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Investigation of groundwater-surface water interactions with distributed temperature sensing (DTS)
Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont vitales pour les écosystèmes aquatiques car elles influencent sur la température de l’eau, la disponibilité en nutriments et en oxygène dissous et sur la qualité de l'eau dans la zone hyporhéique. Un déficit dans ces interactions pourrait conduire à la détérioration de la santé et du fonctionnement de ces écosystèmes. Entre 1997 et 2008, des recherches ont montré que 22 % des cours d’eau suisses se trouvent dans un état critique écomorphologique (artificielles ou couvertes par exemple). En conséquence, la restauration des rivières est devenue une obligation légale, stipulant la revitalisation de 4000 kilomètres de cours d’eaux et de rivières endommagés sur une période de 80 ans. Dans le cadre de cette thèse, les données sur la revitalisation des cours d’eaux suisses ont été recueillies pour 13 des 26 cantons suisses, pour une période allant de 1979 à 2012. Les résultats ont montré que la longueur totale restaurée a augmenté constamment depuis 1979, avecune longueur moyenne de revitalisation de 9.8 km par an. L’analyse des mesures de revitalisation utilisées a montré des tendances géographiques. Dans la Romandie, des combinaisons des mesures de revitalisation plus durables ont été favorisées, par exemple des méthodes de bio-ingénierie et d’amélioration de la qualité de l’eau. En revanche, les cantons de la Suisse centrale et orientale, préfèrent une seule mesure de restauration avec un degré élevé d’intervention mécanique. En général, les contrôles d’efficacité des restaurations n’ont été réalisés dans moins de 10 % des projets de revitalisation étudiés. La plupart de ces contrôles concerne seulement le nombre des espèces indicatrices, comme les truites. Le rétablissement des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface n’a été analysé dans aucun des projets. Dans ce contexte, la présente thèse a pour objectif d’analyser l’influence des mesures de revitalisation sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Il existe un grand nombre de techniques d’analyse des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface, parmi lesquels les méthodes des mesures géochimiques, hydrogéologiques et physiques. Dans la présente étude, une combinaison de ces approches est utilisée, avec une attention particulière à la température de l’eau. Cette dernière est examinée par Distributed Temperature Sensing (DTS). La méthode standard DTS utilisée jusqu’à présent permet seulement d’étudier les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface dans des ruisseaux exfiltrants. Afin d’étudier les effets de la revitalisation des cours d’eaux sur les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface, une méthode applicable dans des conditions exfiltrantes et infiltrantes pour tout taille de cours d’eau est nécessaire. En conséquence, une nouvelle méthode de mesure a été développée dans cette thèse. Cette méthode dite PAB combine des éléments des méthodes DTS passives (P) et actives (A) existantes avec l’enterrement du câble à fibre optique sous le lit de la rivière. Cette méthode permet des investigations à long terme des interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface dans les cours d’eau exfiltrants et infiltrants de toute dimension. Toutefois, une personne doit être présente pour contrôler le chauffage du câble à fibre optique pendant la mesure DTS active. . Pour contourner cette limitation et permettre l’application à long terme de la méthode PAB dans les régions éloignées, un système DTS autonome (ADTSS) a été développé. Ce dernier cumule plusieurs avantages dont la commande à distance, le transfert automatique des données et le chauffage automatique du câble à fibre optique. Avec l’aide de l’ADTSS et la méthode PAB, les effets de la revitalisation des cours d’eaux sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface ont été analysés pour un cours d’eau urbain. Les résultats indiquent que la construction d’îlots de graviers augmente l’infiltration de l’eau de surface dans le lit du cours d’eau. Sur la base de ces recherches, on peut conclure que certaines modifications de la morphologie des rivières ont un effet positif sur les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Ainsi, la revitalisation des cours d’eau peut être une méthode efficace pour améliorer les interactions de l’eau souterraine avec les eaux de surface., Groundwater-surface water interactions are a vital necessity for aquatic ecosystems as they control the water temperature, the availability of nutrients, dissolved