Advancing the use of geographic information systems, numerical and physical models for the planning of managed aquifer recharge schemes

Global change is a major threat to local groundwater resources. Climate change and population growth are factors that directly or indirectly augment the increasing uptake of groundwater resources. To outbalance the pressure on aquifers, managed aquifer recharge (MAR) schemes are increasingly being implemented. They enable the subsurface storage of surplus water for times of high demand. The complexity of MAR schemes makes their planning and implementation multifaceted and requires a comprehensive assessment of the local hydrogeological and hydrogeochemical conditions. Despite the fact that MAR is a widely used technique, its implementation is not well regulated and comprehensive planning and design guidelines are rare. The use of supporting tools, such as numerical and physical models or geographic information systems (GIS), is rising for MAR planning but their scope and requirements for application are rarely reflected in the available MAR guidelines. To depict the application potential and the advantages and disadvantages of the tools for surface infiltration MAR planning, this thesis comprises reviews on the past use of the tools as well as suggestions to improve their applicability for MAR planning. GIS is not mentioned by most MAR guidelines as a planning tool even though it is increasingly being used for MAR mapping. Through a review of GIS-based MAR suitability studies, this thesis shows that the MAR mapping process could be standardized by using the often-applied approach of constraint mapping, suitability mapping by using pairwise comparison for weight assignment and weighted linear combination as a decision rule, and a subsequent sensitivity analysis. Standardizing the methodology would increase the reliability and comparability of MAR maps due to the common methodological approach. Thus, the proposed standard methodology was incorporated into a web GIS that simplifies MAR mapping through a pre-defined workflow. Numerical models are widely used for the assessment of MAR schemes and are included into some MAR planning guidelines. However, only a few studies were found that utilized vadose zone models for the planning and design of MAR schemes. In this thesis, a review and a subsequent case study highlight that numerical modelling has many assets, such as monitoring network design or infiltration scenario planning, that make its utilization during the MAR planning phase worthwhile. Consequently, this study advocates the use of vadose zone models for MAR planning by showing their potential areas of application as well as their uncertainties that need to be regarded carefully during modelling. Physical models used for MAR planning are typically field or pilot sites, as some MAR legislation requests pilot sites as part of the preliminary assessment. Laboratory experiments are used less often and are mostly restricted to the analysis of very specific issues, such as clogging. This thesis takes on the issue of scaling laboratory results to the field scale by comparing results from three physical models of different scales and dimensionality. The results indicate that preferential flow paths, air entrapment and boundary influence limit the quantitative validity of laboratory experiments. The use of 3D tanks instead of 1D soil columns and the application of statistical indicators are means to increase the representativeness of laboratory measurements. Nevertheless, physical models have the potential to improve MAR planning in terms of detailed process assessment, scenario and sensitivity analyses. All tools discussed in this thesis have their merits for MAR scheme planning and should be advocated better in MAR guidelines by depicting their application potential, advantages and disadvantages. The information accumulated in this thesis is a step towards an advanced use of supporting tools for the planning and design of MAR schemes.