Maßstabsübergreifende Charakterisierung der hydraulischen Eigenschaften eines Karstgrundwasserleiters durch einen Großpumpversuch

• Antragsteller: Professor Dr. Rudolf Liedl; Professor Dr. Martin Sauter, seit 9/2013
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 38908686

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Numerische Modelle zur Simulation von Strömungsdynamiken in Karstsystemen unterliegen generell hohen Anforderungen bzgl. der zu erfassenden Prozesse und deren Variabilität. Starke Kontraste des hydraulischen Felds lassen sich mit klassischen Ansätzen zur Simulation von porösen Medien daher selten modellieren. Momentan steht mit CFP (Conduit Flow Process, MODFLOW-2005) ein relativ robustes und vielseitiges Strömungs- und Transportmodell zur Verfügung, welches aufgrund der konzeptionellen Erweiterungen (z. B. Röhrenspeicher, Randbedingungen) im Rahmen dieses Projekts für ein weites Spektrum von Karstsystemen angewendet werden kann. CFP koppelt hochleitfähige Röhren an ein Kontinuum, abgebildet durch das Grundwasserströmungsmodell MODFLOW-2005, welches die geklüftet poröse Festgesteinsmatrix repräsentiert. Das erweiterte hydraulische Modell, in das der Röhrenspeicher CADS sowie zusätzliche Randbedingungen implementiert wurden, ist in der Lage, komplexe Fragestellungen im Zusammenhang mit der Auswertung von Pumpversuchen in verkarsteten Aquiferen zu bearbeiten. Dabei stellt das numerische Modell eine wichtige Erweiterung bisher vorhandener analytischer Lösungen dar, indem eine Vielzahl zusätzlicher Effekte berücksichtigt werden können, z. B. heterogene Untergrundstrukturen, verschiedene Röhrennetzwerke, turbulente Strömung in den Röhren, Geometrie des Aquifers, Einfluss verschiedener Randbedingungen etc. Am Beispiel des Cent-Fonts Pumpversuchs (Montpellier, Frankreich) kann gezeigt werden, wie diese großskaligen Experimente im Rahmen der gegebenen Möglichkeiten interpretiert werden können. Durch die Kopplung von CFP mit Software zur inversen Parameteranpassung, z. B. PEST, ist es in einem zweiten Schritt möglich, die entwickelte Modellvorstellung durch weitreichende Konzept- und Parameterstudien detailliert zu betrachten. Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen aber auch, dass eine ausschließliche hydraulische Betrachtung mit Unsicherheiten verbunden bleibt. So können die gemessenen Absenkungskurven durch verschiedene auslösende Prozesse erklärt werden. Daher bietet es sich an, Chemo- und Thermographen zusätzlich zu betrachten. CFP bietet durch die implementierten Erweiterungen die Möglichkeit, neben den Strömungsprozessen auch den Transport von Stoffen und Wärme zu simulieren. Erste Anwendungen für reale Karstsysteme auf verschiedenen Skalen (z. B. Freiheit Spring, Sheshpeer-Quelle) zeigen das Potential dieser Methode. So führt die zusätzliche Berücksichtigung von Transportprozessen zu einer deutlichen Einschränkung von Modellvarianten (z. B. Variation von Parametern und konzeptionellen Elementen), die dieses Verhalten simulieren können. Unsere Erfahrungen im Rahmen der ersten realen Anwendungen von numerischen Hybridmodellen für Strömung sowie Wärme- und Stofftransport zeigen, dass hierfür (konzeptionelle) Modellerweiterungen notwendig sind: (1) Erfassung der Grundwasserneubildung: Dieser Prozess stellt eine wichtige Eingangsgröße für die Grundwassermodelle dar und wird bisher nur wenig differenziert als gebietsspezifische Größe erfasst. (2) Differenzierung der direkten Grundwasserneubildung: Wie reale Karstsysteme zeigen, unterliegt die direkte Grundwasserneubildung von der Geländeoberkante bis zum aktiven hydraulischen System (Karströhren) weiteren Einflüssen. So differenziert CFP aktuell in eine direkte Grundwasserneubildung in die Karströhren und eine direkte Grundwasserneubildung in den Röhrenspeicher CADS. (3) Optimierte Einbindung des Röhrenspeichers CADS in die Transportberechnungen. Bisher wird der CADS als voll-durchmischter und homogener Speicher betrachtet. In zukünftigen Modellentwicklungen können weitere Prozesse berücksichtigt werden. (4) Anbindung der Strömungs- und Transportmodelle an die zukünftige MODFLOW Entwicklung für unstrukturierte Rechengitter. (5) Weitere Vereinheitlichung und Optimierung der Transportmodelle, z. B. Zusammenführen des Funktionsumfangs der CFP Transportmodule HTM (Wärme) und STM (gelöste Stoffe) mit CMT3D. Ein perspektivischer Entwicklungsbedarf ergibt sich zusätzlich durch (6) Berücksichtigung von Temperatur- und Dichteffekten. Diese Effekte können für hochdurchlässige Karströhren relevant sein, da bereits kleine hydraulische Gradienten zu signifikanten Strömungsprozessen führen können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2012), Adaptation of Numerical Modeling Approaches for karst aquifer characterization. Dissertation, TU Dresden, Fakultät Umweltwissenschaften
  Reimann, Thomas
  
• (2012), Simulation of saturated and unsaturated flow in karst systems at catchment scale using a double continuum approach, Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, 3909-3923
  Kordilla, J.; Sauter, M.; Reimann, T.; Geyer, T.
  
• (2013), Differentiated characterization of karst aquifers: some contributions. Carbonates and Evaporites
  Geyer, T.; Birk, S.; Reimann, T.; Dörfliger, N.; Sauter, M.
  
• (2014), Representation of water abstraction from a karst conduit with numerical discrete-continuum models, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 227-241
  Reimann, T.; Giese, M.; Geyer, T.; Liedl, R.; Maréchal, J.C.; Shoemaker, W.B.