oxygen and the water quality in the hyporheic zone. A lack of groundwater-surface water interactions may result in the deterioration of ecosystem health and functioning. Studies between 1997 and 2008 have shown that 22 % of Swiss water courses were severely degraded, e.g. engineered or covered. As a consequence, river restoration was made a legal obligation, stipulating the restoration of 4000 km of degraded rivers and streams over the course of the next 80 years. For this thesis a review of Swiss river restoration data between 1979 and 2012 for 13 of the 26 Swiss cantons was performed. Results indicated that restoration activities had steadily increased since 1979, with an average restoration rate of 9.8 km/year. An analysis of the restoration techniques revealed interesting geographical trends. In western Switzerland, more sustainable combinations of restoration measures, such as bioengineering or water quality improvements, were favoured. Cantons in central and eastern Switzerland, on the other hand, preferred single restoration measures with a higher degree of mechanical intervention. In general, the evaluation of restoration effects was only reported for less than 10 % of all investigated restoration projects. These mainly focussed on the number of flagship species, such as trout. None of the investigated projects tested whether river restoration had re-established groundwater-surface water interactions. Hence, this thesis aims at investigating the effects of river restorations on groundwater-surface water interactions. A number of techniques are commonly used to investigate groundwater-surface water interactions, including geochemical, hydrogeological and physical approaches. In the present study a combination of approaches is employed, with the main focus being on the physical parameter of water temperature. The latter is investigated with Distributed Temperature Sensing (DTS). DTS is used to measure temperature differences between ground- and surface water in surface water bodies. So far, the existing DTS methods have enabled the investigation of groundwater-surface water interactions under gaining conditions in small brooks. In order to investigate the effect of river restoration on groundwater-surface water interactions, however, a method applicable in both gaining and losing conditions, and which is suitable for water courses of all sizes is required. For this purpose, a new methodology, the PAB approach, has been developed, which combines passive (P) and active (A) DTS methods with the burying (B) of the fibre-optic cable in the subsurface. This approach enables long-term distributed investigations of groundwater-surface water interactions under gaining and losing conditions in water courses of all sizes. The active DTS method in the PAB approach, however, requires the direct presence of an operator controlling the heating of the fibre-optic cable. In order to circumvent this limitation and enable long-term temperature measurements with the PAB approach in remote areas, an autonomous DTS system (ADTS system) has been developed. This system combines several advantages, such as remote control, automated data transfer, and automated heating. By aid of the ADTS system and the PAB approach, the effect of river restoration on groundwater-surface water interactions has been investigated in an urban stream. Results indicate that the installation of gravel islands increased the rate of surface water downwelling. Generalising the results, it may be assumed that such changes to river morphology will have a positive effect on the rate of groundwater-surface water interactions. Therefore, river restoration may be successful in enhancing groundwater-surface water interactions. Concerning the newly-developed DTS method and measurement system, it could be shown that the combination of the ADTS system and the PAB approach is a powerful tool for the investigation of groundwater-surface water interactions. In future river restoration projects, this tool should be employed for evaluating its success in re-establishing groundwater-surface water interactions., Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen sind eine notwendige Voraussetzung für gesunde aquatische Ökosysteme, da diese die Verfügbarkeit von Nährstoffen und gelöstem Sauerstoff, aber auch die Wassertemperatur und –qualität in der hyporheischen Zone beeinflussen. Ein Fehlen dieses Austauschs kann Zustand und Funktion solcher Ökosysteme stark beeinträchtigen. Zwischen 1997 und 2008 durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass sich in der Schweiz bis zu 22 % der Fliessgewässer in einem ökomorphologisch schlechten Zustand befinden und z.B. künstlich oder