Grundwasser

, Volume 23, Issue 1, pp 59–72 | Cite as

Hochauflösendes Monitoring von Karst-Grundwasserressourcen beiderseits des Jordangrabens – Konzepte und Anwendungsbeispiele

Fachbeitrag

Zusammenfassung

Im semiariden östlichen Mittelmeerraum mit ausgeprägter Sommertrockenheit nehmen Karstgrundwasserleiter insgesamt die wichtigste Rolle für die Wasserversorgung ein. Langjährige Trocken- und Feuchtperioden zusammen mit einer hohen hydrologischen Dynamik, besonders während Niederschlagsereignissen, sind charakteristisch für diese Gebiete. Innerhalb der untersuchten Karstgebiete im Westjordanland und Jordanien führt die stark zunehmende Besiedlung ferner zu einer Beeinflussung der Wasserqualität. Daher werden zur Erfassung der verfügbaren Wasserressourcen sowie für eine karsthydrogeologische Charakterisierung zeitlich hochaufgelöste Messdaten benötigt. Im Fokus stehen dabei meteorologische Messungen der (natürlichen) hydrologischen Eingangssignale und hochauflösende Messungen an Karstquellen (Ausgangssignale) sowie Messungen der Bodenfeuchte und Oberflächenabflüsse. Die aufgezeichneten Messdaten ermöglichen die Bewertung zahlreicher Fragestellungen, wie (1) der hydrogeologischen Charakterisierung der Aquiferkomplexe, (2) der Ermittlung der Grundwasserneubildungsraten über Bodenwasser- sowie Speicher-Durchfluss-Modelle, (3) der Erfassung der Kontaminationsdynamik im Grundwasser (v. a. Nitrat und E. coli) und daraus resultierend eine Optimierung des Rohwasser-Managements. Mehrere Anwendungsbeispiele aus dem Untersuchungsgebiet veranschaulichen die essentielle Bedeutung zeitlich hochauflösender hydrologischer Messdaten.

High-resolution monitoring of karst groundwater resources on both sides of the Jordan Valley – concepts and application examples

Abstract

In the semi-arid eastern Mediterranean water supply is highly dependent on karst aquifers. The region is characterized by multi-year dry and wet cycles combined with high hydrological dynamics, especially during intense precipitation events. The investigated karst regions in the West Bank and Jordan are experiencing strong urbanization within the groundwater catchments and hence a rising impact on water quality. Therefore, high resolution monitoring data are required for the assessment of available water resources and the hydrogeological characterization of the karst systems. These measurements are focused on the (natural) meteorological input signals and the system output signals at the karst springs. Also soil moisture and ephemeral runoff dynamics are investigated. The monitoring data enable (1) hydrogeological characterization of the aquifers, (2) estimation of groundwater recharge via soil water balance and reservoir models, and (3) assessment of contamination dynamics in groundwater (e. g. nitrate and E. coli concentrations), allowing an optimized raw water management. Several examples illustrate the importance of high-resolution hydrological monitoring data.

Keywords

Groundwater monitoring Karst aquifer Groundwater recharge  Groundwater pollution Raw water management 

Notes

Danksagung

Ein ganz besonderer Dank gilt Herrn Professor Heinz Hötzl für die Projektinitiativen, welche die Forschungsaktivitäten im Unteren Jordantal ermöglicht haben und bis heute prägen. Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung der Projekte SMART und SMART-MOVE (Förderkennzeichen: 02WM0802, 02WM1079, 02WM1081 und 02WM1355).

An den Arbeiten im Projektgebiet waren eine große Zahl von Projektpartnern, örtlichen Behörden, Privatpersonen sowie Kollegen aus Deutschland beteiligt, ohne die dieses umfangreiche Vorhaben nicht realisierbar gewesen wäre. Allen gilt unser herzlicher Dank!

