential of density-dependent process modelling, but the comprehensive importance of variable-density flow and transport processes connecting, both, avant-garde scientific research, and real-world application challenges.