Water resources and dynamics of the Troodos igneous aquifer-system, Cyprus [Elektronische Ressource] : balanced groundwater modelling / by Joachim Mederer

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• Publié par: julius-maximilians-universitat_wurzburg
• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

Water Resources and Dynamics of the
Troodos Igneous Aquifer-system, Cyprus
- Balanced Groundwater Modelling -












Doctorate Thesis
submitted at the
Julius-Maximilians University of Würzburg







by

Joachim Mederer

from

Heilbronn


Würzburg 2009 Grundwasserdynamik und Ressourcen des
Troodos Aquifersystems, Zypern
- Bilanzierte Grundwassermodellierung -










Dissertation zur Erlangung des
naturwissenschaftlichen Doktorgrades
der Bayerischen Julius-Maximilians Universität Würzburg








von

Joachim Mederer

aus

Heilbronn


Würzburg 2009





























eingereicht am:

1. Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. P. Udluft
2. Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. B. Merkel

1. Prüfer: Prof. Dr. P. Udluft
2. Prüfer: Prof. Dr.

Tag der mündlichen Prüfung:

Doktorurkunde ausgehändigt am: V
Abstract
The study investigates the water resources and aquifer dynamics of the igneous fractured
aquifer-system of the Troodos Mountains in Cyprus, using a coupled, finite differences
water balance and groundwater modelling approach. The numerical water balance
modelling forms the quantitative framework by assessing groundwater recharge and
evapotranspiration, which form input parameters for the groundwater flow models. High
recharge areas are identified within the heavily fractured Gabbro and Sheeted Dyke
formations in the upper Troodos Mountains, while the impervious Pillow Lava
promontories - with low precipitation and high evapotranspiration - show unfavourable
recharge conditions. Within the water balance studies, evapotranspiration is split into
actual evapotranspiration and the so called secondary evapotranspiration, representing the
water demand for open waters, moist and irrigated areas. By separating the
evapotranspiration of open waters and moist areas from the one of irrigated areas,
groundwater abstraction needs are quantified, allowing the simulation of single well
abstraction rates in the groundwater flow models.
Two sets of balanced groundwater models simulate the aquifer dynamics in the presented
study: First, the basic groundwater percolation system is investigated using two-
dimensional vertical flow models along geological cross-sections, depicting the entire
Troodos Mountains up to a depth of several thousands of metres. The deeply percolating
groundwater system starts in the high recharge areas of the upper Troodos, shows quasi
stratiform flow in the Gabbro and Sheeted Dyke formations, and rises to the surface in the
vicinity of the impervious Pillow Lava promontories. The residence times mostly yield less
than 25 years, the ones of the deepest fluxes several hundreds of years. Moreover, inter
basin flow and indirect recharge of the Circum Troodos Sedimentary Succession are
identified. In a second step, the upper and most productive part of the fractured igneous
aquifer-system is investigated in a regional, horizontal groundwater model, including
management scenarios and inter catchment flow studies. In a natural scenario without
groundwater abstractions, the recovery potential of the aquifer is tested. Predicted future
water demand is simulated in an increased abstraction scenario. The results show a high
sensitivity to well abstraction rate changes in the Pillow Lava and Basal Group
promontories. The changes in groundwater heads range from a few tens of metres up to
more than one hundred metres. The sensitivity in the more productive parts of the aquifer-
system is lower. Inter-catchment flow studies indicate that - besides the dominant effluent
conditions in the Troodos Mountains - single reaches show influent conditions and are sub-
flown by groundwater. These fluxes influence the local water balance and generate inter
catchment flow.
The balanced groundwater models form thus a comprehensive modelling system,
supplying future detail models with information concerning boundary conditions and inter-
catchment flow, and allowing the simulation of impacts of landuse or climate change
scenarios on the dynamics and water resources of the Troodos aquifer-system. VI
