New advances in the assessment of managed aquifer recharge through modelling

Managed aquifer recharge (MAR) is widely applied for sustainable groundwater management. Despite its apparent simplicity, the evaluation of MAR schemes can be challenging especially with regard to feasibility assessment, planning but also operation. The absence of proper evaluation methods hinders the optimal operational management, reduces the level of public trust and raises questions about the impact of MAR on the affected ecosystem. The development of appropriate tools could help water utilities to maximize the use of groundwater while satisfying physical, financial, and sustainability constraints. As overall objective, the application of new and advanced tools can increase the understanding of the underlying processes and in that way increase the confidence in MAR and foster the successful implementation of MAR schemes. The thesis consists of three main parts which objectives are to: 1) understand the role of modelling in MAR and identify information gaps by a review of available modelling studies; 2) increase the availability of efficient database and analytical tools including their development and web-based implementation; and 3) improve and contribute to new advances in numerical modelling of MAR. A survey of conducted modelling studies, mainly based on numerical methods, revealed that groundwater flow models are most frequently applied to assess MAR schemes. Modelling objectives comprise the planning and optimization of the design and operation of a MAR facility as well as its impact on the groundwater system. Simulations help to assess the achievable recovery efficiency and occurring geochemical processes to minimize the risk of failure of a planned facility, also with regard to long-term impacts. Furthermore, site-selection and the influence of MAR on seawater intrusion are frequently analysed by modelling. The literature review served as a basis for the MAR model selection tool which enables, dependent on objectives, methods and model types, to extract suitable models and case studies. Based on analytical equations to determine groundwater mounding, saltwater intrusion or the pumping-induced river drawdown, further tools were developed and compiled on a web-based platform for easy access and utilization. The web-based applications can be used as screening tools to assess MAR-related issues. For a more detailed analysis, numerical models represent useful instruments to analyse MAR schemes on various scales. On regional scale, the feasibility of MAR implementation at proposed locations is often a challenging question due to the lack of detailed knowledge of the local groundwater system and its response to MAR. Consequently, an approach combining numerical groundwater flow modelling and GIS-based multi-criteria decision-analysis (MCDA) was formulated and subsequently tested for the city centre of Hanoi, Vietnam. The results indicate that MAR could help to reduce the local overexploitation of groundwater and stop land subsidence. For existing MAR schemes on local scale, the residence time in the subsurface is a critical parameter determining e.g. the removal of pathogens. As the influence of viscosity on the seasonal residence time is not fully clear, a numerical groundwater flow and heat transport model was set up for a MAR scheme in Berlin, Germany to evaluate the seasonal impact of viscosity. The results suggest that the consideration of viscosity in the numerical modelling scheme has an influence on the subsurface travel time and results in shorter residence times. At point scale, clogging represents a critical issue with regard to the long-term viability of a MAR scheme which is frequently neglected in numerical models. The numerical unsaturated flow model HYDRUS-1D/2D was enhanced to enable the simulation of time-variable hydraulic conductivities as an approximation of clogging. With the help of the time-variable scaling factor in combination with the reservoir boundary condition, the increasing water head in the laboratory aquifer well and infiltration basin due to clogging was reproduced. The presented tools and numerical modelling approaches are useful to assess a wide range of MAR-specific issues, to manage the risks associated with implementation and operation and improve the overall performance and reliability of MAR schemes. Through the application of suitable data-based, analytical and numerical tools, the thesis contributes to the perception of MAR as a suitable and reliable technique for water resource management.:1 INTRODUCTION 1 2 ASSESSMENT OF MANAGED AQUIFER RECHARGE THROUGH MODELLING 11 3 WEB-BASED EMPIRICAL AND ANALYTICAL TOOLS FOR INITIAL MAR-RELATED ASSESSMENT 29 4 MANAGED AQUIFER RECHARGE FEASIBILITY ASSESSMENT USING GIS-BASED SUITABILITY MAPPING AND NUMERICAL MODELLING 53 5 INFLUENCE OF VISCOSITY ON THE SEASONAL RESIDENCE TIME DURING MAR OPERATION 73 6 SIMULATION OF HYDRAULIC CONDUCTIVITY CHANGES OVER TIME DURING MAR OPERATION 91 7 SCIENTIFIC IMPLICATIONS AND RESEARCH PERSPECTIVES...113 Bibliography 117 A Appendix 143Grundwasseranreicherung (engl. Managed Aquifer Reharge, MAR) wird oftmals für ein nachhaltiges Grundwassermanagement eingesetzt. Trotz der scheinbaren Einfachheit von MAR, kann die Bewertung insbesondere in Bezug auf Machbarkeitsstudien, Planung, aber auch Betrieb herausfordernd sein. Das Fehlen geeigneter Bewertungsmethoden hindert ein optimales Betriebsmanagement, reduziert