Uni-Bayreuth

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Charakterisierung röhrengedrosselter Karstgrundwasserleiter

Sebastian Schmidt1, Tobias Geyer1, Joseph Guttman2, Amer Marei3, Fabian Ries4, Martin Sauter1
1 Geowissenschaftliches Zentrum – Abteilung Angewandte Geologie, Georg-August-Universität Göttingen
2 Mekorot, Israel National Water Company, 9 Lincoln St., Tel Aviv 61201, Israel
3 Al-Quds University, Department of Earth and Environmental Studies, P.O.B. 20002, Jerusalem, West Bank
4 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Professur für Hydrologie, Fahnenbergplatz, 79098 Freiburg

P 2.9 in Hydrogeologie von Hardrock und Kluftgesteinen / Grundwasser und Karst

 

Verkarstete Karbonatgrundwasserleiter stellen weltweit bedeutende Trinkwasserressourcen dar. Ein limitierender Faktor für ihre Nutzung als Ressource ist jedoch die oft sehr variable Quellschüttung in Abhängigkeit von Niederschlag und Grundwasserneubildung. Diese Variabilität ist ein Resultat der hohen hydraulischen Leitfähigkeit und der geringen effektiven Speicherfähigkeit des Karströhrensystems. An einigen Quellen lässt sich, trotz schneller karsttypischer Reaktion auf Niederschlagsereignisse, ein ausgeprägtes Schüttungsmaximum (Schüttungs-Plateau) beobachten. Dieses Plateau wird wahrscheinlich durch die limitierte Durchflusskapazität des Karströhrensystems verursacht. Diese speziellen Grundwasserleiter erfordern eine eigene Herangehensweise hinsichtlich ihrer Charakterisierung. Gängige Reservoirmodelle können nicht zur Prognose eingesetzt werden.

Eine Charakterisierungs- und Modellierungsstrategie für diesen Grundwasserleiter-Typ wurde am Beispiel der Quelle Auja im Westjordanland entwickelt. Diese zeigt ein jährliches Schüttungs-Plateau und ist mit einem mittleren Abfluss von 300 l/s die schüttungsstärkste Süßwasserquelle des Unteren Jordantales. Das semi-aride Klima im Neubildungsgebiet mit kurzen Starkregenereignissen und langen Trockenperioden führt zu scharf begrenzten und sich wenig überlagernden Eingangssignalen für eine System- und Leerlaufanalyse. Die Quelle wurde mittels eines permanenten V-Wehres und kontinuierlich aufzeichnender Messtechnik ausgerüstet. Im Einzugsgebiet wurde eine Reihe meteorologischer Stationen installiert. Bisher konnten vier hydrologische Jahre in hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden. Weiterhin konnte auf mehr als drei Dekaden umfassende Schüttungs- und meteorologische Zeitreihen zurückgegriffen werden.

 

Die Quelle zeigt eine ausgeprägte Schwelle im Abflussverhalten mit Ausbildung eines Plateaus bei einer Schüttung von ca. 470 l/s. Die Reaktion auf Neubildungsereignisse unterhalb dieses Wertes kann als Neubildungs-dominiert, darüber als Grundwasserleiter-dominiert bezeichnet werden. Mittels der aus der hydrogeologischen Analyse ermittelten Daten konnte ein konzeptionelles Modell des Grundwasserleiters erstellt werden. Dieses wurde in ein mathematisches Modell (gekoppeltes Bodenwasserhaushalts- und Reservoirmodell) überführt, welches mit wenigen Kalibrierparametern eine sehr gute Nachbildung der komplexen Schüttungsganglinie erreicht. Es konnte eine tagesgenaue Zeitreihe der Grundwasserneubildung (eigentlich: Perkolationsrate) errechnet werden. Die Jahressumme der Neubildung variiert aufgrund der hochvariablen Niederschlagsmenge und der unterschiedlichen Evapotranspirationsraten stark und beträgt zwischen 4 mm/a und 800 mm/a für den betrachteten Zeitraum von 45 Jahren (im Mittel ca. 170 mm/a). Selbst durchschnittliche Niederschlagsjahre führen in der Regel zu einer Speicherentleerung und abnehmenden Quellschüttung, während die hauptsächliche Speicherauffüllung durch wenige Feuchtjahre erfolgt.

Letzte Änderung 06.02.2014