Kurzfassung (German summary)
Die vorliegende Arbeit untersucht die Grundwasserressourcen und die hydraulische
Dynamik des Troodos Kluftaquifersystems in Zypern mit Hilfe gekoppelter numerischer
Wasserhaushalts- und Grundwasserströmungsmodelle auf Rasterbasis. Die
Wasserhaushaltsmodelle quantifizieren die hydrologischen Rahmenparameter des
Untersuchungsgebietes. Grundwasserneubildung und Evapotranspiration werden als
Eingangsparameter der Grundwassermodelle weiterverarbeitet. Die
Grundwasserneubildung ist in den niederschlagsreichen Regionen des höheren Troodos
Gebirges, im Bereich der stark geklüfteten Gabbro und Sheeted Dyke Lithologien, am
höchsten, nimmt zu den Vorgebirgen ab und erreicht dort ein Minimum in den gering
durchlässigen Pillow Lava Sequenzen. Die Evapotranspiration zeigt einen umgekehrten
Trend. Zusätzlich zur aktuellen Evapotranspiration wird eine sogenannten Sekundär-
Evapotranspiration ermittelt, die sich – unabhängig von der Bodenfeuchte – aus der
Verdunstung von Wasser-, Feucht- und Bewässerungsgebieten berechnet. Dieses Konzept
erlaubt die Ermittlung der Verdunstungsmenge der bewässerten Flächen und somit die
Abschätzung regionaler Grundwasserentnahmeraten, die als Brunnenentnahme in die
Grundwassermodelle eingearbeitet werden.
Mit zweidimensionalen, bilanzierten, vertikalen Grundwassermodellen, die entlang
geologischer Schnitte durch das Untersuchungsgebiet verlaufen, wurde die
Grundwasserströmung bis zu einer Tiefe von mehreren Kilometern hoch auflösend
simuliert. Die generelle Strömungscharakteristik zeigt eine dominierende
Vertikalkomponente in den Neubildungsgebieten des hohen Troodos, quasi stratiforme
Strömung in den Mittelläufen im Bereich der Gabbros und Sheeted Dykes, und einen
relativen Anstieg des Potentials und Grundwasserausfluss im Bereich der
geringdurchlässigen Pillow Laven der Vorgebirge. Indirekte Neubildung durch
Grundwasser aus dem Troodos kann in den überlagernden Sedimenten nachgewiesen
werden, ebenso wie Lateralflüsse zwischen den Einzugsgebieten. Die
Grundwasserverweildauer liegt meist bei wenigen Jahrzehnten. Ausnahmen bilden tiefe
Strömungen aus dem hohen Troodos, die Verweilraten von mehreren Jahrhunderten
erreichen.
Der oberflächennahe, stark geklüftete und für die Wasserwirtschaft wichtige Teil des
Aquifersystems wurde in einem horizontalen, den gesamten Troodos umfassenden
Grundwassermodell nachgebildet. Bewirtschaftungsszenarien ohne bzw. mit gesteigerten
Entnahmeraten simulieren die Dynamik dieses Aquifers. Die Ergebnisse zeigen, dass die
Sensitivität auf die Änderung der Entnahmeraten regional sehr unterschiedlich ist. In den
Entnahmegebieten des hohen und mittleren Troodos liegen die Spiegelschwankungen
meist bei wenigen Metern bis Zehnermetern, während die Schwankungen in den gering
durchlässigen und niederschlagsarmen Vorgebirgen teilweise mehr als hundert Meter
betragen können.
Das laterale Strömungsverhalten wird in einzelnen Test-Einzugsgebieten im Troodos
untersucht. Während in den Untersuchungsgebieten generell effluente VII
Grundwasserverhältnisse vorherrschen, gibt es Seitentäler, die vom Grundwasser
unterströmt werden und die Grundwasser in benachbarte Einzugsgebiete abgeben. Diese
Lateralflüsse können lokal die Wasserbilanz von Einzugsgebieten im Troodos
beeinflussen. Die bilanzierten Grundwassermodelle illustrieren sowohl die Tiefenströmung
mit hoher Auflösung als auch den oberflächennahen, wasserwirtschaftlich interessanteren
Teil des Troodos - Kluftaquifersystems und zeigen die großflächigen Auswirkungen von
Änderungen der Grundwasserentnahmerate.
Die bilanzierten Grundwassermodelle stellen somit ein Übersichtsmodellsystem dar, mit
Hilfe dessen Randbedingungen und Lateralflüsse für zukünftige Detailmodelle bestimmt,
sowie Auswirkung künftiger Klima- bzw. Landnutzungsänderungen auf die Dynamik und
die Grundwasserressourcen des Troodos Aquifersystems abgeschätzt werden können. VIII
Acknowledgments
First of all, I wish to thank Prof. Dr. Peter Udluft for sharing his hydrogeological
experience and supervising my scientific work on the semi-arid island of Cyprus for many
years. Without his valuable assistance, friendly advice and ongoing motivation this study
would not have been possible.

Many thanks go to Armin Dünkeloh for his encouraged technical support concerning the
latest versions of MODBIL, for