das Vertrauen der Öffentlichkeit und wirft Fragen über die Auswirkungen von MAR auf das betroffene Ökosystem auf. Die Entwicklung geeigneter Instrumente könnte daher Wasserversorgern helfen, die Nutzung des Grundwassers zu maximieren und gleichzeitig physische, finanzielle und nachhaltige Bedingungen einzuhalten. Als übergeordnetes Ziel kann die Anwendung neuer und fortschrittlicher Instrumente das Verständnis für die zugrunde liegenden Prozesse verbessern und so das Vertrauen in MAR stärken und die erfolgreiche Umsetzung von MAR-Anlagen fördern. Die Arbeit besteht aus drei Hauptteilen, deren Ziele es sind: 1) die Rolle der Modellierung von MAR zu verstehen und Informationslücken durch eine Überprüfung der verfügbaren Modellierungsstudien zu identifizieren; 2) die Verfügbarkeit effizienter datenbankbasierter und analytischer Instrumente einschließlich ihrer Entwicklung und webbasierten Implementierung zu erhöhen; und 3) mit Hilfe von neuen Fortschritten die numerische Modellierung von MAR-Anlagen zu verbessern und zu unterstützen. Eine Literaturrecherche bereits durchgeführter Modellierungsstudien, die vor allem auf numerischen Modellen beruhen, ergab, dass Grundwasserströmungsmodelle am häufigsten zur Beurteilung von MAR-Anlagen eingesetzt werden. Die Modellierungsziele umfassen die Planung und Optimierung des Aufbaus und des Betriebs einer MAR-Anlage sowie deren Auswirkungen auf das Grundwassersystem. Simulationen helfen, die erreichbare Rückgewinnungseffizienz und die auftretenden geochemischen Prozesse zu beurteilen, um das Ausfallrisiko einer geplanten Anlage auch im Hinblick auf langfristige Auswirkungen zu minimieren. Darüber hinaus wird die Standortauswahl und der Einfluss von MAR auf das Eindringen von Meerwasser häufig durch Modellierung analysiert. Die Literaturrecherche diente als Grundlage für das MAR-Modellauswahl-Tool, bei dem in Abhängigkeit von Zielen, Methoden und Modelltypen geeignete Modelle und Fallstudien extrahiert werden können. Weitere Werkzeuge, die auf analytischen Gleichungen zur Bestimmung von Grundwasseraufwölbung, Salzwasserintrusion oder der pumpinduzierten Durchflussreduzierung im Fließgewässer basieren, wurden entwickelt und auf der webbasierten INOWAS-Plattform für einen einfachen Zugang und Nutzung zusammengestellt. Die webbasierten Anwendungen können als Screening-Instrumente zur Beurteilung von MAR-bezogenen Problemen eingesetzt werden. Für eine detailliertere Analyse stellen numerische Modelle nützliche Instrumente zur Analyse von MAR-Anlagen auf verschiedenen Skalen dar. Auf regionaler Ebene ist die Machbarkeit der Umsetzung von MAR an den vorgeschlagenen Standorten oft eine schwierige Frage, da das lokale Grundwassersystem und seine Reaktion auf die Anwendung von MAR nicht hinreichend bekannt sind. Dazu wurde ein Ansatz entwickelt, der numerische Grundwasserströmungsmodellierung und GIS-basierte multikriterielle Entscheidungsanalyse (MCDA) kombiniert, um die Machbarkeit und mögliche Auswirkungen der MAR-Implementierung zu bewerten. Der kombinierte Ansatz wurde im Stadtzentrum von Hanoi, Vietnam, getestet, wo die Ergebnisse darauf hindeuten, dass MAR dazu beitragen könnte, die lokale Übernutzung zu reduzieren und die Bodensenkung zu stoppen. Auf lokaler Ebene bei bestehenden MAR-Systemen ist die Verweilzeit im Untergrund ein kritischer Parameter, der z.B. die Entfernung von Krankheitserregern bestimmt. Da der Einfluss von Viskosität auf die saisonale Verweildauer nicht eindeutig ist, wurde für eine MAR-Anlage in Berlin ein numerisches Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell erstellt, um die saisonalen Auswirkungen des Prozesses zu bewerten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Viskosität einen Einfluss auf die unterirdische Verweilzeit hat und zu einer Verkürzung der Aufenthaltszeiten führt. Auf kleiner Skala stellt die Kolmatierung ein wichtiges Thema dar, das den Erfolg eines MAR-Systems erheblich bestimmt, jedoch in numerischen Modellen häufig vernachlässigt wird. Das numerische ungesättigte Strömungsmodell HYDRUS-1D/2D wurde erweitert, um die Simulation von zeitlich variablen hydraulischen Leitfähigkeiten als vereinfachte Näherung von Kolmatierung zu ermöglichen. Mit Hilfe des zeitlich variablen Skalierungsfaktors in Kombination mit der Speicherrandbedingung konnte der im Labor gemessene, durch Kolmatierung verursachte, ansteigende Wasserspiegel im Brunnen und Infiltrationsbecken reproduziert werden. Die vorgestellten Werkzeuge und numerischen Modellierungsansätze sind nützlich, um eine breite Palette von MAR-spezifischen Fragen zu bewerten, um die mit der Implementierung und dem Betrieb verbundenen Risiken zu managen und die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit von MAR-Anlagen zu verbessern. Durch den Einsatz geeigneter empirischer, analytischer und numerischer Werkzeuge trägt die Arbeit dazu bei, dass MAR als eine geeignete und zuverlässige Technik für das Wasserressourcenmanagement angesehen wird.:1 INTRODUCTION 1 2 ASSESSMENT OF MANAGED AQUIFER RECHARGE THROUGH MODELLING 11 3 WEB-BASED EMPIRICAL AND ANALYTICAL TOOLS FOR INITIAL MAR-RELATED ASSESSMENT 29 4 MANAGED AQUIFER RECHARGE FEASIBILITY ASSESSMENT USING GIS-BASED SUITABILITY MAPPING AND NUMERICAL MODELLING 53 5 INFLUENCE OF VISCOSITY ON THE SEASONAL RESIDENCE TIME DURING MAR OPERATION 73 6 SIMULATION OF HYDRAULIC CONDUCTIVITY CHANGES OVER TIME DURING MAR OPERATION 91 7 SCIENTIFIC IMPLICATIONS AND RESEARCH PERSPECTIVES...113 Bibliography 117 A Appendix 14