Evaluation of highly variable water quality as basis for a sustainable water supply in the Dong Van karst region, Northern Vietnam
Creators: name: Ender, Anna Franziska
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Hydrogeology
Karst
Conceptual hydrogeological model
Groundwater quality
Hydrochemistry
E. coli
Tracer tests
Analytical models
Spatiotemporal variations
beta-D-Glucuronidase
Particle-size distribution
Water quality monitoring
Vietnam

description: Karstgrundwasserleiter sind wichtige Grundwasserressourcen, da weltweit viele Menschen teilweise oder sogar vollständig von Karstwasser abhängen. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ist die Verfügbarkeit und Qualität der Karstwässer hoch variabel. Daher sind für eine nachhaltige Nutzung dieser Wasserressourcen angepasste Bewirtschaftungsstrategien unerlässlich. Besonders in tropischen und subtropischen Gebieten, wie beispielsweise in Südostasien, erschweren die klimatischen Bedingungen mit Trocken- und Regenzeit, eine kontinuierliche Trinkwasserversorgung. Neben der Wasserknappheit in der Trockenzeit, stellt vor allem die schlechte mikrobielle Wasserqualität zur Regenzeit eine Bedrohung für die Gesundheit der Bevölkerung dar. Die Stadt Dong Van im Norden Vietnams sieht sich mit einer wachsenden Bedrohung durch Wasserknappheit und schlechter Wasserqualität konfrontiert. Die Ernennung des Dong Van Karst Plateaus zum UNESCO Global Geopark im Jahr 2010, führt zu stark steigenden Touristenzahlen, was den Druck auf die ohnehin bereits angespannte Wasserversorgungslage weiter verstärkt. Um den steigenden Wasserbedarf decken und die Grundwasserressourcen vor Verunreinigungen und Übernutzung schützen zu können, ist ein tiefgehendes Verständnis der hydrogeologischen Bedingungen vor Ort essentiell.
Umfangreiche Geländearbeiten wurden durchgeführt, einschließlich Kartierungen, Markierungsversuche und hydrochemischen Untersuchungen. Auf dieser Grundlage wurde ein hydrogeologisches Konzeptmodell für das geologisch komplexe Gebiet von Dong Van erstellt, das in Kapitel 2 vorgestellt wird. Vier Wassertypen konnten physikochemisch unterschieden werden, wobei die wichtigsten dem Bac Son Karstaquifer und dem Na Quan Kluftaquifer zugeordnet werden können. Um die mikrobielle Wasserqualität der verschiedenen Wasserressourcen beurteilen zu können, wurden die drei Fäkalindikatorbakterien (FIB) Escherichia coli (E. coli), enterococci und thermotolerante Gesamtcoliforme analysiert. Obwohl alle untersuchten Quellen mit Fäkalkeimen belastet waren, konnten folgende Zusammenhänge festgestellt werden: (1) Quellen der Bac Son Formation waren mikrobiell am stärksten belastet, vor allem wenn sie über die Poljenstaffelung mit Bachschwinden verbunden sind. (2) Die Quellfassung beeinflusst die mikrobielle Wasserqualität, da die üblichen Speichertanks anfällig für einen unwissentlichen Schadstoffeintrag durch die Quellnutzer sind. (3) Die Konzentrationen von FIB unterliegen jahreszeitlichen Schwankungen, mit höheren Werten in der Regenzeit. 