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 AppendixDer globale Wandel stellt eine große Bedrohung für die lokalen Grundwasserressourcen dar. Klimawandel und Bevölkerungswachstum sind Faktoren, die, direkt oder indirekt, die zunehmende Nutzung von Grundwasserressourcen verstärken. Um diesen Druck auf die Grundwasserleiter auszugleichen, werden verstärkt Maßnahmen zur gezielten Grundwasserneubildung (managed aquifer recharge = MAR) durchgeführt. Dies ermöglicht die unterirdische Speicherung von überschüssigem Wasser für Zeiten hohen Bedarfs. Die Komplexität von MAR-Anlagen macht ihre Planung und Umsetzung kompliziert und erfordert eine umfassende Bewertung der lokalen hydrogeologischen und hydrogeochemischen Bedingungen. Trotz der weltweiten Implementierung von MAR ist dessen Planung wenig reguliert. Umfassende Planungs- und Gestaltungsrichtlinien sind rar. Der Einsatz unterstützender Werkzeuge, wie numerischer und physikalischer Modelle oder Geoinformationssysteme (GIS), nimmt bei der MAR-Planung zu, aber ihre Einsatzmöglichkeiten und ihre Anforderungen an die Anwendung spiegeln sich selten in den verfügbaren MAR-Richtlinien wider. Um das Anwendungspotential und die Vor- und Nachteile der Werkzeuge für die MAR-Planung darzustellen, wurden für diese Arbeit Recherchen über den bisherigen Einsatz der Werkzeuge durchgeführt. Zusätzlich wurden Vorschläge zur Erhöhung ihrer Anwendbarkeit für die MAR Planung gemacht. Der Schwerpunkt lag dabei auf Oberflächeninfiltrationsverfahren. GIS wird in keiner MAR-Richtlinie als Planungsinstrument erwähnt, obwohl es zunehmend für die MAR-Kartierung eingesetzt wird. Eine Recherche über GIS-basierte MAR-Eignungsstudien zeigte, dass der MAR-Kartierungsprozess standardisiert werden kann mittels des oft genutzten Ansatzes: initiales Ausschneiden von Gebieten, welche Restriktionen unterliegen, dem folgend die Eignungskartierung mittels Paarvergleich für die Wichtung der GIS-Karten und der gewichteten Linearkombination als Entscheidungsregel, sowie eine abschließende Sensitivitätsanalyse. Die Standardisierung der Methodik könnte die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit von MAR-Karten aufgrund des gemeinsamen methodischen Ansatzes erhöhen. Daher wurde die standardisierte Methodik in ein Web-GIS integriert, das über einen definierten Workflow die MAR-Kartierung vereinfacht. Numerische Modelle werden häufig für die Beurteilung von MAR-Systemen verwendet und sind in einigen MAR-Planungsrichtlinien ausgewiesen. Es wurden jedoch nur wenige Studien gefunden, die die Modelle der ungesättigten Zone für die Planung und Gestaltung von MAR Standorten verwendeten. Die in dieser Arbeit durchgeführte Literaturrecherche und eine darauf aufbauende Fallstudie zeigen, dass die numerische Modellierung viele Vorteile bietet, wie z. B. beim Design eines Monitoring-Netzwerkes oder bei der Planung von Infiltrationsszenarien. Physikalische Modelle, die für die MAR-Planung verwendet werden, sind meist Feld- oder Pilotversuche, da einige MAR-Gesetzgebungen Pilotstandorte im Rahmen der Vorabbewertung verlangen. Laborexperimente werden seltener eingesetzt und beschränken sich meist auf die Analyse sehr spezifischer Fragestellungen, wie z.B. der Kolmatierung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Skalierbarkeit von Laborergebnissen auf die Feldskale, indem sie Ergebnisse aus drei physikalischen Modellen verschiedener Maßstäbe und Dimensionen vergleicht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Makroporen, Lufteinschlüsse und der Einfluss der Randbedingungen die quantitative Aussagekraft von Laborversuchen einschränken. Der Einsatz von 3D-Tanks anstelle von 1D-Bodensäulen oder von statistischen Indikatoren ist ein Mittel zur Erhöhung der Repräsentativität von Labormessungen. Nichtsdestotrotz hat die Anwendung physikalischerModelle das Potenzial, die MAR-Planung in Bezug auf detaillierte Prozessbewertung, Szenarien und Sensitivitätsanalysen zu unterstützen. Alle beschriebenen Instrumente haben ihre Vorzüge bei der Bewertung von MAR-Anlagen und sollten in MAR-Richtlinien detaillierter berücksichtigt werden, indem ihr Anwendungspotenzial, ihre Vor- und ihre Nachteile dargestellt werden. Die für diese Arbeit zusammengestellten Informationen sind ein Schritt zur Förderung der beschriebenen Planungsinstrumente für die Planung und Gestaltung von MAR-Anlagen.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Objectives 1.3 Structure of the thesis 2 Status quo of the planning process of MAR schemes 2.1 Guidance documents on general MAR planning 2.2 Application of GIS, numerical and physical models for MAR planning 2.3 Planning of surface infiltration schemes 3 Using GIS for the planning of MAR schemes 3.1 Implications from GIS-MCDA studies for MAR mapping 3.2 Development of web tools for MAR suitability mapping 4 Using numerical models for the planning of MAR schemes 4.1 Review on the use of numerical models for the design and optimization of MAR schemes 4.2 Planning a small-scale MAR scheme through vadose zone modelling 5 Using physical models for the planning of MAR schemes 5.1 Design of the experimental study 5.2 Comparison of three different physical models for MAR planning 6 Discussion and research perspectives 7 Bibliography 8 Appendi