Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum-Ansatzes: Methodenentwicklung und

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1 Heft 85 Ulrich Lang Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum-Ansatzes: Methodenentwicklung und Parameteridentifikation

2 Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum-Ansatzes: Methodenentwicklung und Parameteridentifikation Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Ulrich Lang aus Stuttgart Hauptberichter: Mitberichter: Prof. Dr. Helmut Kobus Prof. Dr. Laszlo Kiraly Tag der mündlichen Prüfung: 16. Februar 1995 Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart 1995

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4 Heft 85 Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum- Ansatzes: Methodenentwicklung und Parameteridentifikation von Dr.-Ing. Ulrich Lang Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart

5 D93 Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum-Ansatzes: Methodenentwicklung und Parameteridentifikation Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Lang, Ulrich: Simulation regionaler Strömungs- und Transportvorgänge in Karstaquiferen mit Hilfe des Doppelkontinuum-Ansatzes: Methodenentwicklung und Parameteridentifikation / von Ulrich Lang. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart. - Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 1995 (Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 85) Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 1995) ISBN X NE: Institut für Wasserbau <Stuttgart>: Mitteilungen Gegen Vervielfältigung und Übersetzung bestehen keine Einwände, es wird lediglich um Quellenangabe gebeten. Herausgegeben 1995 vom Eigenverlag des Instituts für Wasserbau Druck: Sprint-Druck Stuttgart

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8 Kapitel1 Einleitung 1.1Aufgabenstellung KarstgrundwasserleiterhabenoftmalseinewichtigewasserwirtschaftlicheBedeutung,dasieim VergleichmitanderenFestgesteinsaquifereneinegroeSpeicherfahigkeitaufweisen.Sowerden zahlreichegrundwasservorkommeninverkarstetengesteinenzurtrinkwasseraufbereitungverwendet.weltweitbeziehenca.25%derbevolkerungihrtrinkwasserauskarstaquiferen(ford BevolkerungmitTrinkwasserversorgt,gewinntbeispielsweiseca.60Miom3Trinkwasserpro nehmen.dielandeswasserversorgung,dieungefahreindrittelderbaden-wurttembergischen somiteinesderbedeutendstenrohwasservorkommenimsudwestdeutschenraumdar.durch denhohengrundwasserumsatzunddasrelativgroehohlraumvolumen(ca.1,5-3%nach Villinger,1977)istesmoglich,demKarstgrundwasserleitervergleichsweisevielWasserzuentwasserderSchwabischenAlbalsTrinkwassernutzen(LW,1993).DieSchwabischeAlbstellt undwilliams,1989).inbaden-wurttembergsindesca.3millionenmenschen,diedaskarst- JahrausdemWeijurakarstderSchwabischenAlb(LW,1993). WegenderbesonderenwasserwirtschaftlichenBedeutungundderhaugenNutzungvonKarstwasservorkommenalsTrinkwasseristeserforderlich,Karstgrundwasserleiterdurchgeeignete ManahmenvorVerunreinigungenzuschutzenunddiebestehendenNutzungenfurdieZukunft zusichern.dergrundwasserschutzinkarstaquiferenerfordertgegenuberdenschutzvorkehrungeninlockergesteinsaquiferenerweitertemanahmen(z.b.sehrgroeschutzzonen,dieoftmals vongroeundlagedeseinzugsgebiets.umdiegrenzeneineseinzugsgebietszubestimmen, dasgesamtequelleinzugsgebietumfassen),dakarstsystemeaufgrundihrerheterogenenrohrenundkluftstrukturnureinesehrgeringefilterwirkungaufweisen.diegrundwasserstromungim werdenmarkierungsversuchedurchgefuhrt,dieauchauskunftuberdiemittlerenlaufzeiteninnerhalbeineseinzugsgebietsgeben.nebendiesenfelduntersuchungenistesfureinenwirksamen EinzugsgebietzurQuelleoderFassungbewirken.AusdiesemGrundistesmeisterforderlich, SchutzgebieteuberdasgesamteEinzugsgebietauszuweisen.DieserfordertdiegenaueKenntnis KarstistgekennzeichnetdurchhoheAbstandsgeschwindigkeiten(ca m/hnachVillinger, 1977),dieeinenschnellenTransport(innerhalbvonTagen)vonWasserinhaltsstoenausdem 1

