Grundwassermodellierung in Karstgebieten

Grundwassermodelle sind zu einer Standardtechnik geworden, die regelmäßig z. B. für technische Aufgaben und Zwecke der Wasserbewirtschaftung angewendet werden. Derzeit befassen sich die meisten praktischen Modellanwendungen mit Grundwasser in porösen Medien. Spezielle Modellwerkzeuge, die den Besonderheiten von Karstgrundwasserleitern Rechnung tragen, wurden entwickelt, aber diese modernsten Modelle werden zwar häufig in der Grundlagenforschung zur Untersuchung der Karstentwicklung sowie Strömungs- und Transportprozessen in Karstgebieten eingesetzt, jedoch kaum für praktische Zwecke. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist es daher die Kluft zwischen Grundlagenforschung zur Karstmodellierung und den Bedürfnissen von Anwendern in Karstgebieten zu verringern. Hierfür soll die praktische Anwendbarkeit modernster Modelle auf Grundlage von Benchmark-Tests und Modellanwendungen in gut untersuchten Testgebieten bewertet werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in allgemeinen Richtlinien für die praktische Anwendung von Grundwassermodellen in Karstgebieten zusammengefasst. Diese Richtlinien zielen darauf ab, in Abhängigkeit vom Zweck der Modellanwendung geeignete Methoden für die Entwicklung konzeptioneller Modelle sowie Aufbau und Kalibrierung des numerischen Modells aufzuzeigen. Das Projekt baut auf vorangehende Grundlagenforschung zur Charakterisierung und Modellierung von Karstgrundwasserleitern sowie zur Hydrogeologie der ausgewählten Testgebiete auf. Die vorläufigen konzeptionellen Modelle aus bisherigen Forschungsarbeiten sollen im Hinblick auf die Projektziele weiterentwickelt und angepasst werden. Die Modellanwendung wird sich auf die Simulation des hydraulischen Verhaltens des Grundwasserleiters nach Neubildungsereignissen fokussieren, wobei sowohl Ein-Kontinuum- als auch Hybrid-Modelle eingesetzt werden. Darüber hinaus werden auch physikochemische Parameteränderungen und der Transport von Markierungsstoffen betrachtet werden, insbesondere um die Mehrdeutigkeit der Modellkalibrierung zu reduzieren. Die Modellanwendung wird voraussichtlich die Notwendigkeit von Verbesserungen existierender Ansätze in den einzelnen Modellschritten aufzeigen: Mehrere Methoden zur Aquifercharakterisierung müssen kombiniert und möglicherweise angepasst werden, um geeignete konzeptionelle Modelle zu entwickeln; die technische Implementierung dieser konzeptionellen Modelle kann Modifikationen an existierenden numerischen Modellen erfordern; die Modellkalibrierung könnte den Einsatz innovativer Parameteroptimierungstechniken erfordern. Erfahrungen und Verbesserungen, die diese einzelnen Aspekte betreffen, sollen in einem Rahmenkonzept für die praktische Anwendung modernster Karstmodelle zusammengefasst werden.

Grundwassermodelle werden häufig für praktische Fragestellungen beispielsweise im Zusammenhang mit der Bewirtschaftung und dem Schutz von Wasserressourcen eingesetzt. Praktische Anwendungen solcher Modelle befassen sich derzeit meist mit Grundwasservorkommen in Lockergesteinen wie Sanden oder Kiesen, in denen das Wasser langsam durch die engen Porenhohlräume im Korngerüst strömt. Im Gegensatz hierzu können sich in Karstgesteinen (wie Kalkstein) infolge der gesteinslösenden Wirkung des Wassers wesentlich größere Hohlräume mit Durchmessern im Bereich von Zentimetern bis Metern bilden. Die schnelle und oft turbulente Strömung in solchen Karsthohlräumen wird in gängigen Grundwassermodellen in der Regel nicht angemessen berücksichtigt. In diesem Projekt wurden daher neuere Modellansätze getestet und weiterentwickelt, die den Besonderheiten von Karstgebieten Rechnung tragen. Zu diesem Zweck wurden Benchmark-Tests durchgeführt und verschiedene Modellansätze auf gut untersuchte Testgebiete angewendet. Dabei zeigte sich, dass das Auftreten turbulenter Strömungen einen wesentlichen Einfluss auf den zeitlichen Verlauf der Schüttung von Karstquellen haben kann. Die Abbildung dieser Prozesse erwies sich in den eingesetzten Modellen jedoch insbesondere im Hinblick auf die Anwendbarkeit in den Testgebieten als unzureichend. Aus diesem Grunde wurde ein robusterer und einfach anwendbarer Modellansatz für die Berücksichtigung nicht-linearer (turbulenter) Strömungsvorgänge entwickelt und in dem weitverbreiteten Grundwassermodell MODFLOW implementiert. Die aus dem Projekt hervorgegangenen Anwendungsbeispiele zeigen darüber hinaus auf, wie Grundwassermodelle die Charakterisierung der Eigenschaften und Funktionsweise von Karstgrundwasserleitern und insbesondere auch die Abgrenzung von Quelleinzugsgebieten unterstützen und damit einen Beitrag zu praktischen Fragestellungen wie der Ausweisung von Wasserschutzgebieten leisten können.