Distributive numerische Modellierung der Verweilzeitenverteilung in Karstgrundwasserleitern

Sandra Oehlmann1, Tobias Geyer2, Tobias Licha1, Martin Sauter1
1 Angewandte Geologie, Georg-August-Universität Göttingen
2 Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau im Regierungspräsidium Freiburg

O 11.2 in Identifikation hydrogeologischer Prozesse mit Spurenstoffen

14.04.2016, 14:30-14:45, Plank Hörsaal, Geb. 40.32

Karstgrundwasserleiter zeichnen sich durch ihre hohe Heterogenität aus, die oft durch die Ausbildung von drei Fließkompartimenten mit unterschiedlicher Durchlässigkeit und Porosität charakterisiert ist: schnelle Strömung innerhalb des Karströhrensystems, vergleichsweise langsame Strömung innerhalb des Feinkluftsystems und nahezu stagnierendes Wasser innerhalb der porösen Gesteinsmatrix (Tripel-Porositäts-System). Dadurch weist das Wasser eine hohe Bandbreite an Verweilzeiten auf, was einen signifikanten Einfluss auf die Quellwasserqualität haben kann. So kann zum Beispiel an der Gallusquelle (Schwäbische Alb) sowohl ein Austrag von Atrazin gemessen werden, das sich bereits seit über 20 Jahren im System befindet, als auch von Koffein, das im Grundwasser eine Halbwertszeit von nur wenigen Tagen aufweist (Hillebrand et al., 2012, 2014).

Um das Risiko von Quellwasserkontaminationen abschätzen zu können, ist es darum essentiell die Verweilzeiten des Wassers entlang der unterschiedlichen Fließwege quantitativ zu beschreiben. In dieser Arbeit wurde hierfür ein distributives numerisches Modell verwendet. Da bisher übliche Modellverfahren in der Regel nur ein oder zwei Kompartimente für Karstgrundwasserleiter berücksichtigen und daher nicht das gesamte Verweilzeitenspektrum widergeben können, wurde ein neues Modellverfahren entwickelt. Dieses kann durch die Kombination eines Hybrid- und eines Doppel-Kontinuum-Ansatzes alle drei „Porositätskompartimente“ und ihre jeweiligen Verweilzeiten explizit simulieren und deckt damit das Spektrum der Wasserwegsamkeiten im Grundwasser ab.

Die Methode wurde auf ein stationäres Grundwasserströmungsmodell der Gallusquelle angewandt, das zuvor an den mittleren jährlichen Quellschüttungen mehrerer Quellen, an der Standrohrspiegelhöhenverteilung und an zwei künstlichen Markierungsversuchen kalibriert wurde (Oehlmann et al., 2013, 2015). Für die Verweilzeitenkalibration wurde zusätzlich das mittlere Grundwasseralter an der Gallusquelle verwendet, welches bereits in vorangegangenen Arbeiten durch Messung von Umwelttracern bestimmt wurde.

Mithilfe des Modells kann die gesamte Bandbreite an Verweilzeiten, die durch die Spurenstoffe angezeigt wird,  unter Verwendung realistischer Parameter wiedergegeben werden. Parameteranalysen zeigen, dass die Grundwasseralter vor allem auf die Verteilung der Grundwasserleitermächtigkeiten und Porositäten sowie auf die Grundwasserneubildung sensitiv reagieren. Für die Quellschüttung essentielle Parameter wie die Geometrie des Karströhrensystems und die hydraulische Leitfähigkeit des Feinkluftsystems haben für die Verweilzeiten eine eher untergeordnete Bedeutung. Das fertige Modell kann zur Prognose langfristiger Entwicklungen genutzt werden. Zum Beispiel eine Änderung der mittleren Grundwasserneubildung, etwa aufgrund des Klimawandels, hätte einen großen Einfluss auf die Verweilzeiten im System.



Hillebrand, O., Nödler, K., Licha, T., Sauter, M. & Geyer, T. (2012): Caffeine as an indicator for the quantification of untreated wastewater in karst systems – Water Research, 46: 395-402.

Hillebrand, O., Nödler, K., Geyer, T. & Licha, T. (2014): Investigating the dynamics of two herbicides at a karst spring in Germany: Consequences for sustainable raw water management – Sci. Total Environ., 482-483: 193-200.

Oehlmann, S., Geyer, T., Licha, T. & Birk, S. (2013): Influence of aquifer heterogeneity on karst hydraulics and catchment delineation employing distributive modeling approaches – Hydrol. Earth Syst. Sci., 17: 4729-4742.

Oehlmann, S., Geyer, T., Licha, T. & Sauter, M. (2015): Reducing the ambiguity of karst aquifer models by pattern matching of flow and transport on catchment scale – Hydrol. Earth Syst. Sci., 19: 893-912.



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