Modellbasierte Berechnung der Abfluss- und Stofftransportprozesse in hierarchisch organisierten Karstnetzwerken

Zusammenfassung

Karstsysteme mit einem allogenen Zufluss über Schwinden zeigen oft komplexe Netzwerke interagierender Karstwegsamkeiten. Zur Analyse der hydrodynamischen Funktionsweise solcher Karstaquifere wurde am Beispiel des Tanneben-Massivs ein Strukturmodell entwickelt, welches die Karstantwort auf hydraulische und hydrochemische Signale als Mischung unterschiedlicher Abflusskomponenten berechnet. Strukturparameter, wie die Anzahl der Fließwege und die Aktivierungssequenz, wurden anhand von Tracerexperimenten abgeleitet. Dazu wurden Tracerdurchbruchskurven hinsichtlich der zeitlichen Ausprägung von Multipeaks in Abhängigkeit von den während der Experimente vorherrschenden Strömungsbedingungen analysiert.

Mittels Modellrechnungen konnte für das Tanneben-Massiv gezeigt werden, dass die Stoffausbreitung im Karstnetzwerk sowie die Stoffkonzentrationen an der Karstquelle durch die Strömungsbedingungen in einem Zeitraum vor und nach der Injektion beeinflusst werden.

Grund hierfür ist die durch den strukturellen Aufbau solcher Karstsysteme bedingte Aufteilung des Grundwasserstroms auf Fließpassagen unterschiedlicher hydraulischer Eigenschaften. So werden bei einem hohen Zufluss Karstwegsamkeiten aktiviert, welche das Lurbach-Hammerbach-Abflusssystem mit dem weiter nördlich gelegenen Schmelzbach-System verbinden. Beim Überschreiten der Durchflusskapazität des Karstsystems infolge von Starkregenereignissen oder durch die Blockade von Fließpassagen kommt es zu einem Rückstau im Bereich der Schwinde und damit einer Verlängerung der Abflussphase an der Karstquelle.

Abstract

Karst systems fed by an allogenic inflow often show a complex network of interacting conduits that effects groundwater flow and pollutant transport. The combined evaluation of multi-tracer experiments performed at different flow conditions provide information about the hydrodynamic functioning of the karst network. Building on this, a conceptual model to quantify groundwater flow and mass transport has been developed and is presented in this study using the example of the Tanneben Massif, Austria. Within the model, groundwater flow is subdivided into several flow-paths with discrete flow velocity and capacity. As a consequence, model results reveal a dampen but also extended karst response to storm events. Upon exceeding the flow capacity, backwater accumulates at the inflow causing a prolongation of high discharge into the system. Additionally, adjacent karst systems are affected by the activation of interconnecting flow paths at high flow conditions.