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Advancing hydrogeological modeling through novel tracer approaches, the explicit simulation of tracers and advanced inversion methods

English title Advancing hydrogeological modeling through novel tracer approaches, the explicit simulation of tracers and advanced inversion methods
Applicant Brunner Philip
Number 179017
Funding scheme Project funding
Research institution Centre d'hydrogéologie et de géothermie Université de Neuchâtel
Institution of higher education University of Neuchatel - NE
Main discipline Other disciplines of Earth Sciences
Start/End 01.12.2018 - 30.09.2023
Approved amount 700'000.00
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All Disciplines (5)

Other disciplines of Earth Sciences
Other disciplines of Environmental Sciences
Other disciplines of Engineering Sciences
Other disciplines of Physics

Keywords (5)

surface-water groundwater interaction; hydrogeology; tracers; inversion; physcis based modeling

Lay Summary (German)

Grundwasser Modelle spielen eine wichtige Rolle in der effizienten und nachhaltigen Nutzung von Grundwasser Ressourcen. Die Modellunsicherheiten sind jedoch sehr gross. Ziel des Projekts ist die Reduktion dieser Modellunsicherheiten durch die explizite, numerische Simulation von Umwelttracern. Neben etablierten Umwelttracern (e.g. Radon222) wird auch erstmals Argon 37 als Tracer integriert.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Grundwassermodelle werden Mithilfe von einer beschränkten Anzahl von Felddaten, meistens Grundwasserständen, geeicht. Der Informationsgehalt von Grundwasserständen ist jedoch beschränkt, daher sind Grundwasser Modelle häufig mit grossen Unsicherheiten behaftet. Tracer, z.Bsp. dO18 oder Radon222 werden ebenfalls verwendet da aus ihren gemessenen Konzentrationen die Herkunft und Aufenthaltszeit des Grundwassers abgeschätzt werden kann. Da verschiedene Umwelttracer unterschiedliche räumliche und zeitlich Skalen repräsentieren haben solche Tracer ein grosses Potenzial Grundwasserströme und ihre Dynamik zu charakterisieren. Für die Interpretation von Tracerdaten werden jedoch extrem vereinfachte Ansätze verwendet, ein Aquifer wird zum Beispiel durch einen homogenen, voll durchmischten Reaktor abgebildet um die Aufenthaltszeit des Grundwassers aufgrund von Isotopen Messung abzuschätzen.

In diesem Forschungsprojekt wird auf diese vereinfachten Modelle verzichtet, und die Tracer werden direkt und explizit in physikalisch basierten Strömungsmodellen simuliert und in die Modelleichung miteinbezogen um den Informationsgehalt der Tracer besser ausnutzen zu können. Auf dieser Grundlage kann die Modellunsicherheit bezüglich Aufenthaltszeiten, Grundwasserständen und Grundwasserstömungen reduziert werden. Das Projekt schafft somit die numerischen und messtechnischen Grundlagen für eine bessere hydrogeologische Charakterisierung von Feldstandorten.  

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Viele Umwelttracer können heute sehr schnell und billig gemessen werden. Durch dieses Projekt werden die Grundlagen geschaffen um dieses Potenzial in der numerischen Modellierung besser zu nutzen. Durch diese Integration können bessere und zuverlässigere Modelle entwickelt werden, eine wichtige Voraussetzung für die nachhaltige Nutzung unserer Wasser Ressourcen. 

Direct link to Lay Summary Last update: 19.12.2018

Responsible applicant and co-applicants


Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162754 Integrating spatial predictions of vegetation, soils, geomorphology and hydrology for improved assessment of ecosystem services under climate change 01.01.2016 Interdisciplinary projects
153460 Ecosystem engineers' contribution to soil structure formation in floodplains (FloodSTRESS) 01.01.2015 Project funding


This project aims at overcoming the key-impediments that limit the current understanding of the temporal and spatial dynamics in complex alluvial systems. These limitations undermine the elaborate efforts for safe and sustainable water resources management. While there have been dramatic improvements in numerical models and computational capabilities, current scientific computing practice is still far from adequately simulating the spatial and temporal dynamics found in alluvial aquifers. The key reasons are insufficient observational data and over-simplified calibration strategies which preclude the exploration of the influence of heterogeneity in the subsurface. Environmental tracers have the potential to inform on groundwater age and mixing ratios, but their potential is underutilized. There is emerging evidence that through their direct simulation in numerical models their data value and information content can be increased. Also, highly parameterized inversion allows considering subsurface heterogeneity during the inversion process but has so far not been combined with the explicit simulation of tracers. Two Ph.D. projects are proposed in this context. In the first one, the emphasis is on numerical modeling. State of the art inversion techniques for the consideration of complex geological structures will be combined with the explicit simulation of natural, radioactive tracers. A key observational window in current tracer hydrology is closed through the systematic analysis of the suitability of the novel tracer 37Ar. Pilot Point calibration approaches in combination with these tracers has the potential to obtain numerical models that are not only capable of reproducing hydraulic heads, but can also make sound predictions on age-distributions and residence times. The second Ph.D. project complements the synthetic modeling study through innovative field approaches, and their integration in the calibration a physically based model. Full observational coverage on all relevant timescales will be established at the Emme site in Switzerland. A highly innovative field experiment will be carried out in this context. Through the existing and so far very successful collaboration with the waterworks in Berne, the pumping rates of the Aeschau pump station can be manipulated for a given period, inducing a controlled and very significant transience to the hydraulic system. The acquisition of age-tracers before, during and after this controlled experiment will generate a unique dataset. Specifically, 222Rn and 37Ar, as well as noble gas concentrations measured using a portable mass spectrometer will be obtained at different depths and locations during the experiment. These data form the basis for the calibration of a physically based numerical model. Based on these data, the calibrated model and a comprehensive uncertainty analysis, more efficient data acquisition strategies for tracers will be explored.The combination of the innovative modeling- and field approaches developed has the potential for very significant improvements in future modeling approaches. The explicit simulation of tracer concentrations goes far beyond the available approaches to interpret tracers, which typically assume homogenous aquifers with a simplified geometry and steady-state conditions. My project builds upon my strong track record in studying surface water groundwater interactions through the combination of physically based numerical models with state of the art inverse approaches for parameter estimation and uncertainty quantification.