KASIMIR – Effektive und Realitätstreue hydrologische Simulation von Karstsystemen und Inferenz

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hartmann; Dr.-Ing. Thomas Reimann
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560588049

Karstaquifere, die etwa 25 % der Weltbevölkerung mit Wasser versorgen, sind wichtige natürliche Wasserressourcen. Die realistische und prozessbasierte hydrologische Modellierung der Abflussmenge von Karstquellen stellt jedoch aufgrund der Komplexität des Systems und der begrenzten Datenverfügbarkeit nach wie vor eine Herausforderung dar. Daher werden in der Praxis häufig vereinfachte Lumped Parameter Modelle (LMs) angewendet, die das System in einer räumlich aggregierten Weise mit vereinfachten Prozessdarstellungen abbilden. Die Parameter dieser LMs sind jedoch möglicherweise nicht direkt physikalisch interpretierbar oder messbar, und Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Karstsystems anhand von LMs sind oft eingeschränkt– unter anderem durch Parameterunsicherheiten und einen unbekannten Grad an Modellrealismus. Aufgrund der globalen Bedeutung von LMs für die hydrologische Modellierung von Karstsystemen ist es erforderlich, diese Probleme anzugehen und zu lösen, um in Zukunft effizientere und realistischere hydrologische Modellierungen von Karstsystemen zu ermöglichen. Unsere Hypothese ist, dass es durch Methoden der Unsicherheitsquantifizierung, Sensitivitätsanalyse und Modellevaluation möglich ist, das realistischste LM für ein bestimmtes Karstsystem zu identifizieren, um Systemeigenschaften aufzudecken und genaue Simulationen zu ermöglichen. Wir konzentrieren uns darauf, Zusammenhänge zwischen den LM-Parametern und den physikalischen Systemeigenschaften für eine große Anzahl synthetischer Karstsysteme herzustellen. Diese werden mithilfe kürzlich entwickelter stochastischer Karstnetzwerk-Generatoren in Kombination mit einem hochmodernen, räumlich verteilten prozessbasierten distributiven numerischen Modell (PBM) erzeugt. Wir simulieren entsprechende synthetische Quellabflusszeitreihen, die als bekannte Referenzdaten dienen. Letztlich ermöglicht dies die Entdeckung von Mustern in Modellrealismus, Prozessdarstellungen und Parameterbeziehungen für eine große Anzahl von Karstsystemen auf eine bisher beispiellose und verallgemeinerte Weise.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen