Abstract:
Die kontrollierte Grundwasseranreicherung (engl.: managed aquifer recharge, MAR) ist ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Grundwasserverfügbarkeit in wasserarmen Regionen. Speziell in semi-ariden Gebieten, mit einer hohen Variabilität der Wasserverfügbarkeit, hilft die zeitliche Speicherung von Regenwasser im Untergrund Trockenperioden zu überbrücken und ist somit eine Schlüsseltechnologie in der Wasserwirtschaft. Eine besondere Herausforderung für die technische Umsetzung und den Betrieb von MAR stellen jedoch Karstgrundwasserleiter dar, da sie in der Regel eine starke hydraulische Anisotropie und Heterogenität aufweisen und daher sehr anfällig für Verunreinigungen sind.
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Hauptfokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Flutwasserspeicherung im Wala Stausee in Jordanien und der Anreicherung des darunter liegenden Karstgrundwasserleiters. Von besonderem Interesse ist hierbei die Auswirkung auf das stromabwärts liegende Hidan Brunnenfeld, welches zur Trinkwasserversorgung der Städte Amman, Madaba und kleinerer Gemeinden beiträgt. Dazu wurde ein umfassendes hydrogeologisches Konzeptmodell erstellt, das wiederum als Grundlage für ein numerisches Grundwassermodell diente. Anhand der simulierten Wasserstände und Szenarien konnten die Haupteinflüsse auf den Langzeittrend des Grundwasserspiegels abgeleitet werden. Für einen verbesserten Schutz des Stausees und des Brunnenfeldes wurde ein kombiniertes Schutzzonenkonzept für die Karstumgebung entwickelt, dass die Interaktion von Oberflächen- und Grundwasser berücksichtigt.
Berechnungen zeigten, dass etwa 6.7 Millionen m³ Wasser pro Jahr im Durchschnitt (2002-2012) vom Stausee in den Untergrund infiltrierten, was einem durchschnittlichen Grundwasserentnahmeanteil von ca. 60 % im gleichen Zeitraum entspricht. Tritiumdaten zeigen den unmittelbaren Einfluss der Stausee-Infiltration auf das Brunnenfeld, wobei die mittleren Verweilzeiten des natürlichen Grundwasserzustroms nach der 14C-Methode auf mehrere tausend Jahren berechnet wurden. Eine Auswirkung auf die Grundwasserchemie durch das niedrig mineralisierte Oberflächenwasser auf das hochmineralisierte Grundwasser wurde nur in den ersten Jahren anhand starker Schwankungen der Salinität im Brunnenfeld beobachtet.
Für das numerische Modell wurde ein „äquivalent poröses Medium“ (engl: equivalent porous medium, EPM) Ansatz gewählt und eine spezielle Anpassung an die karstspezifischen heterogenen und anisotropen Eigenschaften vorgenommen. Dafür wurde die 3-dimensionale Aquifergeometrie auf ein 2-dimensionales Profil entlang des Wadis projiziert und weiter in hydraulische Zonen unterteilt, welche sowohl Zonen niedriger als auch hoher Fließgeschwindigkeit repräsentieren. Die Simulationen zeigten, dass der absteigenden Langzeittrend des Grundwasserspiegels auf die Sedimentation bzw. auf die dadurch sinkende Infiltrationsrate im Stausee zurückzuführen ist. Kurzfristige starke Grundwasserspiegelschwankungen im Brunnenfeld gehen allerdings auf Änderungen der durchschnittlichen Entnahmetiefe zurück.
Untersuchungen zur Vulnerabilität des Grundwasserleiters und auftretender Kontamination haben gezeigt, dass regelmäßig auftretende bakteriologische Verunreinigungen des Grundwassers auf Infiltration von Oberflächenabfluss nahe dem Brunnenfeld zurückzuführen sind. Dieser wird sowohl durch Regenereignisse ausgelöst, als auch durch Grundwasseraustritte im Wadi aufgrund hoher Infiltrationsraten im Reservoir. Diese Erkenntnisse dienten zur Erstellung einer vereinfachten Vulnerabilitäts- und Risikokarte, die wiederum die Basis für ein kombiniertes Schutzzonenkonzept ist, dass sowohl das Einzugsgebiet des Wala Stausees als auch das des Hidan Brunnenfeldes berücksichtigt, sowie die Interaktion von Oberflächen- und Grundwassers.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Wadi Wala geeignete strukturelle Voraussetzungen für die Anwendung von MAR in den darunter liegenden Karstgrundwasserleiter bieten, da die starke Verkarstung entlang des Wadis die Infiltration von erheblichen Mengen an Flutwässern in den Untergrund ermöglicht. Weiterhin bilden die steilen Flanken und der verengte Talquerschnitt geeignete topographische Voraussetzungen für die Flutwasserspeicherung mit Hilfe eines Staudammes. Darüber hinaus ermöglicht der Abstand zwischen dem Reservoir und dem Brunnenfeld die unterirdische Speicherung von Wasser bis zum Sommer, wenn die Nachfrage steigt. Allerdings stellen diese für MAR vorteilhaften Strukturen auch Probleme dar, weshalb der Betrieb der MAR-Anlagen einer Verbesserung bedarf. Folglich sind dringend Maßnahmen erforderlich, die den Sedimentationsprozess verringern und Sedimente aus dem Wala Reservoir entfernen, um langfristig die Infiltrationsraten des Stausees zu erhalten und somit auch die Grundwasserspiegelabsenkung abzuschwächen. Darüber hinaus ist ein verbessertes Konzept zur Betreibung des Hidan Brunnenfeldes erforderlich, um kurzfristige starke Grundwasserspiegel-schwankungen zu vermeiden. Eine weitere Erhöhung der Förderrate ist nicht empfohlen. Die Umsetzung der Schutzzonen und eine bessere Abstimmung der Anreicherungsbrunnen sind dringend erforderlich, um eine weitere Verschmutzung des Grundwassers während Niederschlagsereignissen zu vermindern und um Grundwasseraustritte in das Wadi zu vermeiden. Die angewandten Methoden, insbesondere der numerische Ansatz und das kombinierte Schutzzonenkonzept, sind übertragbar auf bestehende oder geplante MAR Standorte in vergleichbaren semi-ariden Karstgebieten.
Abstract (englisch):
Managed aquifer recharge (MAR) is a promising approach to augment groundwater availability in water scarce regions. Especially in semi-arid areas with a high seasonal variability in water availability the temporal storage of storm water in the underground helps to bridge dry periods and therefore represents a key technology in water management. However, a particular challenge for the technical implementation and operation of MAR is posed by karst aquifers since they usually reveal a strong hydraulic anisotropy and heterogeneity and are therefore highly vulnerable to contamination.
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The main focus of this work is on the investigation of flood water storage at the Wala dam in Jordan and the managed recharge of the underlying karst aquifer. Of particular interest is the impact on the downstream Hidan wellfield, which contributes to the drinking water supply of the cities Amman, Madaba and small communities in the immediate surrounding. For this purpose a comprehensive hydrogeological conceptual model was developed, which in turn served as the basis for a numerical groundwater model. Based on the simulated water levels and scenarios the main impacts on groundwater levels trends were assessed on the long-term. Furthermore, a combined protection zone concept was developed for the karstic environment of the reservoir and the wellfield considering the interaction of surface water and groundwater.
Calculations showed that about 6.7 million cubic meters (MCM) of water infiltrated on annual average (2002-2012) from the reservoir into the underground, which accounts for about 60 % of the annual average groundwater abstraction of about 11.7 MCM in the same period. Tritium data proved the immediate impact of reservoir infiltration on the wellfield, whereas the mean residence time of natural groundwater flow was calculated using the 14C-method to be of several thousand years. An impact on the groundwater chemistry by the low mineralized surface water on the highly mineralized groundwater was observed only in the first years with strong variations in salinity at the wellfield.
For the numerical model an "equivalent porous medium" (EPM) approach was used with special adaptation to account for the karst specific heterogeneity and anisotropy of the hydraulic properties. Therefore, the 3-dimensional aquifer geometry was projected onto a 2-dimensional profile along the wadi and further divided into hydraulic zones, which represent both zones of low flow and high flow velocities. Simulations matched the measured groundwater level very well and showed that its declining long-term trend is a result of the sedimentation and the associated decreasing infiltration rate in the reservoir. However, strong groundwater level fluctuations at the wellfield on the short-term are caused by changes in the average pumping depth.
Investigations on aquifer vulnerability and contamination revealed frequent bacteriological occurrence in groundwater as a result of surface runoff infiltration near the wellfield. Here, rain events and groundwater seepage into the wadi, as a result of high infiltration rates from the reservoir, were identified as the main triggering events. The findings were used to create a simplified vulnerability- and risk map, which in turn served as the basis for a combined protection zone concept that considers both the catchment areas of the Wala reservoir and the Hidan wellfield and the interaction of surface water and groundwater.
The results show that the Wadi Wala provides appropriate structural conditions for the application of MAR into the underlying karst aquifer since intensified karstification along the course of the wadi facilitates the infiltration of substantial amounts of flood water into the underground. Furthermore, the steep flanks and narrowed profile of the wadi form a suitable topographical setting to capture storm water with a dam. Additionally, the distance between the reservoir and the wellfield allows the underground storage of water until the summer, when the demand increases. However, the hydrogeological structures, which are beneficial for MAR, generate also problems and therefore the operation of the MAR facility must be improved. Hence, there is an urgent need of measures to reduce the sedimentation process and remove sediments from the Wala reservoir to mitigate a further dropping of the groundwater level and to preserve the infiltration rate of the reservoir on the long-term. Additionally, an improved concept for operating the Hidan wellfield is required in order to avoid strong groundwater level fluctuations in the short-term. A further increase in abstraction is not recommended. The implementation of protection zones and a better coordination of water injection into the recharge wells are urgently needed to reduce further groundwater pollution during precipitation events and to avoid groundwater seepage into the wadi. The methods presented in this study, in particular the numerical approach and the combined protection zones concept, are transferable to existing or planned MAR sites in comparable semi-arid karst areas.
