TY - THES A1 - Wang, Weishi T1 - Influence of river reconstruction at a bank filtration site T1 - Wasserqualität und 3D-Modellierung des Grundwasserflusses und des Wärmetransports BT - water quality field investigation and 3D modelling of groundwater flow and heat transport N2 - Bank filtration is an effective water treatment technique and is widely adopted in Europe along major rivers. It is the process where surface water penetrates the riverbed, flows through the aquifer, and then is extracted by near-bank production wells. By flowing in the subsurface flow passage, the water quality can be improved by a series of beneficial processes. Long-term riverbank filtration also produces colmation layers on the riverbed. The colmation layer may act as a bioactive zone that is governed by biochemical and physical processes owing to its enrichment of microbes and organic matter. Low permeability may strongly limit the surface water infiltration and further lead to a decreasing recoverable ratio of production wells.The removal of the colmation layer is therefore a trade-off between the treatment capacity and treatment efficiency. The goal of this Ph.D. thesis is to focus on the temporal and spatial change of the water quality and quantity along the flow path of a hydrogeological heterogeneous riverbank filtration site adjacent to an artificial-reconstructed (bottom excavation and bank reconstruction) canal in Potsdam, Germany. To quantify the change of the infiltration rate, travel time distribution, and the thermal field brought by the canal reconstruction, a three-dimensional flow and heat transport model was created. This model has two scenarios, 1) ‘with’ canal reconstruction, and 2) ‘without’ canal reconstruction. Overall, the model calibration results of both water heads and temperatures matched those observed in the field study. In comparison to the model without reconstruction, the reconstruction model led to more water being infiltrated into the aquifer on that section, on average 521 m3/d, which corresponded to around 9% of the total pumping rate. Subsurface travel-time distribution substantially shifted towards shorter travel times. Flow paths with travel times <200 days increased by ~10% and those with <300 days by 15%. Furthermore, the thermal distribution in the aquifer showed that the seasonal variation in the scenario with reconstruction reaches deeper and laterally propagates further. By scatter plotting of δ18O versus δ 2H, the infiltrated river water could be differentiated from water flowing in the deep aquifer, which may contain remnant landside groundwater from further north. In contrast, the increase of river water contribution due to decolmation could be shown by piper plot. Geological heterogeneity caused a substantial spatial difference in redox zonation among different flow paths, both horizontally and vertically. Using the Wilcoxon rank test, the reconstruction changed the redox potential differently in observation wells. However, taking the small absolute concentration level, the change is also relatively minor. The treatment efficiency for both organic matter and inorganic matter is consistent after the reconstruction, except for ammonium. The inconsistent results for ammonium could be explained by changes in the Cation Exchange Capacity (CEC) in the newly paved riverbed. Because the bed is new, it was not yet capable of keeping the newly produced ammonium by sorption and further led to the breakthrough of the ammonium plume. By estimation, the peak of the ammonium plume would reach the most distant observation well before February 2024, while the peaking concentration could be further dampened by sorption and diluted by the afterward low ammonium flow. The consistent DOC and SUVA level suggests that there was no clear preference for the organic matter removal along the flow path. N2 - Die Uferfiltration, eine wirksame Wasseraufbereitungstechnik, ist an Europas großen Flüssen weit verbreitet. Es bezieht sich dabei hauptsächlich auf einen Prozess, wobei das Oberflächenwasser in das Flussbett eindringt, durch den Grundwasserleiter fließt und schließlich durch ufernahe Brunnen gewonnen wird. Beim Einströmen in den unterirdischen Aquifer verbessert sich die Wasserqualität durch eine Reihe von vorteilhaften Reaktionen, die jedoch langfristig zum Auftreten von Kolmation des Flussbetts führen. Aufgrund der Anreicherung von Mikroben und organischen Substanzen bildet sich die Kolmationsschicht einerseits als bioaktive Zone für zahlreiche biochemische Reaktionen; andererseits kann ihre geringe Permeabilität die Infiltration von Oberflächenwasser behindern, welches zur Produktivitätseinschränkung von Brunnen führt. Daher ist das Entfernen der Kolmationsschicht immer ein Kompromiss zwischen Behandlungskapazität und Effizienz. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Wasserqualität und -menge entlang des Fließwegs eines hydrogeologisch heterogenen Uferfiltrat-Standorts nahe einem baulich vertieften Kanal (Ausbaggerung und Ufersanierung) in Potsdam zu untersuchen. Zur Quantifizierung der durch die Kanalvertiefung hervorgerufenen Änderung auf die Infiltrationsrate, die Laufzeitverteilung und das thermische Feld wurde ein dreidimensionales Strömungs- und Wärmetransportmodell mit zwei Modellszenarien (mit und ohne Baumaßnahmen) erstellt. Insgesamt stimmten die Kalibrierungsergebnisse der Wasserstände und der Temperaturen mit den Beobachtungen überein. Die Modellierungsergebnisse zweier Szenarien zeigten, dass durch die Vertiefung durchschnittlich 521 m3/d, was etwa 9% der Gesamtpumprate entspricht, mehr Wasser in den Grundwasserleiter geflossen ist. Die unterirdische Fliesszeit verkürzte sich. Die Anzahl der Fliesswege mit Fliesszeiten <200 Tage erhöhten sich um ca. 10% und jene mit <300 Tage um 15%. Darüber hinaus breitete sich die Wärme im Grundwasserleiter tiefer und weiter im Modell mit Baumaßnahmen aus. Mittels Streudiagrammen von d18O und d2H konnte das infiltrierte Flusswasser vom landseitigen Grundwasser unterschieden werden, während eine dekolmationsbedingte Erhöhung des Flusswasseranteils in Brunnen durch Piper-Diagramme nachgewiesen werden konnte. Die geologische Heterogenität verursachte erhebliche horizontale und vertikale Unterschiede in der Redox-Zonierung zwischen verschiedenen Strömungsbahnen. Das Redoxniveau verändert sich in verschiedenen Brunnen durch die Baumaßnahme. Die Behandlungseffizienz für organische und anorganische Stoffe blieb unabhänig von der Baumaßnahme erhalten, mit Ausnahme von Ammonium. Dies ist wohl auf die Änderung der Kationenaustauschkapazität im neu ausgebaggerten Flussbett zurückzuführen, das noch nicht in der Lage war, neu entstehendes Ammonium zu absorbieren, was zu einem Fortschreiten der Ammonium-Fahne führt. Schätzungsweise erreicht das Maximum der Ammonium-Fahne den entferntesten Brunnen vor Februar 2024, wobei sich die Konzentration durch Sorption und Vermischung mit nachströmendem Wassser verringern sollte. Das gleichbleibende DOC- und SUVA-Niveau deutete darauf hin, dass es keine Bevorzugung beim Abbau organischer Substanzen entlang des Fließwegs gab. KW - Bank filtration KW - Groundwater modelling KW - Heat transport KW - Geological heterogeneity KW - Decolmation KW - Wärmetransport KW - Uferfiltration KW - Grundwassermodellierung KW - Geologische Heterogenität KW - Dekolmation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-490234 ER - TY - THES A1 - Koç, Azize T1 - Ultrafast x-ray studies on the non-equilibrium of the magnetic and phononic system in heavy rare-earths T1 - Ultraschnelle Röntgenuntersuchungen des Nichtgleichgewichts der magnetischen und phononischen Systeme in schweren Seltenen Erden N2 - In this dissertation the lattice and the magnetic recovery dynamics of the two heavy rare-earth metals Dy and Gd after femtosecond photoexcitation are described. For the investigations, thin films of Dy and Gd were measured at low temperatures in the antiferromagnetic phase of Dy and close to room temperature in the ferromagnetic phase of Gd. Two different optical pump-x-ray probe techniques were employed: Ultrafast x-ray diffraction with hard x-rays (UXRD) yields the structural response of heavy rare-earth metals and resonant soft (elastic) x-ray diffraction (RSXD), which allows measuring directly changes in the helical antiferromagnetic order of Dy. The combination of both techniques enables to study the complex interaction between the magnetic and the phononic subsystems. N2 - In dieser Dissertation wird die Relaxationsdynamik des Gitters und der magnetischen Ordnung der zwei schweren, seltenen Erden Dy und Gd nach der Anregung mit femtosekunden Laserpulsen beschrieben. Für diese Untersuchungen wurden dünne Schichten von Dy und Gd bei niedrigen Temperaturen in der antiferromagnetischen Phase von Dy und nahe der Raumtemperatur in der ferromagnetischen Phase von Gd gemessen. Es wurden zwei verschiedene Experimente mittels optischem Anrege- Röntgen Abfrageverfahren durchgeführt, die ultraschnelle Röntgenbeugung mit harten Röntgenstrahlen (UXRD) und die resonante weiche (elastische) Röntgenbeugung (RSXD). Letzteres Verfahren erlaubt es, direkt die Änderungen