Adjustment of DRASTIC vulnerability index to assess groundwater vulnerability for nitrate pollution using the advection diffusion cell [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Taiseer Harb Aljazzar

Aljazzar

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: Deutsch
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Extrait

“Adjustment of DRASTIC Vulnerability Index to Assess Groundwater Vulnerability
for Nitrate Pollution Using the Advection Diffusion Cell”






Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen




zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften




genehmigte Dissertation
vorgelegt von M.Sc.



Taiseer Harb Aljazzar


aus Khanyounis, Gazastreifen






Berichter: Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Dr. H.c. (USST) Rafig Azzam
Univ.-Prof. Dr rer.nat. Thomas R. Rüde



Tag der mündlichen Prüfung: 16. Juni 2010






Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar
Taiseer Harb Aljazzar
Adjustment of DRASTIC Vulnerability Index to Assess Groundwater Vulnerability
for Nitrate Pollution Using the Advection Diffusion Cell
ISBN: 3-86130-621-2
1. Auflage 2010
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Umschlaggestaltung: Druckerei Mainz
printed in Germany
D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2010)
Gedruckt mit Unterstützung des des Deutschen Akademischen AustauschdienstesABSTRACT
This study aims to estimate aquifer vulnerability by applying the standard DRASTIC index as well as
utilizing the Emission-Transmission-Immission (ETI) concept to assess the groundwater vulnerability
to groundwater contamination by nitrate in a part of the Venlo Block (German name: Venloer
Scholle) in the Northwestern of North Rhine-Westphalia in Germany. Data for land use, soil, and
hydrogeological settings in the study area were collected from different sources such as: The
Geological Survey (GD), Ministry for the Environment, Conservation, Agriculture and Consumer
Protection in North Rhine-Westphalia (MUNLV), and the German Working Group on Water Issues of
the Federal States (LAWA). These data have been used to build the seven parameters of the
standard DRASTIC vulnerability index. The final groundwater vulnerability map was constructed. It is
clear that more than 65% of the study area can be classified to have high to very high groundwater
vulnerability. Geostatistical and sensitivity analysis of the standard DRASTIC index showed that the
groundwater recharge and the impact of the vadose zone have the greatest influence on the
groundwater vulnerability. Analysis of the effective weights of the DRASTIC parameters indicated
that the groundwater recharge and the protective layer represented with the impact of the vadose
zone are also the most effective parameter in the final DRASTIC vulnerability index which coincides
with the results of the map removal sensitivity analysis. An additional objective is to demonstrate the
combined use of the DRASTIC index and the ETI model as an effective method for groundwater
pollution risk assessment. The ETI concept was utilized to assess nitrate retardation in different soils
using the Advection-Diffusion (AD) cell. The convective-dispersive solute transport equation has
been solved analytically to calibrate the results of the Advection-Diffusion cell, and high agreement
has been shown. The amount of nitrate sorbed in soil was depending on the grain size distribution
and on the organic matter content and was ranging from about 10% in sandy soils to about 60% in
clayey soils. The retardation parameter of nitrate in soil was also estimated based on the Advection-
Diffusion results which were validated by the analytical solution of the convective-dispersive solute
transport equation. The highest retardation parameter occurred in the soil sample with the highest
silt and clay portions and the highest organic matter content. The nitrate retardation parameter was
integrated in the DRASTIC index and adjusted vulnerability maps (DRAS’TIC, DRASTIC-ETI,
DRASTIC-R indices) were produced considering nitrate retardation in soils. It was clear that t
