Development of a protection concept as basis for a sustainable water supply in the Dong Van karst area, Northern Vietnam
Creators: name: Richter, Dominik
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: particles
water
-quality monitoring
land use
karst
Vietnam
conservative tracer
hydrodynamic focussing
karst aquiferm particle transport

description: Karstaquifere entstehen aus einer dynamischen Wasser-Gesteins-Wechselwirkung. Ver-sickerndes Niederschlagswasser nimmt Kohlendioxid aus der Atmosphäre und der Bodenluft auf und reagiert zu Kohlensäure. Durch geochemische Lösungsprozesse dieses sauren Sickerwassers können in Sedimentgesteinen Spalten, Röhren und ganze Höhlensysteme entstehen. Warme und feuchte Klimabedingungen, wie sie vor allem in tropischen und subtropischen Klimaregionen vorkommen, führen zu einem erhöhten Anteil an biogenen Kohlenstoffdioxidkonzentrationen in der Atmosphäre; dementsprechend sind die Verkarstungsprozesse in diesen Gebieten deutlich höher. Karstaquifere stellen eine wichtige Süßwasserressource dar, da weltweit viele Menschen von Karstgrundwasser abhängig sind. Insbesondere in tropischen Regionen bieten diese Aquifere aufgrund der hohen Verkarstung großes Potential für die Wasserversorgung. Jedoch führen die Erosionen und ausgeprägte Regen- und Trockenzeiten zu einer besonders großen Beeinträchtigung von Wasserqualität und –quantität. Neben der Wasserknappheit in der Trockenzeit stellt vor allem die hohe mikrobiologische Belastung ein großes Risiko für die Gesundheit der Bevölkerung dar. Die entlegene Region um die Stadt Dong Van im Norden Vietnams ist durch verkarstete Kalksteine mit tiefen Taleinschnitten und zahlreichen Höhlensystemen charakterisiert. In der Stadt Dong Van existiert teilweise ein zentrales Wasserversorgungssystem, welches durch regelmäßige Engpässe geprägt ist. In den umliegenden Bergdörfern erfolgt die Wasserversorgung größtenteils dezentral über private Installationen zum Sammeln von Regen- und Quellwasser. Im Jahr 2010 wurde das Dong Van Karst Plateau zum UNESCO Global Geopark ernannt, was in der Folge zu einer starken Zunahme der Touristenzahlen führte und damit den Druck auf die bereits ohnehin angespannte Wasserversorgung weiter verstärkt. Um diesen zusätzlichen Wasserbedarf decken zu können und um Engpässe für die lokalen Bevölkerung zu vermeiden, wurde im Rahmen der deutsch-vietnamesischen Verbundprojekte KaWaTech und KaWaTech solutions die Grundlage für eine nachhaltige Wasserversorgung für die Region Dong Van mit den umliegenden Bergdörfern geschaffen und die Pilotwasserförderanlage Seo Ho implementiert. Für eine nachhaltige und effiziente Bewirtschaftung des Systems und zum Schutz der genutzten Wasserressourcen vor Verunreinigung und Übernutzung ist ein tiefgreifendes Verständnis der hydrogeologischen Bedingungen erforderlich, insbesondere im Hinblick auf die hohe Variabilität der Wasserqualität. Diese hohe Variabilität erfordert kurzfristige Strategien zur Abschätzung von Kontaminationsparametern und angepasste Bewirtschaftungs- und Schutzstrategien im Einzugsgebiet. Anhand von Kartierungen, Markierversuchen und hydrogeologischen Felduntersuchungen konnte für das geologisch komplexe Projektgebiet ein hydrogeologisches Konzeptmodell entwickelt werden, das in Kapitel 2 vorgestellt wird. Das Gebiet ist aus devonischen Sedimentgesteinen sowie von einer stark verkarsteten Kalksteineinheit aus dem Karbon aufgebaut. Mit Hilfe von Markierungsversuchen wurde das Einzugsgebiet für die Pilotwasserförderanlage definiert. Durch Stichtagsmessungen konnte gezeigt werden, dass über 50 % des genutzten Wassers aus Karst-Quellen stammen, die in den Ma Le-Fluss zusammenfließen und durch das Ma Le-Höhlensystem bis hin zur Pilotförderanlage transportiert werden. Hydrochemische Analysen im Einzugsgebiet zeigen eine hohe mikrobiologische Belastung der genutzten Wasserressourcen, wobei die Qualität durch die intensive anthropogene