eingedolt sind. Als Folgerung dieser Ergebnisse wurde die Revitalisierung von 4000 Flusskilometer über einen Zeitraum von 80 Jahren gesetzlich vorgeschrieben. Für die vorliegende Doktorarbeit wurden Daten von Schweizer Flussrevitalisierungen, welche zwischen 1979 und 2012 durchgeführt wurden, erhoben und ausgewertet. Die Ergebnisse der Erhebung, bei der 13 der 26 Schweizer Kantone teilnahmen, zeigten, dass die Gesamtlänge revitalisierter Fliessgewässer seit 1979 stetig zugenommen hat. Dabei lag die mittlere Revitalisierungslänge bei 9.8 km pro Jahr. Bezüglich der eingesetzten Revitalisierungsmassnahmen zeigten sich geographische Trends. In der West-Schweiz wurden eher auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Kombinationen von Revitalisierungsmassnahmen favorisiert, wie z.B. biologischen Verfahrenstechniken und Massnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität. Kantone der Zentral- und Ost-Schweiz hingegen bevorzugten einzelne bauliche Massnahmen, wie beispielsweise das Ausbaggern und Neugestalten des Flussbetts. Bei den Erfolgskontrollen ergaben sich keine geografischen Trends. Generell wurden diese nur bei 10 % aller untersuchten Revitalisierungsprojekte durchgeführt, wobei sich diese häufig nur auf die Anzahl von Leitarten, wie z.B. Forellen, konzentrierten. Grundwasser-Oberflächen-Interaktionen wurden in keinem der vorliegenden Projekte untersucht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, wie sich Flussrevitalisierungen auf den Austausch zwischen Grund- und Oberflächenwasser auswirken. Für die Untersuchung von Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen sind diverse geochemische, hydrogeologische oder physikalische Messmethoden verfügbar und wurden in dieser Arbeit verwendet. Das Hauptaugenmerk richtet sich hierbei auf die Wassertemperatur, welche mit Distributed Temperature Sensing (DTS) untersucht wurde. DTS misst hierbei die Wassertemperatur in Fliessgewässern, wobei es sich die Temperaturunterschiede zwischen Grund- und Oberflächenwasser zu Nutze macht. Bisherige DTS-Standardverfahren ermöglichen ausschliesslich die Untersuchung von Grundwasser-Oberflächen-Interaktionen in effluenten (Grundwasser gewinnenden) Bächen. Untersuchungen in grösseren oder in influenten(Wasser abgebenden) Fliessgewässern sind nicht möglich. Um jedoch die Auswirkungen der Flussrevitalisierung auf die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen untersuchen zu können, dürfen keine Beschränkungen bezüglich der hydrologischen Situation oder der Grösse des Fliessgewässers bestehen. Daher wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine neue Messmethode entwickelt. Diese sogenannte PAB-Methode vereint Elemente der bestehenden passiven (P) und aktiven (A) DTS-Methoden mit der Verlegung eines Glasfaserkabels in das Flussbett (buried, B). Damit werden langfristige Untersuchungen der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen in influenten sowie effluenten Fliessgewässern aller Dimensionen ermöglicht. Für die aktiven DTS-Messungen wird jedoch eine Person zur Bedienung der Glasfaser-Heizung benötigt. Dies erschwert die langfristige Anwendung der PAB-Methode in abgelegenen Gebieten. Um diese Limitierung zu umgehen wurde ein autonomes DTS-Messsystem (ADTS) entwickelt. Letzteres ist ferngesteuert, beheizt das Glasfaserkabel vollautomatisch und sendet seine Daten regelmässig an einen Online-Datenspeicher. Auf diese Weise können die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen auch in abgelegenen Gebieten längerfristig untersucht werden. Mit Hilfe des ADTS Systems und der PAB-Methode wurden die Auswirkungen der Flussrevitalisierung auf die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen exemplarisch in einem revitalisierten urbanen Fliessgewässer untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass die Errichtung von Kiesinseln das Eindringen von Oberflächenwasser in den Untergrund verstärkt hat. Basierend auf diesen Untersuchungen lässt sich schliessen, dass bestimmte Veränderungen der Flussmorphologie, wie z.B. das Einbringen von Kiesinseln, die Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen erhöhen können. Somit können Flussrevitalisierungen eine wirksame Methode zur Verstärkung der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen darstellen. In Bezug auf die entwickelten DTS Methode und DTS Messsystem konnte gezeigt werden, dass die Kombination der PAB-Methode mit dem ADTS System sehr gut geeignet sind, um Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen in Fliessgewässern zu untersuchen. Daher sollte die Kombination der PAB-Methode mit dem ADTS System bei der Erfolgskontrolle zukünftiger Revitalisierungsprojekte Berücksichtigung finden.
