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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 14 / Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen  → Institut für Geotechnik und Geohydraulik (IGG)  → Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2014040245284

Title: Numerical Feasibility Study for Treated Wastewater Recharge as a Tool to Impede Saltwater Intrusion in the Coastal Aquifer of Gaza – Palestine
Authors: Sirhan, Hasan Khalil
???metadata.dc.subject.swd???: VerhinderungEindringenSalzwasserGrundwasserGrundwasserleiterAnreicherungAbwasser
???metadata.dc.subject.ddc???: 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 2-Apr-2014
Abstract: The ongoing depletion of the coastal aquifer in the Gaza strip due to groundwater overexploitation has led to the process of seawater intrusion, which is continually becoming a serious problem in Gaza, as the seawater has further invaded into many sections along the coastal shoreline. As a first step to get a hold on the problem, the artificial neural network (ANN)-model has been applied as a new approach and an attractive tool to study and predict groundwater levels without applying physically based hydrologic parameters, and also for the purpose to improve the understanding of complex groundwater systems and which is able to show the effects of hydrologic, meteorological and anthropogenic impacts on the groundwater conditions. Prediction of the future behaviour of the seawater intrusion process in the Gaza aquifer is thus of crucial importance to safeguard the already scarce groundwater resources in the region. In this study the coupled three-dimensional groundwater flow and density-dependent solute transport model SEAWAT, as implemented in Visual MODFLOW, is applied to the Gaza coastal aquifer system to simulate the location and the dynamics of the saltwater–freshwater interface in the aquifer in the time period 2000-2010. A very good agreement between simulated and observed TDS salinities with a correlation coefficient of 0.902 and 0.883 for both steady-state and transient calibration is obtained. After successful calibration of the solute transport model, simulation of future management scenarios for the Gaza aquifer have been carried out, in order to get a more comprehensive view of the effects of the artificial recharge planned in the Gaza strip for some time on forestall, or even to remedy, the presently existing adverse aquifer conditions, namely, low groundwater heads and high salinity by the end of the target simulation period, year 2040. To that avail, numerous management scenarios schemes are examined to maintain the ground water system and to control the salinity distributions within the target period 2011-2040. In the first, pessimistic scenario, it is assumed that pumping from the aquifer continues to increase in the near future to meet the rising water demand, and that there is not further recharge to the aquifer than what is provided by natural precipitation. The second, optimistic scenario assumes that treated surficial wastewater can be used as a source of additional artificial recharge to the aquifer which, in principle, should not only lead to an increased sustainable yield of the latter, but could, in the best of all cases, revert even some of the adverse present-day conditions in the aquifer, i.e., seawater intrusion. This scenario has been done with three different cases which differ by the locations and the extensions of the injection-fields for the treated wastewater. The results obtained with the first (do-nothing) scenario indicate that there will be ongoing negative impacts on the aquifer, such as a higher propensity for strong seawater intrusion into the Gaza aquifer. This scenario illustrates that, compared with 2010 situation of the baseline model, at the end of simulation period, year 2040, the amount of saltwater intrusion into the coastal aquifer will be increased by about 35 %, whereas the salinity will be increased by 34 %. In contrast, all three cases of the second (artificial recharge) scenario group can partly revert the present seawater intrusion. From the water budget point of view, compared with the first (do nothing) scenario, for year 2040, the water added to the aquifer by artificial recharge will reduces the amount of water entering the aquifer by seawater intrusion by 81, 77and 72 %, for the three recharge cases, respectively. Meanwhile, the salinity in the Gaza aquifer will be decreased by 15, 32 and 26% for the three cases, respectively.Die anhaltende Erschöpfung des Küstenaquifers im Gazastreifen hat den Prozess der Salzwasserintrusion verursacht, welche zunehmend zu einem gravierenden Problem in Gaza wird, da das Salzwasser weiter in viele Bereiche entlang der Küste vorgedrungen ist. Als erster Schritt wurde ein künstliches neuronales Netz (KNN) angewendet, zum einen als eine neue Methode und ansprechendes Tool um Grundwasserstände zu beobachten und vorherzusagen, ohne dabei physikalisch basierte, hydrologische Parameter zu verwenden. Zum anderen, um das Verständnis des komplexen Grundwassersystems zu verstehen und die hydrologischen, meteorologischen und anthropogenen Auswirkungen auf den Zustand des Grundwassers aufzuzeigen. Die Vorhersage der Entwicklung des Prozesses der Salzwasserintrusion im Gaza-Aquifer ist somit zum Schutz der ohnehin schon knappen Grundwasserressource in der Region von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wird zur Simulation der Lage und Dynamik der Salz-/Süßwassergrenzeim Gaza- Küstenaquifer für den Zeitraum 2000-2040 das gekoppelte dreidimensionale Grundwasserströmungs- und dichteabhängige Stofftransportmodell SEAWAT angewendet, welches in Visual MODFLOW integriert ist. Eine gute Übereinstimmung der simulierten mit den beobachteten vollständigen Salzgehalte (TDS-Salinität), mit Korrelationskoeffizienten von 0,902 für die stationäre und 0,883 für die instationäre Modellierung, wird erzielt. Nach der erfolgreichen Kalibrierung des Stofftransportmodells werde Zukunftsszenarien für das Management des Gaza-Aquifers simuliert, um einen umfassenden Einblick in die Auswirkungen der geplanten künstlichen Grundwasseranreicherung im Gazastreifen zu erhalten. Diese soll die derzeitig schlechten Bedingungen des Gaza-Aquifers, nämlich niedrige Grundwasserstände und hohe Salinität zum Ende der Simulationsperiode 2040, eindämmen, oder sogar verbessern. Zu diesem Zweck, , d.h., der Erhaltung des Grundwassersystems und der Kontrolle der Ausbreitung der Salinität im Zeitraum 2011-2040, werden zahlreiche Management-Szenarien untersucht. Im ersten, pessimistischen Szenario, wird angenommen, dass die Grundwasserentnahme aus dem Aquifer in der nahen Zukunft weiter zunimmt, um den steigenden Wasserbedarf zu decken und dass, zusätzlich zum Niederschlag, keine weitere Quelle der Grundwasserneubildung vorhanden ist. Das zweite, optimistische Szenario geht davon aus, dass für die Grundwasseranreicherung behandeltes Abwasser genutzt werden kann, was nicht nur die Ergiebigkeit des Aquifers nachhaltig verbessert, sondern im besten Fall, sogar die derzeitigen schlechten Bedingungen im Hinblick auf die Salzwasserintrusion umkehren könnte. Dieses Szenario wird für drei verschiedene Unterfälle getestet, die im Standort und der Ausdehnung der Brunnenfelder für die Injektion des behandelten Abwassers variieren. Die Ergebnisse des ersten „do-nothing“ Szenarios weisen auf eine fortlaufende Salzwasserintrusion in den Aquifer hin. So zeigt es im Vergleich zu den Werten des Basismodels für 2010 eine Zunahme der Salzwasserintrusion um 35% und der Salinität um 34% im Jahr 2040. Im Gegensatz dazu können alle drei Fälle des zweiten (Grundwasseranreicherung) Szenarios die derzeitige Salzwasserintrusion teilweise umkehren. So reduziert die künstliche Grundwasseranreicherung, verglichen mit dem ersten Szenario, die durch Salzwasserintrusion eintretende Wassermenge im Jahr 2040 um, respektive, 81, 77 bzw. 72% für die drei Fälle, während die Salinität um 13, 32, bzw. 26% reduziert wird.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2014040245284
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