Characterisation of Karst Systems by Simulating Aquifer Genesis and Spring Responses : Model Development and Application to Gypsum Karst

Karst aquifers are important groundwater resources, which are highly vulnerable to contamination due to fast transport in solutionally enlarged conduits. Management and protection of karst water resources require an adequate aquifer characterisation at the catchment scale. Due to the heterogeneity and complexity of karst systems, this is not easily achieved by standard investigation techniques such as pumping tests. Therefore, a process-based numerical modelling tool is developed, designed to support the karst aquifer characterisation using two complementary approaches: Firstly, the simulation of conduit enlargement, which aims at predicting aquifer properties by forward modelling of long-term karst genesis; secondly, the simulation of heat and solute transport processes, which aims at inferring aquifer properties from short-term karst spring response after recharge events. Karst genesis modelling is applied to a conceptual setting based on field observations from the Western Ukraine, where the major part of known gypsum caves is found. Gypsum layers are typically supplied by artesian flow of aggressive water from insoluble aquifers underneath. Processes and parameters, controlling solutional enlargement of single conduits under artesian conditions, are identified in detailed sensitivity analyses. The development of conduit networks is examined in parameter studies, suggesting that the evolution of maze caves is predetermined by structural preferences such as laterally extended fissure networks beneath a horizon less prone to karstification. Without any structural preferences vertical shafts rather than maze caves are predicted to develop. The structure of the mature conduit system is found to be determined during early karstification, which is characterised by high hydraulic gradients and low flow rates in the gypsum layer. Short-term karst spring response after recharge events is firstly examined in parameter studies by forward modelling. The numerical simulations reveal that different controlling processes of heat and solute transport account for the different behaviour of water temperature and solute concentration frequently observed at karst springs. It is demonstrated that these differences may be employed to reduce the ambiguity in the aquifer characterisation. In order to test the feasibility of the corresponding inverse approach, which aims at inferring aquifer properties from the karst spring response, the model is applied to a field site in Southern Germany (Urenbrunnen spring, Vöhringen). Data input is provided by both literature and own field work. Several models, which reproduce the results of a combined tracer and recharge test, are calibrated to spring discharges and solute concentrations measured after a recharge event. In order to validate the calibrated models, the measured spring water temperatures are simulated by heat transport modelling. The model application yields information on aquifer properties as well as flow and transport processes at the field site. Advection is identified as the dominant transport process, whereas the dissolution reaction of gypsum is found to be insignificant in this case. The application to gypsum aquifers demonstrates that both suggested approaches are suitable for the characterisation of karst systems. Model results, however, are highly sensitive to several input parameters, in particular in karst genesis modelling. Therefore, extensive field work is required to provide reliable data for site-specific model applications. In order to account for uncertainties, it is recommended to conduct parameter studies covering possible ranges of the most influential parameters. Dissertation at the Geowissenschaftliche Fakultät, Universität Tübingen Author’s address: Center for Applied Geoscience, Sigwartstr. 