Conceptual Planning of Managed Aquifer Recharge in the Context of Integrated Water Resources Management for a semi-arid and a tropical Case Study in Palestine and Brazil: A new Integrated MAR Planning Approach.

by Florian Walter
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-07-30
Date of issue:2018-08-07
Advisor:Prof. Dr. Gerhard Gerold
Referee:Prof. Dr. Gerhard Gerold
Referee:Dr. Bernd Rusteberg
Referee:Prof. Dr. Martin Sauter
Referee:Prof. Dr. Heinz Hötzl
Referee:Dr. Elco Luijendijk
Referee:Prof. Dr. Martin Kappas
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6988

 

 

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Description:Dissertation

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Abstract

English

This thesis focuses on the development, application and evaluation of new integrative approach for the planning of Managed Aquifer Recharge (MAR) concepts in the context of Integrated Water Resources Management (IWRM). The approach combines issues of quantitative water resources management with the idea of MAR to artificially enhance groundwater recharge. To test the approach MAR is applied for two fundamentally different case studies: the tropical coastal region around the city of João Pessoa in Northeast Brazil and the city of Jericho with its neighboring Auja village in the semi-arid Lower Jordan Valley of Palestine. In the tropical case study area of João Pessoa, no acute threats for the local groundwater resources could be detected for the present. The water resources system does, however, reveal a high sensitivity and risk for overexploitation under the assumptions of various scenarios for future development. The results show that this risk could be reduced if addressed in time. A decentralized implementation of several MAR facilities throughout the study area operated with surface runoff from the river network, has been identified as a potential measure to support a sustainable development of the water resources system even under challenging future conditions and a potential increase of the highly water demanding sugarcane plantations. It is suggested to install at least two MAR test facilities in the area, testing surface infiltration technology at one location and direct injection at the other. The semi-arid case study of Jericho-Auja nowadays already suffers from immense water shortage in addition, to high seasonal and annual fluctuations in water supply, coming mostly from several natural springs in the region. A set of measures is suggested that might be combined with a MAR implementation in order to increase the amount of water availability on one hand and reduce the volatility of supply security on the other. The most promising measure of activating new water sources is the implementation of additional deep groundwater wells that penetrate the aquifer beneath the shallow alluvial fan which is strongly overexploited presently. Future scenarios revealed even higher deficits in water supply that could, after the exploitation of all available local water sources and the implementation of a MAR system, only be covered by additional water imports. Also for this case study the installation of at least one MAR pilot plant is recommended, in addition, to immediate actions with regard to the implementation of at least one new deep well. Political restrictions have been neglected for this study. In both studies the application of the suggested new approach lead to valuable results and an increased understanding of the local water resources system. Extended recommendations are given for both areas with a special focus on the enhancement of monitoring systems, since data scarcity is a big challenge in both studies. Without a profound data basis, water resources management is limited to many assumptions and approximations, increasing the level of uncertainty for any results.
Keywords: Managed Aquifer Recharge; MAR; Integrated Water Resources Management; IWRM; Northeast Brazil; Palestine; BRAMAR; SMART-MOVE

German

Die vorliegende Arbeit setzt den Fokus auf die Entwicklung, Anwendung und Beurteilung eines neuen integrativen Planungsansatzes für die kontrollierte Grundwasseranreicherung (engl. MAR -Managed Aquifer Recharge) im Kontext eins integrierten Wasserressourcenmanagements (engl. IWRM -Integrated Water Resources Management). Der Ansatz kombiniert Themen des quantitativen Wasserressourcenmanagements mit der Grundidee des MAR, die Grundwasserneubildung künstlich zu erhöhen. Um den Ansatz zu testen, wird er für zwei fundamental unterschiedliche Fallstudien angewendet: die tropische Küstenregion um die Stadt João Pessoa im Nordosten Brasiliens, sowie die Stadt Jericho und das angrenzende Dorf Auja im semi-ariden Unteren Jordantal, Palästina. Für die tropisch geprägte Fallstudie João Pessoa kann keine akute Gefährdung der örtlichen Grundwasserressourcen festgestellt werden. Das Wasserressourcensystem zeigt jedoch eine hohe Sensitivität und Gefahr für Übernutzung unter der Annahme verschiedener Szenarien zukünftiger Entwicklung. Die Ergebnisse zeigen, dass dieses Risiko erheblich reduziert werden kann, wenn entsprechende Maßnahmen zeitnah durchgeführt werden. Eine dezentrale Implementierung von mit Oberflächenwasser betriebenen MAR Anlagen wurde als potentielle Maßnahme identifiziert, um eine nachhaltige Entwicklung der Wasserressourcen, selbst unter herausfordernden möglichen Entwicklungen zu unterstützen. Es wird empfohlen, an mindestens zwei Standorten MAR Pilotanlagen zu errichten, um jeweils Infiltrations-und Injektionstechnologien im Gelände zu testen. Die semi-aride Fallstudie Jericho-Auja leidet bereits heute unter enormer Wasserknappheit und einer zusätzlichen Belastung durch hohe saisonale und jährliche Schwankungen der Wasserversorgung. Eine Reihe von Maßnahmen wird empfohlen, welche in Kombination mit einer MAR Implementierung die Menge an bereitgestelltem Wasser erhöhen und die Volatilität der Wasserversorgung reduzieren könnten. Als die vielversprechendste Maßnahme wird hierbei die Errichtung mehrerer Tiefbrunnen empfohlen. Szenarien zukünftiger Entwicklung zeigen einen weiter steigenden Wasserbedarf an, welcher selbst nach Aktivierung sämtlicher lokaler Wasserressourcen nur über weitere Importe gedeckt werden könnte. Auch für diese Fallstudie wird die Installation einer MAR Pilotanlage in direkter Verbindung mit der Installation wenigstens eines Tiefbrunnens empfohlen. Politische Einschränkungen werden für diese Studie nicht beachtet. In beiden Fallstudien hat die Anwendung des vorgeschlagenen neuen Planungsansatzes zu wertvollen Ergebnissen und einem verbesserten Verständnis des lokalen Wasserressourcensystems geführt. Ausführlichere Empfehlungen werden für das Monitoring der Ressourcen ausgesprochen, da beide Regionen durch einen Mangel an Daten geprägt sind. Ohne eine solide Datengrundlage wird jegliches Wasserressourcenmanagement auf zahlreiche Vermutungen und Schätzungen limitiert, welche einen erhöhten Grad an Unsicherheit gewonnener Ergebnisse bewirken.
 
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