9 reproduzieren,sondernmussenauchprognosefahigsein.alsbislangwichtigsteauswertungsmethodensindsogenannteblack-box-modellezunennen,mitdenenmeistubertransferfunktionen Einzelergebnisseauswertenundzusammenfuhren,sodaeineBeurteilungderStromungs-und Transportverhaltnissemoglichist.DieseVerfahrensollennichtnurdiegemessenenErgebnisse 2Grundwasserschutzunabdingbar,VerfahrenoderMethodenbereitzustellen,diediegemessenen diegemessenenwertewiequellschuttungoderabstandsgeschwindigkeitennachgebildetwerden. Allerdingshatessichgezeigt,daeinerseitsdiePrognosefahigkeitsehrgeringistundandererseits diemoglichkeitzurnotwendigenregionalendierenzierungfehlt.ausdiesemgrunderscheint dereinsatzvonnumerischenstromungs-undtransportmodellennotwendig,umdieerforderlicheprognosefahigkeitundeinedreidimensionaledierenzierungzuermoglichen(kobus1987 beidensystemesindhydraulischmiteinandergekoppelt.deshalbwerdenzursimulationvon kluftsystemundeinfeinkluftsystemmithoherspeicherkapazitatgekennzeichnetist.diese fahrenvorliegen,erfordernnumerischesimulationenimkarstspeziellemodellansatze.karst- grundwasserleiterweiseneinedoppelporosestrukturauf,diedurcheinhochdurchlassigesgrob- und1992). Stromungs-undTransportprozessenVerfahrenbenotigt,diedieInteraktionzwischendemGrobunddemFeinkluftsystemmitberucksichtigen.AusbisherigenModelluntersuchungeninKluftgrundwasserleiternstehenverschiedeneModellansatzezurVerfugung,dieprinzipiellgeeignet sind,stromungs-undtransportprozesseinkarstaquiferenzusimulieren.einvergleichder ImGegensatzzuModelluntersuchungeninporosenMedien,furdiezahlreichenumerischeVer- unterschiedlichenmodellansatzehatgezeigt,dafurpraxisbezogeneanwendungsfalleimregionalenmastabnurderdoppelkontinuum-ansatzeinsetzbarist,dakarstaquifereeinesehportprozesseimkarstermoglicht.nebendemerststelleneinerleistungsfahigenmodelltechnik numerischesmodellzuentwickeln,dasdiesimulationdreidimensionalerstromungs-undtrans- nurfureindimensionaleproblemstellungenvorliegt(teutsch,1988),wareserforderlich,ein heterogenekluftstrukturaufweisen,derengeometrieimdetailnichterkundbarist. DabislangeineeinsatzbereiteModelltechnikaufderGrundlagedesDoppelkontinuum-Ansatzes istesfurdiebearbeitungrealerproblemstellungennotwendig,konzeptebereitzustellen,mit bleibt.insbesonderefurgemessenegrundwasserstandeisteserforderlich,methodenzuerarbeiten,umdiegemessenenwerteeinemderbeidenkontinuumsystemezuordnenzukonnen. DieVorgehensweisebeiderZuordnungdergemessenenPiezometerhohenistindieserArbeitam BeispielsynthetischerModellaquifereundfureinenrealenKarstaquiferaufderSchwabischen datenwiegrundwasserstande,durchlassigkeiten,ergebnisseaustracerversuchenetc.,erfor- denengemessenenaturdatenindienumerischebetrachtungeingebundenwerdenkonnen.medernidentikationsverfahrenfurdoppelkontinuum-modelle,dadiesemedatenvonderlokalen Kluftgeometrieabhangen,dieseaberwiederumimDoppelkontinuum-Ansatzunberucksichtigt Albdemonstriert.

10 1.2Ziel DiebisherigenUntersuchungenimKarstbeschrankensichimwesentlichenaufdieErfassungvon Daten,diedannmeistalsEinzelinformationenausgewertetwerden.Dabeikommendieklassi- 3 etc.,zumeinsatz.dieseauswertungensindsehrnutzlichundnotwendigfurdieermittlung ModellezurBeschreibungderQuellschuttungenermoglichendieNachbildungvonQuellabussen beigleichbleibendenrandbedingungen.andernsichaberdierandbedingungenz.b.durcheine deshydrogeologischenist-zustandes.prognoseszenariensinddamitnichtmoglich.black-box- Baumanahme(VerschiebungderWasserscheiden)istdieseMethodenichtmehranwendbar.NuschenMethoden,wieErstellenvonGrundwassergleichenplanen,BestimmenvonDurchlassigkeitennachStandardverfahren,BestimmenvonAbstandsgeschwindigkeitenausTracerversuchemerischeStromungs-undTransportmodellesinddagegenaufgrundihrerraumlichenDierenzierungimPrognosefallanwendbar.WegenderextremheterogenenStrukturderDiskontinuitaten DieEntwicklungeinerleistungsfahigenDoppelkontinuum-ModelltechniksolldieSimula- Karstdurchgefuhrt.UmdieWeiterentwicklungprinzipiellerUntersuchungsmethodenimKarst weitervoranzutreiben,wurdenfolgendezielefurdiesearbeitdeniert: imkarstwurdenbislangnurwenigenumerischestromungs-undtransportsimulationenim MitderEntwicklungvonVerfahrenzurParameteridentikation(Grundwasserstande)fur zubeziehen. quiferenermoglichen.diebesonderenerfordernissefuruntersuchungenimkarst(freie dersysteme,hochadvektivertransportmitinstationarerstromung)sinddabeimitein- Oberache,keineVernachlassigungvonDurchlassigkeits-undSpeichereigenschaftenbeitionvondreidimensionalenregionalenStromungs-undTransportvorgangeninKarsta- MiteinemFallbeispielsolldemonstriertwerden,danumerischeSimulationenimKarst DurcheinfachePrinzipuntersuchungenansynthetischenKluftaquiferensolldasVerstandnisfurdeninstationarenKluft/Matrix-Austauschverbessertwerden. prinzipiellaussagefahigeergebnisseliefernkonnen. geleistetwerden. Doppelkontinuum-ModellesolleinBeitragzumEinsatzdesDoppelkontinuum-Ansatzes InderArbeitwirddieEntwicklungeinesdreidimensionalenDoppelkontinuum-Stromungsmodellsvorgestellt,dasaufderBasisdesbestehendenProgrammsystemsMODFLOW(McDonalportmodellsunterZugrundelegungdesDoppelkontinuum-AnsatzessowiedieInterpretationgemessenerGrundwasserstandeausKarstaquiferenfurDoppelkontinuum-Modellebeschrieben. 1.3Vorgehensweise IndervorliegendenArbeitwirddieEntwicklungeinesdreidimenionalenStromungs-undTrans-

