New insights into hydraulic processes and water quality dynamics of alpine karst systems
Creators: name: Frank, Simon
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Karst groundwater
Karst springs
Groundwater
Water quality
Hydrochemistry
Particle-size distribution
Organic material

description: Karstaquifere sind wichtige Wasserressourcen für die Trinkwasserversorgung, vor allem in alpinen Regionen. Neue Studien schätzen, dass weltweit über 800 Mio. Menschen auf Trinkwasser aus Karstgebieten angewiesen sind. Angesichts des steigenden Wasserbedarfs in vielen Teilen der Welt bieten Karst-Aquifere ein enormes Potenzial für die zukünftige Wasserversorgung. Karstquellen weisen aufgrund der besonderen Eigenschaften der Karst- Aquifere oft eine hohe Variabilität der Wassermenge und -qualität auf. Karst-Aquifere weisen eine starke hydraulische Anisotropie und Heterogenität auf und sind daher sehr anfällig für Verunreinigungen. Um diese Art von Wasserressourcen nutzen zu können, sind angepasste Managementstrategien und vor allem eine detaillierte Kenntnis der Funktionsweise des jeweiligen Aquifers von besonderer Bedeutung. Angesichts des steigenden Wasserbedarfs und des Klimawandels ist ein tiefgreifendes Verständnis der hydrogeologischen Verhältnisse unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alpine Karst-Aquifere untersucht, um konzeptionelle Modelle für die verschiedenen Aquifere zu entwickeln, um ein besseres Wissen über die Funktionsweise für ihre zukünftige Nutzung für die Wasserversorgung zu erhalten. Umfangreiche Felduntersuchungen und hydrochemische Analysen wurden durchgeführt und führten zu einem hydrogeologischen Konzeptmodell für das von der Marulbachquelle entwässerte Karstaquifersystem, das in Kapitel 2 vorgestellt wird. In dieser Studie wurde das Wasser einer Quelle, die ein komplexes Karbonat-Gipskarst-System entwässert, hydrogeochemisch untersucht. Die Reaktion der Quelle auf ein Niederschlagsereignis wurde untersucht, um die relevanten hydrologischen Prozesse zu identifizieren, die die Hydrochemie der Quelle beeinflussen, und um die Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und den Conduit-Matrix-Austausch zu verstehen. Vergleiche von Ionenverhältnissen zeigen, dass sowohl Karbonat- als auch Gipsgesteine die Wasserchemie der Quelle beeinflussen. Es wurde ein konzeptionelles Modell des Quellverhaltens unter Niedrig- und Hochwasserbedingungen, einschließlich der Conduit-Matrix- Wechselwirkung, entwickelt, das die Beobachtungen erklären kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass 1) die Quelle unter Niedrigwasserbedingungen durch einen hohen Sulfatgehalt gekennzeichnet ist, während nach Niederschlagsereignissen die Wasserchemie von Hydrogenkarbonat dominiert wird; 2) eine Änderung der Wasserchemie mit einer signifikanten Verschiebung von Niedrigwasser- zu Hochwasserbedingungen verbunden ist und 3) wie die Abfluss-Sulfat-Beziehung zeigt, ist die Conduit-Matrix-Wechselwirkung ein wichtiger Faktor, der das Verhalten der Quelle deutlich beeinflusst. Die Studie in Kapitel 2 gibt allgemeine Informationen über die Funktionsweise des Aquifers, aber keine Informationen über die Dynamik der Kontamination. Daher konzentriert sich die zweite Studie dieser Arbeit (Kapitel 3) auf die Charakterisierung der Kontaminationsdynamik und die Entwicklung eines Echtzeit-Warnsystems für organische und bakterielle Kontaminationen. Mit Hilfe eines fluoreszenzbasierten Multiparameter-Ansatzes wurde die Dynamik von organischem Kohlenstoff, Fäkalbakterien und Partikeln an drei alpinen Karstquellen charakterisiert. Beim ersten System waren die Peak A-Fluoreszenz und der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) stark korreliert, was darauf hindeutet, dass ein großer Teil der organischen Substanz mit huminstoffähnlichen Substanzen in Verbindung steht. Proteinähnliche Fluoreszenz und kultivierungsbasierte Bestimmungen von coliformen Bakterien wiesen ebenfalls eine signifikante Korrelation auf, was darauf hinweist, dass die proteinähnliche Fluoreszenz direkt mit fäkalen Verunreinigungen zusammenhängt. Zusätzlich gab es eine starke Korrelation zwischen kleinen Partikelfraktionen, einem sekundären Trübepeak und Bakterien. An einer dieser Quellen war der Abfluss trotz der Reaktion aller anderen Parameter auf das Niederschlagsereignis konstant. