Anwendung eines innovativen geologischen Modellierungsansatzes in der Karsthydrogeologie

Fernando Mazo D'Affonseca1, Hermann Rügner1, Michael Finkel1, Karsten Osenbrück1, Olaf Cirpka1
1 Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG), Universität Tübingen

P 8.3 in Karst aquifers - new developments and methods to characterize and model dual flow systems

Karstgrundwasserleiter sind bedeutende Trinkwasserspeicher und werden auch in Deutschland häufig für die Wasserversorgung genutzt. Aufgrund ihrer Vulnerabilität und der meist komplexen Fließverhältnisse ist die Kenntnis der geologischen und hydrogeologischen Gegebenheiten von großer Bedeutung. Im Rahmen einer Pilotstudie zu möglichen Auswirkungen des Gesteinsabbaus in Trinkwasserschutzgebieten wurden die Fließverhältnisse im Muschelkalkkarst des Oberen Gäus in Baden-Württemberg genauer untersucht. In erster Linie sollten mögliche Gefährdungspotentiale, die auf den Betrieb der dort aktiven Steinbrüche zurückgehen, mittels regionaler Grundwasserströmungs‐ und Transportmodelle quantifiziert und bewertet werden. Die geklüfteten Kalk- und Dolomitsteine des 80 bis 90 m mächtigen Oberen Muschelkalks sind dort unregelmäßig verkarstet und bilden zusammen mit den 10 bis 12 m mächtigen porösen bis kavernösen Oberen Dolomiten des darunter liegenden Mittleren Muschelkalks den Hauptgrundwasserleiter. Im basalen Bereich des Oberen Muschelkalks wird der Karstaquifer durch die 6 bis 8 m mächtige Kalkstein-Tonsteinfolge der Haßmersheimer Schichten hydraulisch getrennt (VILLINGER, 1982; UFRECHT, 2006). Störungen der dortigen Bruchtektonik leiten CO2 aus dem tieferen Bereich der Erdkruste ein, was die Verkarstung entlang von Störungen vermutlich begünstigt (HARRESS, 1973).

Um mögliche Einschränkungen, die sich aus der Systemgeometrie und den Randbedingungen ergeben können, bei der Auswahl und Anwendung der Strömungs- und Transportmodelle besser einschätzen zu können, wurde ein verfeinertes Strukturmodell mit der 3D geologischen Modellierungssoftware ‚Leapfrog Geo’ aufgebaut. Leapfrog verwendet eine neue implizite geologische Modellierungstechnik, die mithilfe einer radialen Basisfunktion geologische Modelle aus Bohrlochdaten, Aufschlussdaten, interpretierten Abschnitten und Strukturdaten, erstellt und aktualisiert (BIRCH, 2014). Basierend auf 9 geologischen Karten (Maßstab 1:25.000), über 400 Bohrprofilen und hydrogeologischen Daten ermöglicht das Strukturmodell einen deutlich verbesserten Einblick in den geologischen Untergrund, wie die dreidimensionale Visualisierung der geologischen Schichten und bekannten tektonischen Strukturen, die Darstellung von Fließpfaden aus Tracerversuchen, sowie die Postulierung bisher noch nicht kartierter Störungen (Bild 1). Letztere konnten durch CO2 Bodenluftuntersuchungen teilweise bereits verifiziert werden. Insgesamt konnte auf diese Weise das Modellgebiet deutlich besser charakterisiert werden, insbesondere im Hinblick auf vorhandene Störungen und Verwerfungszonen, die möglicherweise bevorzugte Fließwege darstellen, Gesteinsblöcke isolieren oder die trennende Funktion der Haßmersheimer Schichten beeinflussen. Das entwickelte Struktur- und Standortmodell bildet somit eine geeignete Grundlage für den Aufbau des Grundwasserströmungs‐ und Transportmodells und schafft verbesserte Entscheidungsgrundlagen für das lokale Wassermanagement.




ASG (2012): Datenpool Hydrogeologie und Wasserwirtschaft, Zweckverband Ammertal-Schönbuchgruppe.

BIRCH, C. (2014): New systems for geological modelling–black box or best practice? The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy (114), 993- 1000.

HARRESS, H. M. (1973). Hydrogeologische Untersuchung im Oberen Gäu. Dissertation. Plümacher, J. (1999). Kalibrierung eines regionalen Grundwasserströmungsmodells mit Hilfe von Umweltisotopeninformationen. Schriftreihe des Amtes für Umweltschutz, S. 1-160.

UFRECHT, W. (2006). Zur Hydrogeologie der Aquifersysteme Buntsandstein und Muschelkalk zwischen Neckar und Donau. Hydrogeologie des Stuttgarter Mineralwassersystems Heft 3/2006, S. 19 – 48.

VILLINGER, E. (1982). Grundwasserbilanzen im Karstaquifer des Oberen Muschelkalks im Ober Gäu. Geol. Jb., S. 43-61.