Original paper

Die Rolle des Epikarsts für den Stofftransport durch Karstgrundwasserleiter - Quantifizierung des Eintrags und numerische Modellierung -

[The Role of the Epikarst for the Nonpoint-Source Transport of Dissolved Substances in a Karstsystem]

Sauter, Martin

Kurzfassung

Das Vorkommen und die Konzentrationsänderungen von gelösten Substanzen und flächenhaft eingetragenen Schadstoffen, wie z. B. Nitrat und Pflanzenschutzmitteln in einem Karstgrundwassersystem werden gesteuert durch die Charakteristika des Niederschlagsereignisses, den Prozessen innerhalb des Epikarsts (subkutane Zone) und der ungesättigten Zone, sowie durch die Grundwasserströmung. Unter den genannten Faktoren kommt dabei dem Epikarst, aufgrund seiner hohen Speicherkapazität, im Vergleich zum Grundwasserbereich sehr große Bedeutung zu. Dieser Horizont ist in der Lage, über längere Zeiträume infiltriertes Wasser und die darin gelösten (Schad)-Stoffe zu speichern. Die Interpretation von Zeitreihen von Niederschlagsereignissen, unter Verwendung der Ganglinien von Grundwasserspiegelhöhen, Quellabfluß, delta18O, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit und Trübe im Quellwasser ermöglicht die Unterscheidung von nicht nur Ereignis- und Vorereigniswasser, sondern auch die quantitative Unterscheidung zwischen schneller und langsamer Grundwasserfließkomponente. Die hydraulischen Parameter des Epikarsts wurden ermittelt unter Verwendung von Zeitreihendaten hydraulischer und physiko-chemischer Parameter des Quellabflusses und Wasserbilanzdaten der subkutanen Zone. Mit Hilfe dieser hydraulischen Parameter kann, je nach Niederschlagsereignis, eine Inputfunktion für die zeitliche Verteilung des neugebildeten Grundwassers erzeugt werden, die eine der Voraussetzungen für die Modellierung der Grundwasserströmung und des Stofftransports darstellt. Mit einem Doppelkontinuum-Strömungs- und Transportmodell konnte die Reaktion des Aquifers auf Neubildungsereignisse erfolgreich simuliert werden. Das Transportsignal des Modells wurde kalibriert, indem die Modellergebnisse mit den delta18O-Daten (12 Std. Intervall) verglichen wurden.

Abstract

The occurrence and the variation in concentration of dissolved substances and nonpoint-source contaminants, such as nitrate and agricultural chemicals in a karst groundwater system are highly controlled by the characteristics of the recharge event, the processes within the epikarstic zone and the heterogeneities in groundwater flow. Time series analysis of rainfall events utilizing well hydrographs, spring discharge, delta18O, temperature, electrical conductivity and turbidity allow the discrimination of not only event and preevent water, but also the quantitative distinction between the fast and the slow component of the storm derived water. The hydraulic parameters of the epikarst, determined using time series analysis of hydraulic and physicochemical parameters and water balances, compare well with those estimated by SMART et al. (1986). These parameters allow the evaluation of the temporal distribution of the recharge water, a prere-quisite for modelling groundwater flow and transport. Employing a double-continuum flow and transport model, the response of the aquifer to recharge events could be modelled successfully. Calibration of the transport model could be performed by comparing the model results with the delta18O signal at the spring.

Keywords

Karst aquiferepikarstKimmeridgianlimestoneatmospheric precipitationnatural rechargesoluteshydraulic parametersdouble continuum modelnonpoint-source transport Southwest German Hills (Swabian Alb)Baden-Württemberg