Karstentwässerung im Kaisergebirge (Tirol, Österreich) – Abgrenzung hydrographischer Einzugsgebiete durch Kombination hydrogeologischer Untersuchungen mit Isotopenmethoden und hydrologischer Modellierung

Karst water drainage in the Kaisergebirge (Tyrol, Austria)—Catchment delineation combining hydrogeological investigations and isotope methods with hydrological modelling

Zusammenfassung

Die Komplexität von Karstaquiferen drückt sich darin aus, dass die orographischen Einzugsgebiete mit hydrographischen selten übereinstimmen. Hauptzielrichtung der vorliegenden Studie ist die Erarbeitung von methodischen Grundlagen zur Erkundung von Karstaquiferen in Gebirgsräumen und damit verbunden die Abgrenzung hydrographisch wirksamer Einzugsgebiete unter Einsatz physikalisch basierter hydrologischer Modelle am Beispiel des Kaisergebirges. Für die Simulation der Teilkomponenten des Wasserhaushalts wurde das flächendetaillierte hydrologische Modell MIKE SHE herangezogen. Die Abflüsse wurden den orographischen Einzugsgebieten entsprechend zusammengefasst, an denen teils kontinuierliche, teils episodische Kontrollmessungen durchgeführt wurden. Zur Beschreibung der Wasserbewegung im Boden wurde das physikalisch basierte Modell um konzeptionelle Ansätze erweitert. Daraus ergaben sich zusätzlich zu bestimmende Parameter. Dies erfolgte durch Kalibrierung aus den gemessenen Abflüssen, den Zusatzinformationen aus den karsthydrologischen und isotopenhydrologischen Untersuchungen und einer Überprüfung der daraus abgeleiteten Modellvorstellung. In der ungesättigten Zone beispielsweise wurde ein Bypass-Fluss eingeführt, der die Bodenmatrix überbrückt und einen Teil des Niederschlages unmittelbar in die gesättigte Zone leitet. Der Bypass soll dem überwiegend intensiv verkarsteten Felsuntergrund, der von Röhren- und Kluftsystemen geprägt ist, Rechnung tragen. Durch Vergleich der gemessenen Abflüsse mit den simulierten Werten konnten Defizite und Überschüsse ermittelt werden und unter Einbeziehung des Höheneffektes des stabilen Isotops Sauerstoff-18, früherer Markierungsversuche und der geologisch-tektonischen Situation ein Konzeptmodell der Karstentwässerung mit Abschätzung unterirdischer Entwässerungsrichtungen entwickelt werden, das eine wichtige Basis für Ressourcenbewertung und -schutz darstellt.

Abstract

Water resources investigations in karstic mountainous regions face the difficulty that the hydrological catchment boundaries are usually not identical with the orographic catchment boundaries. In this study an integrative method is presented that combines different sources of hydrogeological information and results of distributed water balance modelling to identify hydrological catchment boundaries and subsurface water ways in a karstic mountainous region. The different information comprises, in addition to meteorological and hydrographic data, region-wide point measurements of discharge, field surveys, isotope data, tracer tests, spring discharge data, soil and geological surveys and mapping, etc. The study was set-up in the Kaisergebirge mountain range in Tyrol/Austria, using the well known model MIKE SHE. Based on the additional information, the original model structure was adjusted to the specific situation in the karst, e.g. by introducing a bypass-flow within the unsaturated zone. The modelling results based on the orographic catchments were evaluated in terms of closure and—equally important—non-closure of the water balance. Spatial patterns of simulated hydrologic quantities are interpreted in light of the different sources of information. As a result, a regional map of surplus and deficit between observed and simulated runoff was drawn and combined with the additional information to form a general conceptual model of karst water flow directions and the location and altitude of the contributing recharge area in the high-alpine region. The results of the study provide a valuable basis for the assessment and protection of karst water resources for water supply.

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Benischke, R., Harum, T., Reszler, C. et al. Karstentwässerung im Kaisergebirge (Tirol, Österreich) – Abgrenzung hydrographischer Einzugsgebiete durch Kombination hydrogeologischer Untersuchungen mit Isotopenmethoden und hydrologischer Modellierung. Grundwasser 15, 43–57 (2010). https://doi.org/10.1007/s00767-009-0124-y

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  • Karst aquifer
  • Catchment delineation
  • Environmental isotopes
  • Hydrological modelling