11 ModellspeziellaufdieErfordernisseimKarstabgestimmt.MitdemneuentwickeltenModell geringdurchlassigengesteineneingesetztwurden,istdashierentwickeltedoppelkontinuum- gralenitedierenzenverfahrenzugrunde.imgegensatzzudenbestehendendoppelkontinuum- Modellen,dievorwiegendzurSimulationvonStromungs-undTransportvorgangeninrelativ 4undHarbaugh,1984)erarbeitetwurde.DemDoppelkontinuum-StromungsmodellliegtdasintethodezurFormulierungderAustauschprozesseunterungespanntenVerhaltnissenvorgestellt. dasaufderextreminstationarenstromungimkarstaufbautundwiedasstromungsmodell Speichereigenschaftenzuberechnen.DesweiterenerlaubtdasDoppelkontinuum-Modell,ungespannteVerhaltnisseinbeidenSystemenzuberucksichtigen.InderArbeitwirdeineneueMe- DieSimulationvonTransportvorgangeninKarstaquiferenerforderteinnumerischesModell, istesmoglich,diedoppelporosestromungohnedievernachlassigungvondurchlassigkeits-und aufdemdoppelporositatsprinzipbasiert.anhandeinesbeispielswirdgezeigt,dadieadvektiventransportprozesseimkarstdominierenundesdeshalbfurdielosungdertransport- Rolle.HierzuwirdeineneueMethodevorgestellt,beiderdielokaleKluft/Matrix-Geometrie dierentialgleichungnotwendigist,einnumerischesverfahrenzuverwenden,dasdiehochad- TransportmodellbasiertwiedasStromungsmodellaufeinembestehendenTransportprogramm (MT3D:Papadopulos,1990),dassichderCharakteristiken-MethodezurLosungderDierentialgleichungbedient.InKarstgrundwasserleiternspielendieinstationarenAustauschvorgangezwischenGrobkluft-undFeinkluftsystemaufgrundwechselnderAustauschrateneineentscheidende nichtbenotigtwird. vektiventransportprozesseimkarstrichtignachbildet.dasneuentwickeltedoppelkontinuum- gramme,beidersowohlanalytischelosungenzuranwendungkommenalsauchdieberech- DieModellentwicklungbeinhaltetweiterhineineVerikationderStromungs-undTransportpronungsergebnissemitErgebnissenvonbereitsveriziertenProgrammenverglichenwurden. UmdenDoppelkontinuum-AnsatzfurrealeProblemstellungeneinsetzenzukonnen,istesnotwendig,gemesseneDatenindieBetrachtungenmiteinzubeziehen.Soerfordertz.B.eineModelleichungaufgrundvonStromungsdatendenVergleichzwischenberechnetenundgemessenenGrundwasserstandenundQuellschuttungen.GrundwasserstandestellenPunktinformationenineinemQuelleinzugsgebietdar,diestarkvondersublokalenKluftgeometrie(unterhalb desdoppelkontinuum-rasters)abhangen.umgemessenegrundwasserstandemitberechneten Doppelkontinuum-Piezometerhohenvergleichenzukonnen,isteineUbertragungdergemessenenDatenaufModelldatenerforderlich,dadieDetailgeometriederKluftebeimintegralen dieeinenvergleichvongemessenenundberechnetengrundwasserstandenerlauben.ubernumerischeexperimente,beidenensynthetischekluftaquiferemithorizontalundvertikalebenerap- Doppelkontinuum-Ansatzunberucksichtigtbleibt.HierzuwerdenspezielleVerfahrenvorgestellt, proximationderkluftgeometriezumeinsatzkommen,werdenverfahrenzurparameteridenti- kationaufgezeigt.beidervertikalebenenbetrachtungwirddereinueinerhorizontalkluftauf dengrundwasserstandineinermestellediskutiert.imhorizontalebenenfallwirddereinu derlokalenkluftgeometrieeinessynthetischenkluftmodellsaufdencharakteristischenganglinienverlaufinderkluftundindermatrixanalysiert.uberdenvergleichmiteinemimabu aquivalentendoppelkontinuum-modellwerdenverfahrenvorgestellt,dieeineubertragungvon gemessenengrundwasserstandenaufpiezometerhoheneinesdoppelkontinuum-modellsermogli-

12 chen.ineinerabschlieendenprinziphaftenmodelluntersuchungfureinenkarstaquiferaufder SchwabischenAlbwirddieAnwendungderIdentikationsverfahrenundderneuentwickelten Modelltechnikdemonstriert. 5

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14 Kapitel2 HydrogeologischeVerhaltnissein Karstgrundwasserleitern 2.1UbersichtuberdieGrundtypenderKluftgesteinsausbildunkungenoderchemischerLosungsprozesseentstandenist.DieHohlraumebestehenjenachFelstyp oderfestgesteinsaquifere.imgegensatzzuporosenmedienbestehteinkluftgrundwasserleiter auseinersehrheterogenaufgebautenhohlraumstruktur,dieinfolgetektonischerkrafteinwir- Grundwasserleiter,diesichimFestgesteinausgebildethaben,nenntmanKluftgrundwasserleiter auskluften,spaltenoderrohren,dieinabhangigkeitvonderaquifergeneseunterschiedliche Zonenfreibeweglichist.NebendiesemfreibeweglichenWasserkannvorallemfurFragestellungenimEndlagerbereichdieHohlraumporositatdesFestgesteinsvongroerBedeutungsein, GeometrienaufweisenundmehroderwenigerzusammenhangendeNetzebilden.Esistdavon auszugehen,dadaswasserindiesenzusammenhangendenkluftnetzenundhochdurchlassigen pen,diestarkunterschiedlichestromungs-undtransporteigenschaftenaufweisen.inabb.2.1 sindschematischfunfverschiedenartigekluftaquifertypendargestellt.unterscheidenlassensich KluftgrundwasserleiterunterliegeneinergroenBandbreitevonverschiedenartigenAquiferty- dafurlangezeitraumediediusivenprozesseimfestgesteindastransportverhaltenwesentlich beeinussenkonnen. diesekluftgrundwasserleiterimwesentlichendurchihregesamtdurchlassigkeit,diebeidenin artigkeitderinabb.2.1dargestelltenaquifereergebensichauchsehrunterschiedlichefrage- stellungen,furderenbeantwortungwiederumdiverseraum-undzeitskalennotwendigsind.so erfordernz.b.untersuchungenzurendlagerproblematik,dievorwiegendinrelativundurchlassizeitraume(jahrzehntebisjahrtausende)imlokalenmastab(10-100m;z.b.liedtkeetal. Abb.2.1dargestelltenAquiferenvonlinksnachrechtszunimmt.AufgrundderVerschiedengemGranitgestein(kf: m=s)zubearbeitensind,relativlangeBetrachtungs- 1992).InKarstaquiferen,wiesieingroenTeilenderSchwabischenAlb(Villinger1977)vorliegen,istesdagegenaufgrundderhaugenNutzungzurTrinkwasseraufbereitungnotwendig,die 7

