Transportprozesse und räumlich-zeitliche Dynamik von Partikeln und Fäkalbakterien in Karstgrundwasserleitern – IMPART
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Karstaquifere versorgen 9,2% der Weltbevölkerung mit Trinkwasser. Die generell oft gute Wasserqualität wird häufig durch schnelle und starke Kontaminationsereignisse gestört. Um die Transportprozesse und räumlich-zeitlichen Veränderungen der Wasserqualität zu verstehen, wurde das IMPART-Projekt an Deutschlands zweitgrößter Karstquelle, dem Blautopf, durchgeführt. Durch zwei kombinierte Tracerversuche mit insgesamt 7 Eingabestellen an der Oberfläche und im aktiven Karstnetzwerk, sowie Messstellen im Höhlensystem und an der Quelle, wurden tiefe Einblicke in die Struktur des Karstsystems gewonnen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Einzugsgebiet in zwei Teilgebiete mit ähnlicher Größe unterteilt werden kann. Bei hohen Abflüssen sind die Fließgeschwindigkeiten rund dreimal höher als bei niedrigen Abflüssen. Sedimentpartikel fungieren als Transportvektoren für Schadstoffe. Ein vergleichender Tracerversuch mit suspendierten Höhlensedimenten und gelösten Tracern sowie detaillierte geochemische Analysen ergaben, dass Partikel schneller transportiert wurden als gelöste Stoffe, was durch bevorzugten Transport entlang der Hauptfließwege erklärt wird. Dabei wurden alle Partikelgrößen (< 10 µm) ähnlich schnell transportiert, und für viele geochemischen Elemente konnte ein sedimentassoziierter Transport nachgewiesen werden. Die umfassende Untersuchung der Wasserqualität mittels eines 30-monatigen Langzeit-Monitorings, intensiver Beprobung eines Abflussereignisses und einer räumlich verteilten Probenentnahme innerhalb des Höhlensystems zeigte, dass die Quelle nur moderate saisonale Schwankungen aufweist, jedoch stark auf Niederschläge reagiert; z. B. nahmen Fäkalbakterien (E. coli) während eines Ereignisses um das 100-fache zu (bis zu 17.168 MPN/100 ml). Zum ersten Mal wurde ein Paired-Catchment-Ansatz erfolgreich auf ein unterirdisches Karstsystem angewendet. Die chemische und mikrobielle Wasserqualität unterschied sich erheblich zwischen beiden Teileinzugsgebieten und konnte mit unterschiedlicher Landnutzung in Verbindung gebracht werden. Nitrat stammt v.a. aus der Landwirtschaft, während Kalium, Chlorid, Gadolinium und Fäkalbakterien als Indikatoren für Abwasserabflüsse identifiziert wurden. Diese Studie unterstreicht die Anfälligkeit von Karstquellen und zeigt das Anwendungspotential von räumlich-zeitlichem Monitoring der Wasserqualität. Zusätzlich wurde die Reaktion des Abflussverhaltens des Blautopfs auf historische und zukünftige Klimaveränderungen analysiert. Historische Zeitreihen (1952–2021) von Klima und Abfluss wurden statistisch ausgewertet und zur Kalibrierung eines Reservoirmodells verwendet, mit dem dann die Auswirkungen des Klimawandels auf den Quellabfluss simuliert wurden. Die Ergebnisse zeigen keine signifikanten Änderungen des jährlichen Mittel- und Niedrigabflusses in den historischen Daten, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich seit 1988 aufgrund abnehmender Niederschläge und Schneeschmelze sowie steigender Temperaturen zu niedrigeren Werten verschoben. Den Prognosen aller Klimaszenarien zufolge könnte der Spitzenabfluss bis 2100 um 50% und der Basisabfluss um 35–55% zurückgehen, da die Evapotranspiration zu- und der Einfluss des Schnees abnimmt. Die Ergebnisse zeigen die langfristigen Auswirkungen des Klimawandels auf das Schüttungsverhalten von Quellen und deuten auf das Risiko zukünftiger Wasserknappheit hin. Joachim Striebel: Forschungsgebiet Blautopf: Warum Wissenschaftler das Wasser unter die Lupe nehmen, Südwestpresse, 30 April 2021 Thomas Spanhel: Blautopf wird zum Grüntopf, Südwestpressse, 28 April 2023 David Drenovak: Karst-Forschungsprojekt wird verlängert, Schwäbische Zeitung, 29 April 2023 Joachim Striebel: Höhlenfluss in Rot und Grün, Südwestpresse, 22 November 2023
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Kann man das trinken? Untersuchung zur Dynamik der Wasserqualität am Blautopf in Blaubeuren. Lecture Series at Karlsruher Institute of Technology (KIT): Junge Talente - Wissenschaft und Musik, 14 October 2021
Mueller Y.K.
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Eurokarst Málaga 22nd-25th of June 2022. Quantifying the response of karst discharge to long-term climate variations at Blautopf spring
Fan X., Goeppert N. & Goldscheider N.
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New insights into water-quality dynamics using a novel pairedcatchment approach inside a karst and cave system in Southern Germany (Blautopf). Eurokarst Málaga 22nd-25th of June 2022
Müller Y.K., Goeppert N. & Goldscheider N.
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From cave to spring: Understanding transport of suspended sediment particles in a fully phreatic karst conduit using particle analysis and geochemical methods. Hydrological Processes, 37(10).
Mueller, Yanina K.; Goldscheider, Nico; Eiche, Elisabeth; Emberger, Hanna & Goeppert, Nadine
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Neue Erkenntnisse zur Hydrogeologie im Blauhöhlensystem. 11. Symposium Verkarstung in Süddeutschland, 18 November 2023
Mueller Y.K., Goeppert N., Tiefenbacher M. & Goldscheider N.
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Quantifying the historic and future response of karst spring discharge to climate variability and change at a snow-influenced temperate catchment in central Europe. Hydrogeology Journal, 31(8), 2213-2229.
Fan, Xinyang; Goeppert, Nadine & Goldscheider, Nico
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29. Tagung der Fachsektion Hydrogeologie (FH-DGGV) Aachen 20th- 23rd of March 2024. Analyse der historischen und Prognose der zukünftigen Quellschüttungen des Blautopfs unter der Bedingung des Klimawandels
Goldscheider N., Fan X. & Goeppert N.
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29. Tagung der Fachsektion Hydrogeologie (FH-DGGV) Aachen 20th- 23rd of March 2024. Verbessertes Verständnis detaillierter Sediment- und geochemischer Transportprozesse durch einen vergleichenden Markierungsversuch
Mueller Y.K., Goldscheider N., Eiche E., Emberger H. & Goeppert N.