Aufgrund der starken hydrologischen Variabilität und der räumlichen Heterogenität von Transporteigenschaften im Karst, unterliegt die Wasserqualität im Allgemeinen starken Schwankungen. Daher konzentriert sich die zweite Studie (Kapitel 3) auf die Charakterisierung von Fließ- und Transportparametern in einem Karströhrensystem. Es wurden sechs Markierungsversuche durchgeführt, wobei die Eingaben und die Beprobungen an vier Stellen entlang des Fließsystems vorgenommen wurden: der Bachschwinde, zwei Stellen in der Höhle und an zwei benachbarten Quellen, die das System entwässern. Die Durchganskurven wurden mit einem eindimensionalen Advektions-Dispersions-Modell und einem „Two-Region Non-Equilibrium“ Modell berechnet. Um Transportparameter für die einzelnen Abschnitte des Fließsystems zu erhalten, wurde ein innovativer Ansatz für die Datenauswertung gewählt. Dabei wurde die Durchgangskurve eines Abschnittes als Multi-Puls Eingabefunktion für den nächsten Abschnitt verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Fließgeschwindigkeiten in Fließrichtung aufgrund abnehmender Gradienten abnehmen, die Dispersivität jedoch im mittleren Höhlenabschnitt am größten ist. Für das gesamte System ergaben die Untersuchungen, dass die mittlere Fließgeschwindigkeit mit steigender Schüttung von 183 auf 1,043 m/h ansteigt. Gleichzeitig nimmt der Anteil von immobilen Fluidbereichen im System ab. Es zeigte sich, dass die Dispersivität bei mittleren Schüttungen am kleinsten ist. 
Das Wasser des Höhlensystems wird von einer geplanten und fast fertiggestellten Wasserversorgungsanlage genutzt werden. Daher wurde die Wasserqualität der Quelle, die das Höhlensystem entwässert, in der dritten Studie (Kapitel 4) dieser Arbeit untersucht. Aufgrund der hohen Variabilität von Karstquellen sind schnelle Untersuchungsmethoden erforderlich, um die Qualitätsschwankungen beobachten zu können. In dieser Studie erwies sich die Bestimmung der Enzymaktivität von E. coli als wertvolles Werkzeug. Mit einem mobilen, automatischen Prototypen des ColiMinders, konnte die Aktivität von beta-D-Glucuronidase (GLUC) überwacht werden. Mehrere hydrologische, hydrochemische, physikochemische und mikrobiologische Parameter, wie Schüttung, Trübe, Partikelgrößenverteilung und E. coli wurden bei einer zehntägigen Monitoring-Kampagne zeitlich hochaufgelöst gemessen, um die Beziehung zwischen GLUC Aktivität und Schüttungs-dynamiken bzw. Kontaminationsmustern zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass anthropogene und landwirtschaftliche Aktivitäten zu einem komplexen Kontaminationsmuster mit hohen E. coli Konzentrationen und GLUC-Aktivitäten führen, die tageszeitlichen Schwankungen unterliegen. Diese Tagesschwankungen konnten auch in den Partikelkonzentrationen der kleinen Größenklassen (&lt;10 µm) beobachtet werden, was sich in signifikanten Korrelationskoeffizienten wiederspiegelt. Deutlich stärkere Korrelationen zwischen GLUC Aktivität und E. coli bzw. Konzentrationen der 2-3 µm Partikel konnten für ein einzelnes Regenereignis erzielt werden. Dennoch unterscheiden sich die Ergebnisse der GLUC Aktivität und E. coli im Detail, was durch lebende, aber nicht kultivierbare Zellen (VBNC) erklärt werden kann. Die Studie zeigt aber, dass die GLUC Aktivität ein vielversprechender, ergänzender Parameter für ein vor Ort und nahezu Echtzeit-Monitoring der Wasserqualität ist, besonders in Kombination mit den kleinen Partikelgrößenklassen.
In dieser Arbeit wird die Wasserqualität subtropischer Karstwasserressourcen mit einem differenzierten Blick auf verschiedenen Ebenen betrachtet. Dieser ganzheitliche Ansatz führt zu einem besseren Verständnis von subtropischen Karstsystemen. Außerdem liefert es eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von angepassten Strategien zur nachhaltigen Wasserbewirtschaftung. Die vorgestellten Methoden und Ansätze können auf andere entlegene Karstgebiete unter subtropischen und tropischen Klimabedingungen übertragen und bei deren Untersuchung eingesetzt werden.