Bewirtschaftung des Einzugsgebietes tageszeitenabhängig schwankt. Mit Hilfe einer Vulnerabilitätskartierung konnte gezeigt werden, dass Abflüsse in Schlucklöcher im Einzugsgebiet und der direkte Zulauf zur Förderanlage für Schadstoffeinträge besonders anfällig sind. Neben der hohen Vulnerabilität führt insbesondere die starke räumliche und zeitliche Variabilität der Wasserqualität zu großen Herausforderungen bei der Bewirtschaftung von Karstaquiferen. Daher konzentriert sich Kapitel 3 auf die Entwicklung von angepassten Schutzstrategien für das Einzugsgebiet. Die Variabilität der Wasserqualität wurde durch die Konzentration suspendierter Partikel sowie die mikrobielle Belastung an 49 Standorten in der Regen- und Trockenzeit ermittelt. Zudem wurden zeitlich hochaufgelöste Messreihen an ausgewählten Standorten während hydraulisch konstanter Bedingungen durchgeführt und die anthropogene Landnutzung im Einzugsgebiet kartiert. Für die Auswertung wurden diese georeferenzierten Informationen mit den Analyseergebnissen kombiniert. Diese Daten zeigen Unterschiede der Wasserqualität zwischen Trocken- und Regenzeit. Die größten Kontaminationspotentiale im Einzugsgebiet gehen von der landwirtschaftlichen Nutzung und von bestehenden Siedlungen aus. Es konnte nachgewiesen werden, dass diese Landnutzung einen größeren Einfluss auf die Wasserqualität hat als hydrologische Bedingungen. Geeignete Maßnahmen zur Reduktion der Schadstoffe im Einzugsgebiet wären eine lokale Einschränkung der Landwirtschaft sowie der Anschluss von Gebäuden an eine kommunale Abwasserentsorgung. Auch durch eine Anpassung der Wasserentnahme an die Tageszeiten ist eine Verbesserung der Wasserqualität möglich. Aufgrund der starken hydrologischen Variabilität und räumlichen Heterogenität von Transporteigenschaften im Karst unterliegt die Wasserqualität starken Schwankungen. Daher konzentriert sich Kapitel 4 auf die Charakterisierung von Transport- und Fließparametern in einem Karströhrensystem. Suspendierte Partikel sind ein einfach zu analysierender und repräsentativer Vektor für den Transport von Schadstoffen in Karstaquiferen. Durch die kombinierte Eingabe natürlicher Sedimentfracht und gelöstem, konservativen Tracer in das Ma Le-Höhlensystem konnten die hydrodynamischen Prozesse im direkten Zustrom der Pilotförderanlage Seo Ho untersucht werden. Bei Niedrigwasserabflüssen können Geschwindigkeitsverteilung und hydrodynamische Fokussierung der suspendierten Partikel in Karströhren im Vergleich zu gelösten Stoffen zu einer höheren Fließgeschwindigkeit mit einer geringeren Retention führen. Aufgrund dieses präferentiellen und advektiven Transports von Partikeln im Zentrum der Karströhren lassen sich einzeln Fließwege detektiert. Im Gegensatz dazu resultiert der dispersivere Transport von gelösten Stoffen in einer Überlagerung einzelner Durchgangskurven, sodass unterschiedliche Fließwege nicht mehr differenziert werden können. Höhere Abflüsse führen im Ma Le-Höhlensystem zu turbulenteren Strömungsbedingungen und somit zu einer homogeneren Durchmischung. Somit werden kleine Partikel und gelöste Stoffe auf ähnliche Weise durch das Höhlensystem transportiert, während größere Partikel durch gravitative Sedimentation stärker rückgehalten werden. In Rahmen dieser Arbeit wird die Wasserqualität in einer subtropischen Karstregion mit einem differenzierten Blick durch verschiedene Analysemöglichkeiten beurteilt. Die Untersuchungsansätze und die erzielten Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Funktionsweise subtropischer Karstaquifere bei. Die Resultate bilden die Grundlage für die Entwicklung von angepassten und nachhaltigen Strategien zur Bewirtschaftung dieser vulnerablen Aquifere für eine Trinkwasserversorgung. Die präsentierten Ansätze und Untersuchungsmethoden können auf Untersuchungskampagnen in weitere, ebenfalls entlegene Karstgebiete in subtropischen und tropischen Regionen Klimaregionen übertragen werden.