Cross-scale hydraulic characterization of a major karst and alluvial aquifer system for drinking water supply
Creators: name: Fahrmeier, Nikolai
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Karst
Swabian Alb
Borehole investigation
Tracer test

description: Grundwasser ist die wichtigste Ressource für die Trinkwasserversorgung in Deutschland sowie in zahlreichen Ländern weltweit. Dürren, Starkregen und steigende Evapotranspiration, Phänomene die durch den Klimawandel verstärkt werden, reduzieren die verfügbare Menge an Grundwasser. In Kombination mit einem steigenden Bedarf aufgrund höherer Temperaturen, ist die Aufrechterhaltung einer funktionierenden und nachhaltigen Wasserversorgung eine der wichtigsten und dringendsten Aufgaben denen sich Wasserversorger aktuell stellen müssen. Zur Entwicklung und Umsetzung notwendiger Anpassungsmaßnahmen sind gute Kenntnisse der Grundwasserressourcen notwendig, welche lediglich durch detaillierte Untersuchungen der Einzugsgebiete und Grundwasserleiter erreicht werden können. In dieser Thesis wird das komplexe System eines Karstaquifers in Kombination mit einem alluvialen Grundwasserleiter im Grundwasserschutzgebiet Donauried-Hürbe untersucht. Es umfasst einen großen Teil der östlichen Schwäbischen Alb sowie des baden-württembergischen Donautals und wurde für die über 200 Entnahmebrunnen im Donauried ausgewiesen, die durch den Zweckverband Landeswasserversorgung betrieben werden. Das dort entnommene Wasser trägt zur Trinkwasserversorgung von ca. 3 Millionen Menschen in Süddeutschland bei, inklusive der Metropolregion Stuttgart. Ziel dieser Thesis ist eine skalenübergreifende Charakterisierung des Einzugsgebiets der Entnahmebrunnen, insbesondere im Hinblick auf den Zustrom zum Donautal. Während Einzel-Bohrloch-Verdünnungsversuche (single-borehole dilution tests, SBDTs) für die kleinskaligen Untersuchungen eingesetzt werden, erfolgt die großmaßstäbliche Betrachtung mittels eines kombinierten Markierungsversuchs. SBDTs sind eine Markierungsmethode zur Charakterisierung von Grundwassermessstellen sowie Bohrlöchern. Sie können in allen Aquifertypen angewendet werden – besonders interessant sind heterogene Karst- und Kluftaquifere – und können mittels uniformer Eingabe oder Punkteingabe durchgeführt werden. Uniforme Eingaben streben eine homogene Konzentration des Markierungsmittels über die gesamte gesättigte Länge eines Bohrlochs an und liefern Informationen über maßgebliche Zu- und Abflusshorizonte. Wenn keine vertikalen Strömungen auftreten, können zudem horizontale Filtergeschwindigkeiten berechnet werden. Bei der geläufigsten Methode für uniforme Eingaben wird ein Schlauch zur Injektion gelöster Markierungsstoffe eingesetzt. In der ersten Studie wird eine vereinfachte Methode für uniforme Eingaben unter natürlichen Fließbedingungen entwickelt, geprüft und mit der gängigen Schlauchmethode verglichen. Die neue Methode nutzt einen permeablen Injektionsbeutel (PIB), um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Markierungsstoffs in der gesättigten Zone zu erreichen. Die PIB-Methode wird für eine Vielzahl an Tests im Labor und in mehreren Grundwassermessstellen im Untersuchungsgebiet eingesetzt, um eine fundierte Beurteilung zu ermöglichen. Wiederholte Tests in ausgewählten Messstellen werden durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit der Methode zu untersuchen. Darüber hinaus werden zwei unterschiedliche Berechnungsmethoden basierend auf linearer Regression sowie der eindimensionalen Advektions-Dispersions-Gleichung genutzt, um scheinbare horizontale Filtergeschwindigkeiten zu berechnen. Die Ergebnisse belegen, dass die PIB-Methode für die untersuchten Grundwassermessstellen wertvolle und reproduzierbare Daten generiert. Außerdem ist sie äußerst flexibel im Hinblick auf die Tiefe der Messstellen, benötigt weniger Ausrüstung als vergleichbare Methoden und kann von einer einzelnen Person durchgeführt werden. In der zweiten Studie wird eine Sonde für SBDTs mit Punktinjektion vorgestellt, die