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Schwellenwerte in Karstgrundwasserleitern am Beispiel der Hammerbachquelle (Österreich)

Steffen Birk1, Cyril Mayaud1, Thomas Wagner1
1 Institut für Erdwissenschaften, Karl-Franzens-Universität Graz

O 2.1 in Hydrogeologie von Hardrock und Kluftgesteinen / Grundwasser und Karst

29.05.2014, 10:00-10:20, H17, NW II

Wenn kleine Änderungen von hydrologischen Zustandsgrößen ausreichen, um qualitative Veränderungen in Bezug auf einzelne Prozesse, das Ansprechverhalten oder die Funktionsweise des Systems herbeizuführen, spricht man von Schwellenwertverhalten (Zehe & Sivapalan, 2009). Ein bekanntes Beispiel ist der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung, der eintritt, wenn die Reynoldszahl einen empirischen Schwellen­wert überschreitet.

In der Nähe von Schwellenwerten führen bereits geringfügige Unsicherheiten in Modell­eingangsgrößen (z. B. Niederschlag) zu großen Unsicherheiten in der Modellprognose (z. B. Quellschüttung). Das Schwellenwertverhalten hydrologischer Systeme erschwert daher Prognosen beispielsweise in Bezug auf die Auswirkungen des Klimawandels.

In der vorliegenden Arbeit werden unter­schiedliche Arten von Schwellenwerten in karsthydrologischen Systemen vorgestellt. Am Beispiel der Hammerbachquelle (Österreich) wird einerseits untersucht, inwieweit Schwel­lenwerte die Vorhersagbarkeit des Systems einschränken. Andererseits wird versucht, aus Kenntnissen bezüglich des Schwellenwert­verhaltens Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Karstsystems zu ziehen.

Seit einem Hochwasserereignis im August 2005 zeigt die Hammerbachquelle über mehrere Jahre ein augenscheinlich verändertes Schüttungsverhalten, das sich in Änderungen der Dauerlinie und der Trockenwetterfallline manifestiert (Mayaud et al., 2013). Als Ursache werden Sedimentumlagerungen vermutet, die zu einer Verengung oder Verstopfung von Fließwegen geführt haben. Wagner et al. (2013) zeigen, dass die beobachtete Veränderung das Versagen eines auf Zeiträume vor 2005 kalibrierten und validierten Niederschlags-Abfluss-Modells zur Folge hat. Offenbar wurde beim Hochwasser­ereignis ein Schwellenwert überschritten, sodass sich die Eigenschaften des Karstgrundwasserleiters signifikant verändert haben und das zuvor gültige Modell nicht mehr prognosefähig ist.

Um die Veränderungen im Karstsystem besser zu verstehen, wurden zusätzlich Zeitreihen physiko-chemischer Parameter ausgewertet. Die Temperatur spricht im Zeitraum vor dem Hochwasserereignis deutlich, danach jedoch praktisch nicht mehr auf Abflussreignisse an. Die elektrische Leitfähigkeit zeigt dagegen kein auffällig verändertes Ansprechverhalten. Zudem zeigt ein nach 2005 durchgeführter Markierungsversuch eine gegenüber früheren Versuchen erhöhte Verweilzeit.

Um diese Beobachtungen quantitativ zu interpretieren, können Schwellenwerte der Verweilzeit hergeleitet werden, bei deren Überschreiten mit einer starken Dämpfung des jeweiligen physiko-chemischen Signals zu rechnen ist. Dabei zeigt sich, dass das veränderte thermische Verhalten im Einklang mit der im Markierungsversuch beobachteten Zunahme der Verweilzeit ist. Die Betrachtung von Schwellenwerten erweist sich hier also als hilfreich bei der Charakterisierung des Karstsystems.



Mayaud, C, Wagner, T., Benischke, R., Birk, S. (2013): Understanding changes in the hydrological behaviour within a karst aquifer (Lurbach system, Austria). Carbonates and Evaporites, doi: 10.1007/s13146-013-0172-3.

Wagner, T., Mayaud, C., Benischke, R., Birk, S. (2013): Ein besseres Verständnis des Lurbach-Karstsystems durch ein konzeptionelles Niederschlags-Abfluss-Modell. Grundwasser, doi: 10.1007/s00767-013-0234-4

Zehe, E. & Sivapalan, M. (2009): Threshold Behaviour in Hydrological Systems as (Human) Geo-Ecosystems: Manifestations, Controls, Implications. Hydrology and Earth System Sciences 13 (7): 1273–1297. 

 



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Letzte Änderung 05.02.2014