Bewertung von oberflächennahen Grundwasseranreicherungen über Aquifer Storage and Recovery unter Berücksichtigung der Aquiferheterogenität und alternativer Infiltrationsmethoden

Die vorliegende Arbeit umfasst im ersten Teil eine Literaturrecherche zu Aquifer Storage and Recovery (ASR) im Allgemeinen und den Einfluss physikalisch-chemischer Prozesse auf ASR. Aus dieser konnte abgeleitet werden, dass durch standortbedingte Untergrundeigenschaften stark unterschiedliche physikalische und chemische Prozesse ablaufen und eine eindeutige Vorhersage zum Verhalten und zur Effizienz von ASR an einem neuen oder bereits genutzten Standort ohne spezifische Informationen nicht möglich ist. Des Weiteren wurde eine Literaturstudie zum Einfluss der transversalen Dispersivität, als Maß für die Vermischung von transportierten Stoffen quer zu einer (natürlichen) Fließrichtung, auf den (reaktiven) Transport durchgeführt. Letztlich wurde im Rahmen einer betreuten Masterarbeit (M. Sc. Chang Liu) eine Bewertung aus der Literatur entnommener transversaler Dispersivitäten durchgeführt. In den weiteren Teilen der Arbeit wurden Fallstudien mit unterschiedlichen Fragestellungen für die Planung und den Betrieb von künstlichen Grundwasseranreicherungen und speziell ASR numerisch modelliert und bewertet. Zuerst wurden numerische Simulationen zum konservativen Transport am Testfeld „Lauswiesen“, Tübingen, Baden-Württemberg durchgeführt. Diese beinhalteten über Direct-Push(DP)-Erkundungsmethoden gewonnene Informationen zur Untergrundstruktur. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Vorhersage des standortspezifischen Transports in den „Lauswiesen“ und für vergleichbare hydraulische Situationen, auch in Hinsicht auf ASR, deterministische hydrogeologische Einheiten und ihre situationsgerechte Berücksichtigung in numerischen Modellen höchst relevant sind. Aufbauend auf den genannten Ergebnissen wurde eine Masterarbeit durch Herrn M. Sc. Tsegaye Abera Sereche durchgeführt. Diese Masterarbeit zeigte für diesen Fall erneut die hohe Relevanz deterministischer Strukturen gegenüber kleinskaligen, dreidimensionalen Heterogenitäten für ASR. Weiterführende numerische Simulationen zu einem möglichen ASR-Feldtest am Standort „Lauswiesen“ ergaben, dass dieser unter den gegebenen Untergrundbedingungen nur bei Abweichungen von einem vertretbaren Konzept für einen Ein-Brunnen-Test, z. B. bei sehr großen Infiltrationsmengen, oder durch Umwandlung in einen Zwei-Brunnen-Test durchführbar ist. Während dieser Arbeit wurden gemeinsame Forschungsarbeiten mit dem Kansas Geological Survey, Kansas, USA durchgeführt, welche die Bewertung der Verwendbarkeit von DP-Brunnen als alternative Infiltrationsmethode zu Oberflächenmethoden beinhalteten. Als Teil der gemeinsamen Arbeiten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine synthetisierte, numerische Bewertung der neuen DP-Infiltrationsbrunnen sowie einen Vergleich mit einer herkömmlichen Oberflächeninfiltrationsmethode übernommen. Im Einklang mit der Zielstellung der Arbeit wurde ebenfalls eine numerische Bewertung natürlicher und anthropogener Heterogenitäten auf die Infiltration durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten für die neue Infiltrationsmethode signifikante Vorteile abgeleitet werden. Weitere numerische Modellierungen wurden durchgeführt, um die wesentlichen Ergebnisse auf einen Feldstandort in der Südlichen Steiermark, Österreich, anzuwenden, welcher: a) bereits ein horizontales Versickerungssystem besitzt, b) weitere Systeme erhalten soll und c) letztlich eine besondere Herausforderung für vertikale Versickerungssysteme darstellt. Die Modellierung des vorhandenen Systems zeigt die hohe Komplexität der Infiltrationsprozesse. Jedoch konnten hydraulische Parameter bestätigt und in weitere planerische Simulationen zu Verwendung von DP-basierten Infiltrationsbrunnen eingefügt werden. Diese zeigen, dass ein Brunnenfeld am Standort auf relativ geringem Raum installiert werden kann. Zusätzlich zeigt ein Feldversuch an einem weiteren Standort (Pirna, Sachsen), dass hohe Infiltrationsraten unter Nutzung von DP-Brunnen möglich sind.The works presented in the thesis include in the first part a literature research on Aquifer Storage and Recovery (ASR) in general and the impacts of different physico-chemical processes on ASR. This research concludes that site-specific subsurface conditions lead to varying physical and chemical processes and that a conclusive prediction of function and efficiency of ASR at any site, in-operation or new site design, is not possible without site-specific information. Additionally, a literature study was conducted that focused on the impacts of transverse dispersivity, as a measure for mixing of transported species perpendicular to the (natural) flow direction, on (reactive) transport. Finally, evaluation of transverse dispersivity data available in the literature was performed, which included a supervision of a master thesis (of M. Sc. Chang Liu). Numerical simulations of case studies for different questions of planning and operation of artificial recharge systems and more specifically ASR were realized for the other parts of the thesis. The first evaluated case was the “Lauswiesen” test site, Tübingen, Baden-Wuerttemberg. This study used new insights into the subsurface structure gained by Direct-Push(DP) exploration methods. The results obtained show that for further works at the site and for comparable hydraulic conditions, also in the view of ASR, deterministic hydrogeological subunits and their consideration in numerical models are critical for prediction of site-specific transport. Based on the previous findings, a master thesis was conducted by M. Sc. Tsegaye Abera Sereche. The master thesis yet again revealed for this case the high relevance of deterministic subunits compared to small-scale, three-dimensional heterogeneities for ASR. Further, numerical simulations of a possible ASR field test at “Lauswiesen” site showed that under the prevailing subsurface conditions, a field test can only be realized when the set-up of a single-well-test is impracticably changed, by e.g. very high infiltration volumes, or by transformation into a two-well-test. During the thesis joint research works were performed with the Kansas Geological Survey, Kansas, USA, which contained the evaluation of the applicability of DP wells as an alternative to surface infiltration methods. As part of the joint work, this thesis presents a synthesized numerical evaluation of the new DP well infiltration as well as a comparison to a common surface infiltration system. Furthermore, in accordance with the main objective of the work, numerical evaluation of natural and anthropogenic heterogeneities was performed. The results concluded the advantages for the DP wells for infiltration process. Further numerical models were implemented to convey the important results to a field site at Southern Styria, Austria, where: a) an existing infiltration system is already in operation, b) further infiltration systems are planned and c) the subsurface conditions are rather challenging for vertical infiltration systems. Modeling of the existent system revealed the high complexity of the infiltration processes. However, hydraulic parameters could be verified and included into planning simulations for DP-based infiltration wells. The findings show, that a well field can be installed at a comparably small land. Additionally, a field test at a further test site (Pirna, Sachsen) indicates that high infiltrations rates are possible when DP wells are used