15 8 Grundtypen der Kluftaquifere feinmaschiges Kluftnetz mit undurchlässiger Gesteinsmatrix und Störungszone feinmaschiges Kluftnetz mit gering durchlässiger Gesteinsmatrix und Störungszone Grobkluftsystem mit durchlässiger Gesteinsmatrix Grobkluftsystem mit bereichsweise korrosiv erweiterten Klüften korrosiv erweitertes Kluftsystem mit verkarsteter Gesteinsmatrix Abbildung2.1:SchematischeDarstellungvonverschiedenartigenKluftgrundwasserleitern UntersuchungenimregionalenMastab,d.h.aufEinzugsgebietsebene,durchzufuhren,wobeidie ZeitskalaimBereichvonMonatenundJahrenliegt(Langetal.1991).InTab.2.1undTab.2.2 Beispiele für die Grundtypen der Kluftaquifere sindexemplarischfuraquifereimgranitundimweijurakarstmoglichefragestellungenmit zugehorigenraum-undzeitskalendargestellt,diediegroebandbreitederkluftgrundwasser- Tuffgestein Sandstein Muschelkalk Weißjurakarst leiterverdeutlichensollen.ausdenfragestellungenbzw.nutzungsanforderungenergebensichin Gneis Gipskeuper AbhangigkeitvonderRaum-undZeitskaladieebenfallsinTab.2.1undTab.2.2dargestellten relevantenstromungs-undtransportprozesse,diebeideraufstellungeinesuntersuchungsprogrammsoderbeiderwahldesgeeignetenmodellansatzeszursimulationvonstromungs-unrengegebenenhydrogeologischenverhaltnissegegenuberdenenandererkluftgrundwasserleiter DieinAbb.2.1,Tab.2.1undTab.2.2dargestelltenAusfuhrungensollendieinKarstaquife- Transportvorgangenbekanntseinmussen. abgrenzenunddiebesonderheitenvonkarstaquiferen,dienachfolgendbeschriebensind,verdeutlichen.inkarstgrundwasserleiternkanndiehohlraumbildunginfolgevonlosungsprozessen (Verkarstung)zusehrhochdurchlassigenundspeicherfahigenKluftsystemenfuhren.Ausdiesem GrundkommtdenKarstgrundwasserleiterneinegroewasserwirtschaftlicheBedeutunginnerhalbderKluftgesteinsaquiferezu.

16 Fragestellung GranitTabelle2.1:CharakeristischeStromungs-undTransportvorgangeimGranit RaumskalaZeitskala StromungsprozesserelevanteTransportprozesse 9 relevante Endlagerproblematik hydraulische m100JahrestationareStromungsverhaltnissemolekulareDiusion,Mehrphasen (konservativebetrachtungsweise) Markierungsversuche Tests 1-100m 0,1-10Tagestationareund Tagestationare instationarestro- Stromung hydrodynamischedispersionin denkluften;molekularediffusion indergesteinsmatrix Advektionund karstungsfahigkeitdesgesteinsunterschiedlichintensivausgebildetist.vorallementlangbe- stehenderfliebahnen,wiehydraulischwirksamekluftsysteme,ndenlosungsprozessestatt, diezueinervergroerungdeshohlraumvolumensfuhren.diegenesevonkarstaquiferenist VerkarstungentstehtinfolgevonLosungsvorgangeninderGesteinsmatrix,diejenachVer- 2.2Verkarstung,BestimmungdergeohydraulischenParameter aufgrunddergebietsspezischenrandbedingungen,wiez.b.verkarstungsfahigkeit,dauerder meingultigeverkarstungsmodelleinfolgekalkauslosung,diezurbestimmungderhohlraumpo- rositatverwendetwerdenkonnen.kraemer(1988)verwendeteeingrundwasserstromungsmodell Losungsvorgange,LagederVoruteru.a.,unterschiedlich.Dreybrodt(1988)erarbeiteteallge- GrundistauchdieGeometriederKluftsysteme(Lange,Dicke,LageundOberachenbeschaenheitderEinzelklufte),diedaslokaleStromungsverhaltenmageblichbeeinut,extremvariabel wirksamenhohlraumesehrheterogenverteiltundsehrunterschiedlichausgebildet.ausdiesem (diskretermodellansatz)gekoppeltmiteinemmodellzurbeschreibungvonlosungsvorgangen undlatsichimaquifernichtexaktbestimmen. inkluften,umdieentstehungvonhohlenineinemverkarstungsfahigengesteinzusimulieren. NachWarrenundRoot(1963)latsicheinKluftgrundwasserleiterindie"Primar"-oder InKarstaquiferensindinfolgederverschiedenartigwirkendenLosungsprozessediehydraulisch "Matrix"-Porositat,diedieHohlraumporositatderGesteinsblockereprasentiert,undindie"Sekundar"-bzw."Kluft"-Porositat,dieeinemfeinmaschigenKluftnetzentspricht,unterteilen.Es