der helikalen, antiferromagnetischen Ordnung zu messen. Die Kombination beider Techniken ermöglicht es, die komplexe Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und dem phononischen Subsystem zu untersuchen. KW - magnetostriction KW - time-resolved x-ray diffraction KW - resonant soft x-ray diffraction KW - magnetism KW - critical exponent KW - heat transport KW - dysprosium KW - gadolinium KW - rare-earth metals KW - non-equilibrium KW - dynamics KW - magnetic and phononic system KW - Magnetostriktion KW - zeitaufgelöste Röntgenbeugung KW - resonante weiche Röntgenbeugung KW - Magnetismus KW - kritischer Exponent KW - Wärmetransport KW - Dysprosium KW - Gadolinium KW - Metalle der seltenen Erden KW - Nichtgleichgewicht KW - Dynamik KW - magnetisches und phononisches System Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423282 ER - TY - THES A1 - Munz, Matthias T1 - Water flow and heat transport modelling at the interface between river and aquifer T1 - Wasserfluss- und Wärmetransportmodellierung an der Schnittstelle zwischen Fluss und Grundwasserleiter N2 - The functioning of the surface water-groundwater interface as buffer, filter and reactive zone is important for water quality, ecological health and resilience of streams and riparian ecosystems. Solute and heat exchange across this interface is driven by the advection of water. Characterizing the flow conditions in the streambed is challenging as flow patterns are often complex and multidimensional, driven by surface hydraulic gradients and groundwater discharge. This thesis presents the results of an integrated approach of studies, ranging from the acquisition of field data, the development of analytical and numerical approaches to analyse vertical temperature profiles to the detailed, fully-integrated 3D numerical modelling of water and heat flux at the reach scale. All techniques were applied in order to characterize exchange flux between stream and groundwater, hyporheic flow paths and temperature patterns. The study was conducted at a reach-scale section of the lowland Selke River, characterized by distinctive pool riffle sequences and fluvial islands and gravel bars. Continuous time series of hydraulic heads and temperatures were measured at different depths in the river bank, the hyporheic zone and within the river. The analyses of the measured diurnal temperature variation in riverbed sediments provided detailed information about the exchange flux between river and groundwater. Beyond the one-dimensional vertical water flow in the riverbed sediment, hyporheic and parafluvial flow patterns were identified. Subsurface flow direction and magnitude around fluvial islands and gravel bars at the study site strongly depended on the position around the geomorphological structures and on the river stage. Horizontal water flux in the streambed substantially impacted temperature patterns in the streambed. At locations with substantial horizontal fluxes the penetration depths of daily temperature fluctuations was reduced in comparison to purely vertical exchange conditions. The calibrated and validated 3D fully-integrated model of reach-scale water and heat fluxes across the river-groundwater interface was able to accurately represent the real system. The magnitude and variations of the simulated temperatures matched the observed ones, with an average mean absolute error of 0.7 °C and an average Nash Sutcliffe Efficiency of 0.87. The simulation results showed that the water and heat exchange at the surface water-groundwater interface is highly variable in space and time with zones of daily temperature oscillations penetrating deep into the sediment and spots of daily constant temperature following the average groundwater temperature. The average hyporheic flow path temperature was found to strongly correlate with the flow path residence time (flow path length) and the temperature gradient between river and groundwater. Despite the complexity of these processes, the simulation results allowed the derivation of a general empirical relationship between the hyporheic residence times and temperature patterns. The presented results improve our understanding of the complex spatial and temporal dynamics of water flux and thermal processes within the shallow streambed. Understanding these links provides a general basis from which to assess hyporheic temperature conditions in river reaches. N2 - Die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserqualität und die ökologische Beschaffenheit von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. Der Austausch von Wärme und gelösten Substanzen zwischen diesen beiden Kompartimenten ist maßgeblich durch die Austauschraten und die Strömungsrichtung des Wassers beeinflusst. Somit ist die Charakterisierung dieser beiden Größen in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser von besonderer Bedeutung. Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wasser- und Wärmeflusses an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser. Die Arbeit besteht im Wesentlichen aus zwei Schwerpunkten. Der erste Schwerpunkt beinhaltet die Entwicklung und Bewertung von analytischen und numerischen Methoden zur Bestimmung der horizontalen Strömungsrichtung und Austauschraten unter Verwendung von kontinuierlich gemessenen Temperaturzeitreihen entlang vertikaler Profile im gesättigten Sediment. Flussbetttemperaturen können relativ einfach und kostengünstig entlang eines Flussabschnittes in verschiedenen Tiefen und unterschiedlichsten Flussbettsedimenten (organisch, sandig bis grob kiesig) gemessen werden. Die Hauptverwendung solcher Temperaturprofile ist bisher auf die analytische Quantifizierung vertikaler Austauschraten limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ansatz entwickelt, der eine punktuelle Ermittlung der horizontalen Strömungs-komponente, basierend auf der Veränderung der täglichen Temperaturamplitude mit zunehmender Tiefe, ermöglicht. Weiterhin wurde ein inverser, numerischer Ansatz entwickelt, der die ein-dimensionale Wärmetransportgleichung numerisch löst und mittels inverser Optimierungsalgorithmen die simulierten Temperaturen bestmöglich an die gemessenen Flussbetttemperaturen anpasst. Diese Methode ermöglicht die automatische, zeitlich variable Quantifizierung vertikaler Austauschraten an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie eine einfache Unsicherheitsbetrachtung aufgrund der zugrunde liegenden Parameterunsicherheiten. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der entwickelten Methoden und der Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmodelles entlang eines Flussabschnittes der Selke. Numerische Strömungs- und Stofftransportmodelle ermöglichen die gekoppelte Simulation von Fließprozessen im offenen Gerinne und im darunter liegenden porösen Medium. Die Parametrisierung des Modells erfolgte anhand empirischer Daten die im Untersuchungsgebiet detailliert erhoben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen gebietsspezifische Gegebenheiten auf, ermöglichten darüber hinaus jedoch auch die Beschreibung allgemeiner Muster und Zusammenhänge welche die Wasserfluss- und Wärmetransportprozesse an der Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen. So zeigten die Ergebnisse dieser Arbeit, dass maßgeblich die natürlich vorhandenen Flussbettstrukturen die Austauschraten und die Strömungsrichtung zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser beeinflussen und somit den hyporheischen Austausch bestimmen. Wichtige Einflussfaktoren auf die untersuchten Austauschprozesse waren die Lage im Gerinne relativ zur Flussbettstruktur und der vorherrschende Wasserstand (Abfluss). Bedingt durch den Wasser- und Wärmeaustausch prägten sich im Untersuchungsgebiet Bereiche aus in denen die täglichen Temperaturschwingungen tief in das Sediment eindringen (Anstrombereich der Flussbettstrukturen), als auch Bereiche in denen relativ konstante Temperaturen, nahe der Grundwassertemperatur, vorherrschten. Die durchschnittliche Temperatur in der hyporheischen Zone wurde durch die saisonalen Temperaturschwankungen im Oberflächenwasser dominiert, wobei die Temperaturen entlang einzelner Fließpfade stark von der Verweilzeit des Oberflächen- oder Grundwassers im gesättigten Sediment und dem Temperaturgradienten zwischen Fluss und Grundwasser abhängig waren. Trotz der Komplexität dieser Zusammenhänge, ermöglichten die Simulationsergebnisse die Ableitung einer allgemeinen empirischen Beziehung zwischen den hyporheischen Verweilzeiten und Temperaturmustern. Sowohl die Verweilzeiten als auch die Temperatur im gesättigten Sediment haben einen entscheiden Einfluss auf biogeochemische Prozesse in dem Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser und sind somit von besonderer Bedeutung für die Wasserqualität von Seen, Flüssen und aquatischen Ökosystemen. KW - surface water-groundwater interaction KW - Oberflächenwasser-Grundwasser Interaktion KW - hyporheic zone KW - hyporheische Zone KW - numerical modeling KW - numerische Modellierung KW - heat transport KW - Wärmetransport KW - temperature KW - Temperatur Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404319 ER -