Riverbank filtration within the context of river restoration and climate change
L’eau de consommation provenant de la filtration sur berge est généralement de bonne qualité et constitue une source d’eau potable dans plusieurs pays de l’Union Européenne. A l’avenir pourtant, la filtration sur berge devra faire face à deux défis majeurs: les programmes de restauration de rivière et les changements climatiques. La présente thèse vise, d’une part, à approfondir la compréhension des processus physiques et biogéochimiques liés à la filtration sur berge et, d’autre part, à développer de nouveaux outils pour évaluer les impacts potentiels des programmes de restauration et des changements climatiques sur la qualité de l’eau souterraine provenant de ces techniques de filtration.
Les mesures de restauration de rivière peuvent conduire à un raccourcissement des temps de résidence de l’eau entre la rivière et le puits de pompage, et ainsi augmenter les risques de contamination chimique et microbiologique. La modélisation hydrodynamique est une approche quantitative privilégiée pour identifier les chemins d’écoulements souterrains et quantifier les temps de résidence; elle requiert cependant une définition rigoureuse de la variabilité spatiale et temporelle des niveaux de rivière. Dans cette thèse, deux méthodes d’interpolation sont développées pour générer une représentation temporelle adéquate des niveaux de rivières en 1D et 2D. Ces méthodes sont testées sur le site expérimental et partiellement restauré de Niederneunforn (NE de la Suisse), situé sur la rivière préalpine Thur, et sont implémentées dans un modèle numérique d’écoulement et de transport souterrain 3D. Les résultats confirment la pertinence de ces méthodes pour la simulation précise des chemins d’écoulements et des temps de résidence.
Avec les changements climatiques, l’augmentation de la fréquence des vagues de chaleur favorisera probablement le développement de conditions anoxiques dans les zones d’infiltration de la rivière, ce qui tendra à détériorer la qualité de l’eau souterraine rechargée par filtration de berge. Les résultats de campagnes d’échantillonnage et d’expériences sur colonne suggèrent que la dégradation de la matière organique particulaire (MOP) est la principale cause de variabilité de la consommation en oxygène dissous (OD) liée au processus de filtration sur berge. En outre, la consommation de l’OD apparaît positivement corrélée à la température et au débit de la rivière. Cette seconde corrélation est attribuée au piégeage accru de la MOP dans le lit du cours d’eau pendant les périodes de hauts débits. Finalement, afin de quantifier l’influence de la température et du débit sur la consommation en OD dans un contexte de filtration sur berge, un modèle semi-analytique original est développé et évalué, avec succès, sur les données du site de Niederneunforn. Cette approche de modélisation est transférable à d’autres sites de filtration sur berge où des outils performants sont nécessaires pour estimer les teneurs en OD dans diverses conditions climatiques et hydrologiques, et évaluer ainsi le risque de développement de conditions anoxiques., Drinking water derived by riverbank filtration is generally of high quality and is an important source of drinking water in several European countries. In the future however, riverbank-filtration systems will face two major challenges – river restoration and climate change. The goal of this Ph.D. Thesis was to deepen the understanding of physical and biogeochemical processes that occur during riverbank filtration and develop new tools in order to facilitate the assessment of potential adverse effects of river restoration and climate change on the quality of river-recharged groundwater.
River restoration measures can lead to shorter residence times between the river and the pumping well and therefore can increase the risk of drinking water contamination by bacteria or pollutants. Numerical groundwater models provide quantitative information on groundwater flow paths and residence times, but require a rigorous definition of the spatial and temporal river water level distribution. In this thesis, two new interpolation methods were developed to generate time-varying 1D and 2D river water level distributions. The methods were implemented at the partly restored Niederneunforn field site at the peri-alpine Thur River (NE-Switzerland), and were applied to a 3D groundwater flow and transport model. The results confirmed the method’s suitability for accurately simulating groundwater flow paths and residence times.