10, 72076 Tübingen, Germany Charakterisierung von Karstsystemen durch Simulation der Aquifergenese und der Reaktionen von Quellen: Modellentwicklung und Anwendung auf Gipskarst Kurzfassung: Karstgrundwasserleiter sind wichtige Grundwasserressourcen, die aufgrund des schnellen Transports in durch Auslaugung erweiterten Röhren sehr verwundbar in Bezug auf Kontamination sind. Verwaltung und Schutz von Karstwasserressourcen erfordern eine hinreichende Charakterisierung der Grundwasserleiter auf der Skala des Einzugsgebietes. Aufgrund der Heterogenität und Komplexität der Karstsysteme kann dies nicht einfach mittels Standard-Erkundungsmethoden wie Pumpversuchen erreicht werden. Daher wird ein prozess-basiertes numerisches Modellwerkzeug entwickelt, welches die Charakterisierung der Grundwasserleiter mittels zweier sich ergänzender Ansätze unterstützt. Zum einen erfolgt die Simulation der Röhrenaufweitung mit dem Ziel, Eigenschaften der Grundwasserleiter durch Vorwärtsmodellierung der über lange Zeiträume ablaufenden Karstgenese vorherzusagen. Der zweite Ansatz beinhaltet die Simulation von Wärmeund Stofftransportprozessen, welche die Ableitung von Eigenschaften der Grundwasserleiter aus kurzzeitigen Reaktionen von Karstquellen nach Neubildungsereignissen bezweckt. Die Modellierung der Karstgenese wird auf einen konzeptionellen Standorttyp angewendet, welcher auf Geländebefunden aus der West-Ukraine basiert, wo sich der überwiegende Teil der bekannten Gipshöhlen befindet. Die Gipsschichten werden typischerweise durch artesiche Strömung aus liegenden, unlöslichen Grundwasserleitern mit aggressivem Wasser versorgt. Prozesse und Parameter, welche die Aufweitung von Einzelröhren durch Auslaugung unter artesischen Bedingungen kontrollieren, werden in detaillierten Sensitivitätsanalysen identifiziert. Die Entwicklung von Röhrennetzwerken wird in Parameterstudien untersucht, welche nahe legen, dass strukturelle Präferenzen, wie lateral ausgedehnte Kluftnetzwerke unter einem Horizont, der weniger zur Verkarstung neigt, die Entwicklung von Netzhöhlen vorherbestimmen. Ohne strukturelle Präferenzen wird vorhergesagt, dass sich eher vertikale Schächte als Netzhöhlen entwickeln. Die Struktur des reifen Röhrensystems erweist sich als bereits in der frühen Verkarstungsperiode festgelegt, welche durch hohe hydraulische Gradienten und niedrige Durchflussraten in der Gipsschicht gekennzeichnet ist. Die kurzzeitige Reaktion von Karstquellen auf Neubildungsereignisse wird zunäst mittels Vorwärtsmodellierung anhand von Parameterstudien untersucht. Die numerischen Simulationen zeigen, dass die unterschiedlichen kontrollierenden Prozesse des Wärmeund Stofftransports die oftmals beobachteten Unterschiede im Verhalten der Wassertemperatur und der Stoffkonzentration an Karstquellen erklären können. Es wird gezeigt, dass diese Unterschiede dazu beitragen, Mehrdeutigkeiten bei der Charakterisierung des Grundwasserleiters zu verringern. Um die Durchführbarkeit des zugehörigen inversen Ansatzes zu testen, welcher die Ableitung von Eigenschaften der Grundwasserleiter aus der Reaktion von Karstquellen bezweckt, wird das Modell auf einen Feldstandort in Süddeutschland (Urenbrunnen-Quelle, Vöhringen) angewendet. Eingabedaten werden sowohl aus der Literatur als auch durch eigene Geländearbeiten bereit gestellt. Verschiedene Modelle, welche die Ergebnisse eines kombinierten Markierungsund Schluckversuchs nachbilden, werden auf die nach einem Neubildungsereignis gemessenen Quellschüttungen und Stoffkonzentrationen kalibriert. Um die kalibrierten Modelle zu validieren, werden die Quellwassertemperaturen mittels Wärmetransportmodellierung simuliert. Die Modellanwendung liefert Informationen über Eigenschaften des Grundwasserleiters sowie über Strömungsund Transportprozesse am Feldstandort. Advektion wird als der dominierende Transportprozess identifiziert, während sich die Lösungsreaktion von Gips hier als unbedeutend erweist. Die Anwendung auf Gipsgrundwasserleiter zeigt, dass sich beide vorgeschlagenen Ansätze zur Charakterisierung von Karstsystemen eignen. Die Modellergebnisse sind jedoch insbesondere bei der Karstgenesemodellierung sehr sensitiv bezüglich mehrerer Eingabeparameter. Deshalb sind umfassende Geländearbeiten erforderlich, um zuverlässige Daten für standortbezogene Modellanwendungen bereit zu stellen. Um Unsicherheiten Rechnung zu tragen, wird die Durchführung von Parameterstudien empfohlen, die den möglichen Schwankungsbereich der einflussreichsten Parameter abdecken.