Literatur

  1. Al-Charideh, A.: Recharge rate estimation in the Mountain karst aquifer system of Figeh spring. Environ. Earth. Sci. 65, 1169–1178 (2012)CrossRefGoogle Scholar
  2. Bakalowicz, M., El Hakim, M., El-Hajj, A.: Karst groundwater resources in the countries of eastern Mediterranean: the example of Lebanon. Environ. Geol. 54, 597–604 (2008)CrossRefGoogle Scholar
  3. Bender, F.: Geologie von Jordanien. Gebrüder Bornträger, Berlin (1968)Google Scholar
  4. Doummar, J., Geyer, T., Baierl, M., Nödler, K., Licha, T., Sauter, M.: Carbamazepine breakthrough as indicator for specific vulnerability of karst springs: application on the Jeita spring, Lebanon. Appl. Geochem. 47, 150–156 (2014)CrossRefGoogle Scholar
  5. El-Naser, H., Nuseibeh, M., Assaf, K., Kessler, S., Ben-Zvi, M.: Overview of Middle East water resources, water resources of Palestinian, Jordanian, and Israeli Interest. 44 S.; Jordanian Ministry of Water and Irrigation, Palestinian Water Authority, Israeli Hydrological Service. Middle East Water Data Banks Project. US Geological Survey, Reston (1998)Google Scholar
  6. Ender, A., Goeppert, N., Grimmeisen, F., Goldscheider, N.: Evaluation of β‑D-glucuronidase and particle-size distribution for microbiological water quality monitoring in Northern Vietnam. Sci. Total Environ. 580, 996–1006 (2017)CrossRefGoogle Scholar
  7. Flexer, A., Yellin-Dror, A.: Geology. In: Hötzl, H., Möller, P., Rosenthal, E. (Hrsg.) The water of the Jordan Valley: scarcity and deterioration of groundwater and its impact on the regional development, S. 15–54. Springer, Berlin Heidelberg (2008)Google Scholar
  8. Foster, S., Hirata, R., Andreo, B.: The aquifer pollution vulnerability concept: aid or impediment in promoting groundwater protection? Hydrogeol. J. 21, 1389–1392 (2013)CrossRefGoogle Scholar
  9. Goldscheider, N.: Delineation of spring protection zones. In: Kresic, N., Stevanovic, Z. (Hrsg.) Groundwater hydrology of springs—engineering, theory, management, and sustainability, S. 305–338. Butterworth-Heinemann, Burlington (2010)CrossRefGoogle Scholar
  10. Grimmeisen, F., Zemann, M., Goeppert, N., Goldscheider, N.: Weekly variations of discharge and groundwater quality caused by intermittent water supply in an urbanized karst catchment. J Hydrol (Amst) 537, 157–170 (2016)CrossRefGoogle Scholar
  11. Grimmeisen, F., Lehmann, M.F., Liesch, T., Goeppert, N., Klinger, J., Zopfi, J., Goldscheider, N.: Isotopic constraints on water source mixing, network leakage and contamination in an urban groundwater system. Sci. Total Environ. 583, 202–213 (2017a)CrossRefGoogle Scholar
  12. Grimmeisen, F., Schmidt, S., Klinger, J., Goldscheider, N.: Konzeption und Aufbau eines online Grundwasserqualitäts-Monitoring zur Ermittlung von Kontaminationsereignissen in einem jordanischen Karstgebiet. Zbl. Geol. Paläont. Teil I, Bd. 2017, Heft 1, S. 119–125 (2017b)Google Scholar
  13. Hargreaves, G.H., Samani, Z.A.: Reference crop evapotranspiration from temperature. Appl Eng Agric 1, 96–99 (1985)CrossRefGoogle Scholar
  14. Hartmann, A., Gleeson, T., Rosolem, R., Pianosi, F., Wada, Y., Wagener, T.: A large-scale simulation model to assess karstic groundwater recharge over Europe and the Mediterranean. Geosci Model Dev 8, 1729–1746 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  15. Healy, R.W.: Estimating groundwater recharge. 256 S. Cambridge University Press, Cambridge (2010)CrossRefGoogle Scholar
  16. Huebsch, M., Grimmeisen, F., Zemann, M., Fenton, O., Richards, K.G., Jordan, P., Sawarieh, A., Blum, P., Goldscheider, N.: Technical Note: Field experiences using UV/VIS sensors for high-resolution monitoring of nitrate in groundwater. Hydrol Earth Syst Sci 19, 1589–1598 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  17. Lacombe, M., Bousri, D., Leroy, M., Mezred, M.: Instruments and observing methods. field intercomparison of thermometer screens/shields and humidity measuring instruments. 101 S.; World Meteorological Organization, Bd. 106. WMO, Genf (2011)Google Scholar