17 10Tabelle2.2:CharakeristischeStromungs-undTransportvorgangeimWeijurakarst Fragestellung WeijuraaquiferRaumskalaZeitskala Wasserbilanz{ betrachtung StromungsprozesserelevanteTransportprozesse relevante hydraulische undwassergute-1-10km TageinstationareStromungsverhaltnisseAdvektionund (konservativebetrachtungsweise) Markierungsversuche Tests m0, km 1-300Tageinstationare Stromung hydrodynamische Dispersion tetenbegrie("matrix"-und"kluft"-porositat)nichtdirektanwendbarsind.einehydraulisch seiandieserstelleangemerkt,dafurdenkarstdieseinderliteraturublicherweiseverwende- hydrodynamische Dispersion Porositat)undeinedurchLosungsprozesseentwickelte"tertiare"Porositat,diedasGrobkluftsystemdarstellt,gebildetkundarePorositatwirdhydraulischalseingemeinsameshydraulischesSystemangenommen.Die GesamtporositatdesKarstaquiferswirddurchdiesesFeinkluftsystem(primareundsekundare wirksamematrix-oderprimarporositat,diediestromungseigenschaftendergesteinsmatrixbe- UmfureinenKarstaquiferrelevanteAquiferparameterzubestimmen,kommeninderRegeldie schreibensoll,wirdimkarstimallgemeinennichtseparatberucksichtigt.dieprimareundse- genauswerteverfahrenfurporosemedien(z.b.theis1935)erfolgen.einederartigeauswer- tungwurdez.b.vonvillinger(1977)verwendet,umdurchlassigkeitsbeiwertederschwabischen Albabzuschatzen.Drogue(1991)ermittelteDurchlassigkeitsbeiwerteausPumpversuchsergeb- uberdieintegralenaquiferparameter(durchlassigkeitundspeicherkoezient)imnahfeldeines verteilungvorliegt,sokanndieauswertungderhydraulischentestsentsprechenddengangi- Bohrlochs.Nimmtmanan,daimNahfeldeinerBohrungeinerelativhomogeneHohlraum- Testsu.a.DieausdiesenMethodengewonnenenMewertegebenjenachVerfahrenAuskunft satz.beidenhydraulischentestshandeltessichvorallemumpumpversuche,wd-tests,slug- ausdemporosenmediumbekanntenhydraulischenversucheundauswertemethodenzumeinnissenunterzugrundelegungdesdoppelporositats-ansatzesvonbarenblattetal.(1960).dabei mussenallerdingsgeometrischevereinfachungenbezuglichkluftgeometrieundannahmenfur tedieserhydraulischenverfahrennurfureinenkleinenbereich(ca.1-10m)umdasbohrloch diematrixdurchlassigkeitgetroenwerden,wiesieebenfallsindenverfahrenvonbourdetund Gringarten(1980),Kazemietal.(1969)oderdeSwaan(1976)notwendigsind. DieausWD-undSlug-TestsermitteltenAquiferparametersindaufgrunddergeringenReichwei-

18 ReichweitenreprasentativeAussagenuberdielokalen(ca.100m-1000m)mittlerenAquiferparameter. 11 reprasentativ.pumpversuchemitlangenversuchszeitendagegenerlaubenaufgrundgroerer Test(ca.10m)!Pumpversuche(ca.100)!Einzugsgebiet)fest.Weiterhinzeigendiemeisten KarstgrundwasserleitereineextremevertikaleVariabilitatindenDurchlassigkeitsbeiwerten,die ZunahmederGesamtdurchlassigkeitmitwachsendemUntersuchungsmastab(Labor!Slug- gewonnenemedatenindieseskalenhierarchieein.sauter(1991und1992)stelltedabeieine undsauter(1991)sowiesauter(1991,1992)dieskalenabhangigkeitvonimkarstbeobachtetenstromungs-undtransportphanomenenundordnetendiez.b.durchhydraulischetests BasierendaufdervonHaldorsen(1986)entwickeltenSkalenhierarchieuntersuchtenTeutsch aufdieextremheterogenestrukturvonkarstsystemenhinweist. einextreminstationaresverhaltengekennzeichnet,dassichsowohlindengrundwasserstanden InKarstaquiferenndetinfolgederrelativgroenGesamtporositatimVergleichzuanderenFestgesteinsaquifereneingroerGrundwasserumsatzstatt.DiedynamischeStromungscharakteristik istgepragtdurchdiemehrfachporosehohlraumverteilung.diekarstwasserstromungistdurch 2.3PhanomenederStromungimKarst vorliegt,spieltdiegrundwasserneubildunginfolgeversickerndenniederschlagswasserseineentscheidenderollefurdasdynamischeverhaltendergesattigtenkarstwasserstromung.uberverdunstungsprozesseundspeicherunginderoberstenbodenzone(ca.0-3m)ergibtsichdie GrundwasserneubildungausdemNiederschlag.UnterhalbderBodenzoneperkoliertdasNeubildungswasserdurchdenoberenBereichdervadosenKarstzone(Bogli,1964,1966),denEpikarst (FordundWilliams,1989).InAbhangigkeitvonderAusbildungdesEpikarstesietdasNeubil- eingrundwasserneubildungsmodell,daszeitlicheverzogerungenindersubkutanenzoneund dieaufteilungdergrundwasserneubildungfureindoppelporosessystemberucksichtigt.neben dersubkutanenzonespielenfurdaslokalestromungsverhaltendolinenundkarstwanneneine groerolle,dadasuberdieseoberachennahenhohlraumeabieendeneubildungswasser,als dungswasserzumeinendemhochdurchlassigenkluftsystemundzumanderendemmatrixsystem DainKarstgrundwasserleiterninderRegeleineGrundwasserstromungmitfreierOberache alsauchindenquellschuttungenwiederspiegelt. 'rapidrecharge'bezeichnet,nichtandenverdunstungs-undspeicherungsprozesseninderoberstenbodenzoneteilnimmt,sonderndirektdemhochdurchlassigenkluftsystemzuiet.dadurcgenvonwilliams(1983,1985)zursubkutanenzone(oberachennahekarstzoneimepikarst) desgesattigtenkarstaquiferszu.sauter(1992)entwickelteaufdengrundlegendenuberlegun- entstehtlokaleinekonzentriertegrundwasserzugabe,dieimnahfeldderdolineodersenkedas lokalestromungsfeldwesentlichbeeinussenkann.