The increased occurrence of heat waves due to climate change likely favors the development of anoxic conditions in the infiltration zone, which may significantly deteriorate the quality of river-recharged groundwater. Results from field sampling campaigns and column experiments suggest that particulate organic matter (POM) degradation mainly accounted for the variability of dissolved oxygen (DO) consumption during riverbank filtration. Furthermore, DO consumption was found to positively correlate with temperature and discharge. The latter was attributed to an enhanced trapping of POM within the riverbed during high-discharge conditions. To quantify the temperature and discharge dependence of DO consumption during riverbank filtration, a new semi-analytical model was developed and successfully applied to the Niederneunforn field site. The modeling approach can be transferred to other riverbank-filtration systems to efficiently estimate groundwater DO concentrations under various climatic and hydrologic conditions and, hence, to assess the risk of arising anoxic conditions., Mittels Uferfiltration gewonnenes Trinkwasser ist generell von hoher Qualität und stellt eine wichtige Trinkwasserressource für mehrere europäische Länder dar. In der Zukunft werden Uferfiltrationssysteme jedoch mit zwei bedeutenden Herausforderungen konfrontiert – Flussrevitalisierung und Klimaänderung. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, das Verständnis physikalischer und biogeochemischer Prozesse während der Flussinfiltration zu vertiefen und Instrumente zu entwickeln, um potentielle negative Auswirkungen von Flussrevitalisierung und Klimaänderung auf die Qualität des Uferfiltrats besser zu erfassen.
Massnahmen der Flussrevitalisierung können zu verkürzten Fliesszeiten zwischen Fluss und Trinkwasserfassung führen, was das Risiko einer Trinkwasserkontamination mit Bakterien und Schadstoffen erhöhen kann. Numerische Grundwassermodelle liefern quantitative Informationen über Grundwasserfliesspfade und Fliesszeiten, benötigen aber eine genaue Definition der räumlichen und zeitlichen Flusswasserstandsverteilung. In dieser Arbeit wurden zwei neue Interpolationsmethoden entwickelt, um zeitlich variable 1D und 2D Flusswasserstandsverteilungen zu generieren. Die Methoden wurden am teilweise revitalisierten Feldstandort Niederneunforn am voralpinen Fluss Thur (Nordostschweiz) implementiert und auf ein 3D Grundwasserströmungs- und Transportmodell angewandt. Die Resultate bestätigten die Eignung der Methoden zur präzisen Simulation von Grundwasserfliesspfaden und Fliesszeiten.
Das vermehrte Auftreten von Hitzewellen aufgrund der Klimaänderung begünstigt möglicherweise die Ausbildung anoxischer Verhältnisse in der Infiltrationszone, was die Qualität des Uferfiltrats deutlich verschlechtern würde. Die Resultate aus Feldprobennahmen und Säulenversuchen deuten darauf hin, dass der Abbau von partikulärem organischem Material (POM) hauptsächlich für die Variabilität der Sauerstoffzehrung während der Flussinfiltration verantwortlich war. Zusätzlich wurde eine positive Korrelation zwischen der Sauerstoffzehrung und der Temperatur sowie dem Abfluss festgestellt. Letztere wurde einem erhöhten Eintrag von POM in das Flussbett während Hochwasserbedingungen zugeschrieben. Um die Temperatur- und Abflussabhängigkeit der Sauerstoffzehrung während der Flussinfiltration zu quantifizieren, wurde ein neues semi-analytisches Modell entwickelt und erfolgreich am Feldstandort Niederneunforn angewandt. Der Modellansatz lässt sich auf weitere Uferfiltrationssysteme übertragen, um Sauerstoffkonzentrationen im Grundwasser effizient abzuschätzen, und somit das Risiko aufkommender anoxischer Bedingungen zu beurteilen.