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Experimental and numerical studies on the water balance of the Upper Mega Aquifer system, Arabian Peninsula

Schulz, Stephan :
Experimental and numerical studies on the water balance of the Upper Mega Aquifer system, Arabian Peninsula.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6299]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6299

Kurzbeschreibung (Abstract)

Besides a few perennial rivers, like the Euphrates, surface water resources are scarce and often not reliable in its temporal availability on the Arabian Peninsula. Consequently, the region relies on its mainly fossil groundwater reserves, which are predominantly stored in the sedimentary formations of the Arabian Platform. One of its major groundwater reservoirs is the Upper Mega Aquifer (UMA) system. The present thesis comprises three major studies on this aquifer system. The first one deals with a specific type of groundwater recharge: the accumulation of surface water and its discharge into karst features like open shafts and sinkholes. In order to quantify the amount of recharge, a combined approach of time-lapse camera monitoring and water balance modelling was applied. Finally, an average groundwater recharge rate of about 5 mm a-1 could be estimated for the As Sulb plateau, which constitutes an outcrop area of the Umm Er Radhuma karst aquifer. Moreover, this study discusses the non-linearity of recharge processes in arid environments. The second study deals with the groundwater evaporation from salt pans. During this study, different methods are used to provide a comprehensive picture of this process. These methods include satellite image analysis for the mapping of salt pan areas, isotopic investigations in order to distinguish between groundwater and seawater dominated salt pans, and a column experiment for the quantification of evaporation rates. A combination of these methods suggests a total annual groundwater loss of 1.3 km3 for the UMA system caused by the evaporation from salt pans. The third study encompasses the set-up and the calibration of a numerical groundwater flow model. In the course of this study, the phenomenon of fossil groundwater gradients is discussed and a novel calibration scheme is introduced. The final part of this thesis applies the model and three different development scenarios for groundwater abstraction are simulated and discussed.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Schulz, Stephan
Titel: Experimental and numerical studies on the water balance of the Upper Mega Aquifer system, Arabian Peninsula
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Besides a few perennial rivers, like the Euphrates, surface water resources are scarce and often not reliable in its temporal availability on the Arabian Peninsula. Consequently, the region relies on its mainly fossil groundwater reserves, which are predominantly stored in the sedimentary formations of the Arabian Platform. One of its major groundwater reservoirs is the Upper Mega Aquifer (UMA) system. The present thesis comprises three major studies on this aquifer system. The first one deals with a specific type of groundwater recharge: the accumulation of surface water and its discharge into karst features like open shafts and sinkholes. In order to quantify the amount of recharge, a combined approach of time-lapse camera monitoring and water balance modelling was applied. Finally, an average groundwater recharge rate of about 5 mm a-1 could be estimated for the As Sulb plateau, which constitutes an outcrop area of the Umm Er Radhuma karst aquifer. Moreover, this study discusses the non-linearity of recharge processes in arid environments. The second study deals with the groundwater evaporation from salt pans. During this study, different methods are used to provide a comprehensive picture of this process. These methods include satellite image analysis for the mapping of salt pan areas, isotopic investigations in order to distinguish between groundwater and seawater dominated salt pans, and a column experiment for the quantification of evaporation rates. A combination of these methods suggests a total annual groundwater loss of 1.3 km3 for the UMA system caused by the evaporation from salt pans. The third study encompasses the set-up and the calibration of a numerical groundwater flow model. In the course of this study, the phenomenon of fossil groundwater gradients is discussed and a novel calibration scheme is introduced. The final part of this thesis applies the model and three different development scenarios for groundwater abstraction are simulated and discussed.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften > Fachgebiet Hydrogeologie
Hinterlegungsdatum: 18 Jun 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6299
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62994
Gutachter / Prüfer: Schüth, Prof. Dr. Christoph ; Merz, Prof. Dr. Ralf ; Rausch, Prof. Dr. Randolf ; Sass, Prof. Dr. Ingo ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 März 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Auf der Arabischen Halbinsel sind oberirdische Wasserressourcen bis auf ein paar wenige perennierende Flüsse, wie z.B. den Euphrat, selten und zeitlich-kontinuierlich nicht verlässlich verfügbar. Die Wasserversorgung der Region basiert daher größtenteils auf der Förderung von fossilen Grundwasserressourcen, die vor allem in den großen Sedimentbecken der Arabischen Halbinsel gespeichert sind. Einer der großen Grundwasserspeicher der Arabischen Halbinsel ist das Upper Mega Aquifer (UMA) System. Die vorliegende Arbeit untersucht dieses Aquifersystem in drei Teilstudien. Die erste Studie beschäftigt sich mit einem spezifischen Typ der Grundwasserneubildung, bei dem sich zunächst ein Oberflächenabfluss sammelt, der anschließend in Karstschächten oder Dolinen einfließt. Um die Grundwasserneubildungsrate zu bestimmen, wurden hier zwei Untersuchungsmethoden kombiniert: die Auswertung von Zeitrafferfotos und eine Wasserhaushaltsmodellierung. Als Ergebnis konnte eine durchschnittliche Grundwasserneubildungsrate von etwa 5 mm pro Jahr für die As Sulb Ebene ermittelt werden. Diese ist ein Teil des Aufschlusses vom Umm Er Radhuma Aquifer. Im Weiteren diskutiert die Studie die Nicht-Linearität von Grundwasserneubildungsprozessen in ariden Gebieten. Eine zweite Studie untersucht die Grundwasserverdunstung aus Salzpfannen. Um den Prozess in seiner Ganzheit zu beschreiben, wurde auf folgende Methoden angewendet: (i) eine Auswertung von Satellitenbildern für die Kartierung der Salzpaffen, (ii) Isotopenuntersuchungen für die Unterscheidung zwischen grundwasser- und meerwassergespeisten Salzpfannen und (iii) ein Säulenexperiment für die Quantifizierung der Verdunstungsraten. Eine Kombination dieser Methoden lässt auf eine jährliche absolute Grundwasserverdunstung aus dem UMA System von 1,3 km3 schließen. Die dritte Studie umfasst den Aufbau und die Kalibrierung eines numerischen Grundwasserflussmodells. Im Rahmen dieser Studie wurde das Phänomen der fossilen Grundwassergradienten behandelt und ein neues Kalibrierungskonzept entwickelt. Im finalen Teil der Arbeit wird dieses Model angewendet und drei verschieden Entwicklungsszenarien für die Grundwasserentnahme simuliert und diskutiert.Deutsch
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