integrating the retardation factor in DRASTIC index has reduced vulnerability values in the study
area, these findings were enhanced by the positive strong correlation between the new modified
DRASTIC indices values and nitrate concentrations in groundwater, land use classes and the
direction of groundwater flow. The study concluded that (1) the standard DRASTIC index has
overestimated the groundwater vulnerability to nitrate pollution, and (2) using the Advection-Diffusion
cell based on the Emission-Transmission-Immission concept produced more reliable vulnerability
maps after considering nitrate sorption and retardation in soil.
I KURZFASSUNG
Grundwasser ist eine sehr wichtige Quelle der Wasserversorgung in vielen Ländern; in
Deutschland entstammen etwa 70% des für die Wasserversorgung benötigten Wassers aus
Grundwasservorkommen. Um Gewässer über Staats- und Ländergrenzen hinweg zu
schützen, trat im Jahr 2000 die EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) in Kraft. Sie
beinhaltet das Prinzip des integrierten Gewässerschutzes, d.h. Schutz von Grundwasser,
Oberflächengewässern und aquatischen Lebensgemeinschaften. In Bezug auf Grundwasser
soll ein guter mengenmäßiger und chemischer Zustand erreicht werden. Nach der Nitrat-
Richtlinie der EU-WRRL und im Hinblick auf den Grundwasserschutz sind die
Mitgliedstaaten der EU-WRRL verpflichtet, die Verschmutzung und Verringerung des
Grundwassers zu verhindern. Wichtige Voraussetzungen, um die Pläne der EU-WRRL
einhalten zu können, sind die Abschätzung des Grundwasserschutzpotenzials, der
Grundwassergefährdungen und der Grundwasservulnerabilität. In dieser Arbeit wurde die
Gefährdung (Vulnerabilität) des Grundwassers im Bereich der nördlichen Venloer Scholle
durch Nitrat bewertet. Die Bewertung wurde nach der Anwendung des DRASTIC-Konzepts
mit der Berücksichtigung der Retardation von Nitrat im Boden durchgeführt. Das intrinsische
DRASTIC-Konzept wurde mit Hilfe des ETI-Konzepts (Emission, Transmission, Immission)
und der Advektions-Diffusions-Zelle modifiziert. Dabei erfolgte die Durchführung von Nitrat-
Transportversuchen mit dem Ziel, die Transportvorgänge des Sickerwassers ausgehend von
Nitrat über den natürlichen Boden in das Grundwasser zu simulieren (Transmission). Dazu
wurde im Bereich der nördlichen Venloer Scholle, der Niederrheinischen Bucht, ein rund 100
km² großes Arbeitsgebiet gewählt, in dem eine Reihe bodentypspezifischer und
flächennutzungsabhängiger Bodenproben gewonnen und relevante Bodeneigenschaften
analysiert wurden. Darüber hinaus wurden unterschiedliche Bodentypen der Venloer Scholle
in die Advektions-Diffusions-Zelle eingetragen und der spezifische Retardationsfaktor von
Nitrat für diese Bodentypen gemessen und gemittelt, so dass der modifizierte Parameter
berechnet werden konnte. Geringe bis schwache Korrelationen zwischen beiden Parametern
konnten gezeigt werden. Auch wurde bewiesen, dass die beiden Parameter Boden und die
Lithologie der ungesättigten Zone den größten Einfluss auf die DRASTIC-Werte haben und
deswegen sowohl der Nitrattransport im Boden, wie auch in der ungesättigten Zone,
berücksichtigt werden muss. Die Retardation des Nitrats im Boden wurde durch die
Anwendung des ETI-Konzeptes und der Advektions-Diffusions-Zelle bewertet. Die
Validierung der Advektions-Diffusions-Zelle erfolgte durch die analytische Lösung der
Advektion-Dispersions-Gleichung. Dieser modifizierte Parameter wurde anschließend in die
ursprüngliche DRASTIC-Gleichung eingebaut. Die Regionalisierung der Ergebnisdaten
wurde mit Hilfe von Geografischen Informationssystemen (GIS) durchgeführt.
II ACKNOWLEDGMENT
Personally, I would like to thank Prof. Dr. Dr. h. c. Rafig Azzam, the head of the Department
of Engineering Geology and Hydrogeology for serving as my major supervisor and helping
me through my PhD research. I truly appreciated all the time and advice you gave me
throughout my time as a PhD candidate. Finally, thanks for treating me with respect and
being a friend throughout my doctoral study