19 konneninderregelzusammenhangendegrundwassergleichenplaneerstelltwerden.solegte DaessichbeidenmeistenKarstaquiferenumrelativengmaschigvernetzteKluftsystemehandelt, 12 Villinger(1977)zumerstenMaleinenzusammenhangendenGrundwassergleichenplanfurdie gesamteschwabischealbvor,ausdemdieregionalenstromungsverhaltnisseunddamitauch 2.3.1Grundwasserstande dieungefahrenquelleinzugsgebietemitkarstwasserscheidenfurunterschiedlichehydrologische selbenquelleinzugsgebiet.diegangliniedespegels1reagiertmitsehrkurzfristigengrund- Situationenhervorgehen. wasserspiegelschwankungenaufgrundwasserneubildungsereignisse.nachdiesenextreminstati- onarenreaktionenzeigtdieganglinieeinauslaufverhaltenahnlichdemgenerellenverhalten weisenvolligunterschiedlichegangliniencharakteristikaauf,stammenaberdennochausdem- beispielhaftzweifureinenkarstaquifertypischegrundwasserstandsgangliniendargestellt.sie DerzeitlicheVerlaufderGrundwasserstandeunterliegtinKarstaquiferen,wieobenbeschrieben,demextremdynamischenStromungsverhaltendesKarstwasserleiters.InAbb.2.2sind dergangliniedespegels2,diezwareinengrundwasseranstiegzubestimmtenneubildungsereignissenerkennenlat,abereinnachdemanstieggleichmaigesauslaufverhaltenaufweist. DiestarkunterschiedlicheGangliniencharakteristikderbeidenMestellenweistdaraufhin,da diebeidengangliniendiereaktionenunterschiedlichersystemeinnerhalbeineskluftgrundwasserleiterswiederspiegeln.dieseeektewerdendurcheineausgepragtekluft/matrix-interaktion hervorgerufen;karstaquiferelassensichdaherals"mehrfachporose"systemebezeichnen. Pegel 1 Pegel 2 (igi,1989;langundkobus,1993) Abbildung2.2:GrundwasserstandsganglinienvonzweiMestellenimgleichenQuelleinzugsgebiet Zeit in [d] Zeit in [d] h in [münn]

20 2.3.2Abusse 13 InstationaritatderGanglinendurchSchuttungsverhaltnissezwischenNiedrigwasser-undHochwasserabu(QNW/QHW)vonbiszu1:10imSeichtenKarstundbiszu1:5imTiefenKarsschenAlbdargestellt.EbensowiedieGrundwasserstandsganglinien(sieheAbb.2.2)weisen diequellschuttungsganglinieneinextreminstationaresverhaltenauf.gekennzeichnetistdie moglich.inabb.2.3sindexemplarischzweiabuganglinienvonzweiquellenderschwabi- diesemgrundistdaserstellenkleinraumigerwasserbilanzenfurdiemeistenkarstgebiete abueineseinzugsgebietsmeistaneinerstelle,derquelle,sehrgutmebarvorliegt.aus KarstaquiferewerdendurchhochdurchlassigeKarstwegsamkeitendrainiert,sodaderGesamt- (Villinger1977). Lonequelle Gallusquelle Abbildung2.3:GemesseneAbuganglinienanzweiKarstquellenderSchwabischenAlb,a) Lonequelle;b)Gallusquelle Zeidler(1987),Teutsch(1988),GruverundKrothe(1991)sowieSauter(1992)verwendetenereignisorientierteIsotopenmessungen,umdievonFritzetal.(1976)sowieSklashundFarvolden schlagsereignisstammenvondemquellschuttungswasserabtrennen,dasbereitsimaquifervor- handenist.dabeihatsichgezeigt,daderanteildesniederschlagswassersindenuntersuchten Quellschuttungenzwischen30%und60%desGesamtabussesist. tionsmethodelassensichdiequellschuttungsanteile,diedirektvomvorangegangenennieder- (1979)furOberachenabusseentwickelteSeparationsmethodeanzuwenden.BeiderSepara Zeit in [d] Zeit in [d] Q in [m 3 /s]