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass 1) alle drei Quellen nach Regenereignissen schnelle und deutliche Reaktionen aller untersuchten Wasserqualitätsparameter aufwiesen; 2) ein konstanter Abfluss nicht unbedingt eine konstante Wasserqualität bedeutet; 3) bei hohen Verschmutzungsgraden die proteinähnliche Fluoreszenz ein guter Indikator für bakterielle Verunreinigungen ist, während bei niedrigen Verschmutzungsgraden keine Korrelation zwischen proteinähnlicher Fluoreszenz und bakteriellen Werten festgestellt wurde; und 4) eine Kombination aus Fluoreszenzmessungen und Partikelgrößenanalyse ein vielversprechender Ansatz für eine schnelle Beurteilung der organischen Verschmutzung ist, insbesondere im Vergleich zu zeitaufwendigen konventionellen bakteriellen Bestimmungsmethoden. Die in Kapitel 3 beschriebene Studie zeigte, dass die proteinähnliche Fluoreszenz ein vielversprechendes Werkzeug für ein Echtzeit-Kontaminationsanzeigesystem ist. Da die Transporteigenschaften und das Transportverhalten von Tryptophan und Huminstoffen noch unzureichend bekannt sind, konzentriert sich Kapitel 4 auf das Transportverhalten von Tryptophan und huminstoffähnlichen Stoffen. In der in Kapitel 4 beschriebenen Studie wurde ein vergleichender Tracerversuch in einem Epikarstsystem durchgeführt, um die Transporteigenschaften und das Verhalten von Tryptophan und Huminsäuren zu untersuchen. Diese beiden Tracer wurden mit dem konservativen Tracer Uranin verglichen. Die Fluoreszenzmessungen wurden mit einem Online-Feldfluorimeter und im Labor durchgeführt. Die erhaltenen Durchgangskurven und die Modellierungsergebnisse zeigen, dass 1) das Online-Feldfluorimeter für Echtzeit-Fluoreszenzmessungen aller drei Tracer geeignet ist; 2) die Transportparameter von Uranin, Tryptophan und Huminsäuren in den schnellen Fließwegen des Karstsystems vergleichbar sind; 3) dass in den langsameren und längeren Fließpfaden, im Vergleich zu Uranin und Tryptophan, die Transportgeschwindigkeiten von Huminsäuren langsamer und die Verweilzeiten entsprechend höher sind; 4) die erhaltenen Durchgangskurven zusätzliche Informationen über das untersuchte Karstsystem liefern. Zusammenfassend zeigen diese Experimente, dass das Transportverhalten von Uranin und Tryptophan vergleichbar ist während Huminsäuren langsamer und verzögert transportiert werden. Diese Erkenntnisse erlauben eine bessere und quantitative Interpretation von Ergebnissen wenn diese Substanzen als natürliche Fäkal- und Kontaminationsanzeiger verwendet werden. Klimawandel und Starkregenereignisse sind besondere Herausforderungen bei der Bewirtschaftung alpiner Karstgrundwasserleiter. In der in Kapitel 5 beschriebenen Studie werden die Ergebnisse von Untersuchungen eines hochalpinen Karstsystems im UNESCOBiosphärenreservat Großes Walsertal in Österreich vorgestellt, das über ein klar definiertes hydrogeologisches Einzugsgebiet verfügt und von nur einem Quellsystem entwässert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass 1) das untersuchte System ein hochdynamischer Karst-Aquifer mit ausgeprägten Reaktionen auf Niederschlagsereignisse von Schüttung und elektrischer Leitfähigkeit ist; 2) die geschätzte transiente atmosphärische CO2-Senke für das untersuchte Karstsystem ca. 270 t/a beträgt; 3) die berechnete Denudationsrate für die auftretenden Karbonatgesteine im Untersuchungsgebiet zwischen 23 und 47 mm/1000a beträgt und 4) das Niederschlags- Abflussverhalten und die innere Strömungsdynamik des untersuchten Karstsystems erfolgreich mit dem Softwarepaket KarstMod simuliert werden kann. Die Modellierungsergebnisse zeigen die Bedeutung der Matrix als Speicher, insbesondere in Niedrigwasserperioden. Gerade im Hinblick auf den Klimawandel kann diese Forschung einen Beitrag zum besseren Verständnis und Management der alpinen Karstaquifere leisten und initiieren. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Wasserqualität und Wasserquantität im Zusammenhang mit Karstaquiferen im Lechquellengebirge in Vorarlberg, Österreich, vorgestellt. Der Untersuchungsansatz und die erzielten Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis der jeweiligen Karstsysteme und liefern eine wertvolle Grundlage für die zukünftige Nutzung dieser Aquifere für die Trinkwasserversorgung.