im Rahmen dieser Thesis entwickelt und getestet wird. Mit der Injektion eines Markierungsmittels in einem spezifischen Tiefenbereich wird eine detaillierte Untersuchung der Fließprozesse in dieser Tiefe ermöglicht. Darüber hinaus produzieren uniforme Injektionen oftmals keine eindeutigen Ergebnisse hinsichtlich vertikaler Fließbewegungen, welche besonders in Karst- oder Kluftaquiferen häufig auftreten; Punktinjektionen hingegen sind explizit zur Untersuchung von Vertikalbewegungen geeignet. Die Kenntnis vertikaler Grundwasserströmungen ist essentiell für das Verständnis hydraulischer Prozesse in komplexen Aquifersystemen. Die entwickelte Injektionssonde ist darauf ausgelegt, 500 mL Markierungsstofflösung in einer beliebigen Tiefe freizusetzen, ohne den natürlichen Grundwasserfluss durch den Injektionsprozess zu verändern. Die Sonde besteht aus einem hohlen Zylinder mit einem Öffnungsmechanismus, der durch ein Fallgewicht entlang des Maßbandes ausgelöst wird, an welchem die Sonde befestigt ist. Zur Evaluierung der Injektionssonde werden zahlreiche Labor- und Feldtests durchgeführt. Besonders werden mittels mehrerer Versuche in einem Acrylglasrohr Ausdehnung und Reproduzierbarkeit des generierten Injektionsprofils untersucht. Wiederholte Eingaben zeigen jeweils eine nahezu identische Konzentrationskurve, wodurch bestätigt wird, dass die entwickelte Sonde eine reproduzierbare Tracerwolke erzeugt. Außerdem erweist sich der Öffnungsmechanismus als robust und verlässlich. Die Sonde kann von einer einzelnen Person und mit jeglichem lösbaren Markierungsmittel eingesetzt werden. Darüber hinaus ist sie für jeden Aquifertyp geeignet und äußerst flexibel bezüglich der Eingabetiefe, wodurch die Sonde im Vergleich mit gängigen Methoden zahlreiche Vorteile aufweist. Die dritte Studie fasst die Ergebnisse aller durchgeführten Markierungsversuche zusammen und wertet die Resultate bezogen auf das Grundwasserschutzgebiet Donauried-Hürbe aus, mit dem Ziel eine skalenübergreifende Charakterisierung des Aquifersystems zu erreichen. Besonderer Fokus wird dabei auf den Zustrom zum Donautal und den Entnahmebrunnen des Zweckverbands Landeswasserversorgung gelegt. Während mit den Ergebnissen von SBDTs kleinräumige Fließprozesse evaluiert werden, wird der regionale Grundwasserfluss mit einem kombinierten Markierungsversuch untersucht, der im Oktober 2017 in Zusammenarbeit mit dem regionalen Wasserversorger (Zweckverband Landeswasserversorgung) gestartet wurde. Die Untersuchungen ausgewählter Grundwassermessstellen belegen eine große Bandbreite an Ergebnissen, besonders im Hinblick auf die Abflusszeiten. Während Messstellen mit einer guten Anbindung an die Karströhren sowie Messstellen in hochdurchlässigen Bereichen des alluvialen Aquifers einen schnellen Abstrom des Markierungsmittels zeigen, werden in Messstellen geringdurchlässiger Formationen lange Abflusszeiten von bis zu mehreren Tagen festgestellt. 40 % der untersuchten Grundwassermessstellen zeigen vertikale Strömungen, die auf die komplexe Hydraulik des Aquifersystems zurückzuführen sind. Mit dem kombinierten Markierungsversuch werden hohe Fließgeschwindigkeiten von etwa 80 m/h zwischen der Schwinde im Lonetal und einer Quellgruppe in Langenau beobachtet. Jedoch werden ebenfalls äußerst verzögerte Durchgänge mit Ersteinsätzen von 250 und 370 Tagen nach der Eingabe dokumentiert, woraus maximale Fließgeschwindigkeiten von lediglich 0.44 und 0.39 m/h resultieren. In den Entnahmebrunnen des Zweckverbands Landeswasserversorgung ist bis einschließlich März 2023 kein Markierungsmittel nachweisbar. Zusammenfassend belegen die Ergebnisse der eingesetzten Markierungsmethoden die ausgeprägte und skalenübergreifende Heterogenität des Grundwasserflusses im Schutzgebiet Donauried-Hürbe. Zusätzlich zu den methodischen Weiterentwicklungen von SBDTs, trägt diese Thesis wesentlich zu einem tieferen Verständnis des für die Wasserversorgung von drei Millionen Menschen in Süddeutschland essentiellen und komplexen Aquifersystems bei.