21 14 2.4PhanomenedesTransportsimKarst DaimGrobkluftsystemvonKarstaquiferenderGrundwasserumsatzsehrschnell(z.B.Abstandsgeschwindigkeitenvon50-100m=h)stattndet,sindregionaleTransportinformationeninnerhalbsehrkurzerZeit(TagebisWochen)erhaltlich.PrinzipielllassensichzweigenerelleUntersuchungsmethodenzumTransportverhaltenunterscheiden: 2.4.1Markierungsversuche(TransportentlangeinerBahnlinie) AuswertungvonKonzentrationsmessungennaturlicherTracer AuswertungvonMarkierungsversuchenmitkunstlichenTracern MarkierungsversuchemitkunstlichenTracern,wieUranin,Eosino.a.,gebenintegraleTransportinformationenentlangeinerBahnliniezwischenEingabestelleundAustrittsstelle.DadieMarkierungsversucheinKarstgrundwasserleiternvorallemzurEingrenzungderQuelleinzugsgebiete einesschadstos)untersuchtwerden.beidiesenversuchenergebensichinabhangigkeitvom KarstgebietAbstandsgeschwindigkeitenvon50-100m=h,diejenachhydrologischenVerhalt- (Smart,1988). (z.b.villinger,1977)verwendetwerden,wirddertracerindolinenanderoberacheunddamit demgrobkluftsystemzugegeben.dadurchwirddermarkierungsstomoglichstschnelltransnissenextremvariierenkonnenundnachgewiesenermaenmitdenquellschuttungenkorrelieren TypischfurdieandenAustrittsstellengemessenenDurchbruchskurvensinddiescharfenKonportiertundeskannderfurSchutzgebietsausweisungenungunstigsteFall(ersteAnkunftszeizentrationsspitzenvonderstoartigenTracereingabemitnachfolgendlangem'Tailing'(geringeKonzentrationnachderKonzentrationsspitzeubereinenrelativlangenZeitraum),wiesie dentransportuberdasneubildungswasserindiebeidensysteme(fein-undgrobkluft)erklaren. ZwischenspeicherungimFeinkluftsystem(Strayle,1970)oderbeikurzenTransportstreckenauf einenlateralentransportimfeinkluftsystem(teutsch,1988)zuruckfuhrenlassen.doppelte KonzentrationsspitzenlassensichbeiMarkierungsstoeingabenanderOberacheauchdurch zelnenmarkierungsversuchenzweikonzentrationsspitzenbeobachtetworden,diesichaufeine generellauskluftgrundwasserleiternbekanntsind(sieheabb.2.4).desweiterensindbeiein- integriertetransportinformationdesjeweiligenstoes.folgendestoklassenstehendabeifur DerEintragnaturlicherTracerbzw.auchbestimmteranthropogenerBelastungenerfolgtachenhaftuberdasgesamteQuelleinzugsgebietverteiltundliefertsomiteineuberdasEinzugsgebiet TransportuntersuchungenzurVerfugung: 2.4.2NaturlicheTracer(TransportinnerhalbdesgesamtenQuelleinzugsgebiets)

22 a) Markierungsversuch Nr. 893 Waldhausen 15 C in [mg/m 3 ] v a max=84 m/h V a peak=53 m/h C C/C ges C/C ges Zeit in [d] 0.0 b) Gemessene regionale Tracer der Gallusquelle naturlichertracerandergallusquelle(keimetal.1994) Abbildung2.4:ErgebnissevonTransportuntersuchungenimKarsta)TracerversuchNr.893 desgeologischenlandesamtesbaden-wurttembergbeiwaldhausenb)auswertungregionaler LF Temp Q Trüb Ereignisorientierte18O-oderDeuterium-Messungenkonnen,wieindenArbeitenvon 14C-undTritium-MessungenliefernHinweiseuberdiemittlerenVerweilzeitenineinem Karstaquifersystem(GeyhundGroschopf,1978) Teutsch(1988)undSauter(1992)gezeigt,AuskunftuberdendoppelporosenCharakter Zeit in [d] KontinuierlicheMessungenderKarstwasserbeschaenheitdurchachenhaftenEintrag TemperaturmessungenkonnenahnlicheErkenntnissewiedieereignisorientierten18O- Messungenliefern(Sauter,1992). eineskarstsystemsgeben. tungmeistaufannahmenstationarerstromungsverhaltnisseberuhen,istbeidenereignisorien- tiertenuntersuchungendievoraussetzungstationarerstromungszustandenichtmehrgegeben, ImVergleichzudenVersuchenmitkunstlichenMarkierungsstoen,derenanalytischeAuswer- Abb.2.4)gebenebenfallsAuskunftuberdasTransportverhalteneinesKarstsystems. uberdiegrundwasserneubildung(z.b.leitfahigkeitundtrubung,keimetal.1994,siehe Trüb in [NFU] LF in [ S/cm] Temp in [ 0 C] Q in [l/s]