  18. Margane, A., Hobler, M., Almomani, M., Subah, A.: Contributions To Hydrogeol North Cent Jordan Geol Jahrb c 68, 3–52 (2002)Google Scholar
  19. Mimi, Z.A., Assi, A.: Intrinsic vulnerability, hazard and risk mapping for karst aquifers: A case study. J Hydrol (Amst) 364, 298–310 (2009)CrossRefGoogle Scholar
  20. Ries, F., Schmidt, S.: Technical report on hydrological monitoring in semi-arid areas. Freiburg HydroNotes 2 (2016). http://www.hydrology.uni-freiburg.de/publika/hydronotes/HNS_002.pdf Google Scholar
  21. Ries, F., Lange, J., Schmidt, S., Puhlmann, H., Sauter, M.: Recharge estimation and soil moisture dynamics in a Mediterranean, semi-arid karst region. Hydrol Earth Syst Sci 19, 1439–1456 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  22. Ries, F., Schmidt, S., Sauter, M., Lange, J.: Controls on runoff generation along a steep climatic gradient in the Eastern Mediterranean. J Hydrol Reg Stud 9, 18–33 (2017)CrossRefGoogle Scholar
  23. Scanlon, B.R., Keese, K.E., Flint, A.L., Flint, L.E., Gaye, C.B., Edmunds, W.M., Simmers, I.: Global synthesis of groundwater recharge in semiarid and arid regions. Hydrol Process 20, 3335–3370 (2006)CrossRefGoogle Scholar
  24. Schmidt, S., Geyer, T., Marei, A., Guttman, J., Sauter, M.: Quantification of long-term wastewater impacts on karst groundwater resources in a semi-arid environment by chloride mass balance methods. J Hydrol (Amst) 502, 177–190 (2013)CrossRefGoogle Scholar
  25. Schmidt, S., Geyer, T., Guttman, J., Marei, A., Ries, F., Sauter, M.: Characterisation and modelling of conduit restricted karst aquifers – Example of the Auja spring, Jordan Valley. J Hydrol (Amst) 511, 750–763 (2014)CrossRefGoogle Scholar
  26. Schmidt, S., Ries, F., Grimmeisen, F., Sauter, M.: Praxiserfahrungen beim Aufbau und Betrieb eines umfassenden hydrometrischen und hydrochemischen Monitoringnetzes im Westjordanland. Zbl. Geol. Paläont. Teil I, Bd. 2017, Heft 1, S. 127–137 (2017)Google Scholar
  27. Schmidt, S.: Hydrogeological characterisation of karst aquifers in semi-arid environments at the catchment scale – Example of the Western Lower Jordan Valley. Dissertation, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen, http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0023-98E1-8 (2014)
  28. Sohrt, J., Ries, F., Sauter, M., Lange, J.: Significance of preferential flow at the rock soil interface in a semi-arid karst environment. Catena 123, 1–10 (2014)CrossRefGoogle Scholar
  29. UNESCO: Map of the world distribution of arid regions. 54 S.; United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, Paris, MAB Technical Notes 7 (1979)Google Scholar
  30. Wagner, T., Mayaud, C., Benischke, R., Birk, S.: Ein besseres Verständnis des Lurbach-Karstsystems durch ein konzeptionelles Niederschlags-Abfluss-Modell. Grundwasser 18(4), 225–235 (2013)CrossRefGoogle Scholar
  31. WMO: Guide to meteorological instruments and methods of observation. World Meteorological Organisation, Genf (2010). https://www.wmo.int/pages/prog/www/IMOP/CIMO-Guide.html
  32. Zemann, M., Wolf, L., Grimmeisen, F., Tiehm, A., Klinger, J., Hötzl, H., Goldscheider, N.: Tracking changing X‑ray contrast media application to an urban-influenced karst aquifer in the Wadi Shueib. Jordan Environ Pollut 198, 133–143 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  33. Zwahlen, F. (Hrsg.): Vulnerability and risk mapping for the protection of carbonate (karst) aquifers – Final report COST action 620. 297 S.; EU Publications, ISBN: 92-894-6416‑X (2004)Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  1. 1.Geowissenschaftliches Zentrum, Angewandte GeologieGeorg-August-Universität GöttingenGöttingenDeutschland
  2. 2.Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Abteilung HydrogeologieKarlsruher Institut für Technologie (KIT)KarlsruheDeutschland
  3. 3.HydrologieAlbert-Ludwigs-Universität FreiburgFreiburgDeutschland

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