Optimierung und Leistungstest von Modellen mit zunehmender Komplexität für die Bewertung von Karst-Aquiferen-Ressourcen und Knappheit.

• Antragsteller: Professor Dr. Gabriele Chiogna; Dr. Ibrahim Al Khoury
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565767911

Karst-Aquiferen versorgen fast 25% der Weltbevölkerung mit Süßwasser. Die Erschöpfung der Wasserressourcen in Karstgebieten ist eine bedrohliche Sorge, angetrieben durch Klimawandel und anthropogenen Druck. Mathematische Modelle sind wichtig, um Prozesse im Karst-Einzugsgebieten besser zu verstehen und das Management von Wasserressourcen zu unterstützen. Die Bewertung der Wasserressourcen bleibt jedoch schwierig aufgrund der Heterogenität des Aquifers, der Dualität der Zu- und Ausflussmechanismen, der Anisotropie und der Fließ-Nichtlinearität. Bestehende Modelle bieten eine grobe Beschreibung der Grundwasseraustausch über topografische Wasserscheiden und bei der Wechselwirkung zwischen den Fließprozessen der Karst- und Nicht-Karst-Einheiten in binären Karst-Einzugsgebieten. Halbverteilte hydrologische Modelle, die räumlich verteilte Neubildung mit den dominierenden Flusskomponenten des Karst-Aquifers kombinieren, bieten eine Lösung, um die räumliche Variabilität des Flusses selbst bei begrenzten Daten zur Karststruktur zu bewerten. Gleichzeitig könnte die wachsende Anzahl von Parametern und die mit diesem Ansatz verbundene Modellkomplexität zu Überparametrisierung, Äquifinalität und großer Unsicherheit führen. Dieses Projekt will 3 mathematische Modelle, die hydrologischen Prozesse von Karst-Systemen und deren dominierende Kontrollen mit zunehmender Komplexität Konzeptualisieren (KarstMod,LuKARS,ISPEEKH), entwickeln und optimieren, wobei entweder lumpen- oder räumlich variable Ansätze verwendet werden. Wir wollen eine effiziente Rechenumgebung für die Modellkalibrierung über Dimensionsreduktion, Sensitivitätsanalyse, Parameteroptimierung und Unsicherheitsquantifizierung mithilfe von Surrogatmodellen von der drei Modellen schaffen. Wir erforschen auch, den Effekt unterschiedlicher funktionaler Komplexitätsgrade in den 3 Modellen auf die räumliche Variabilität der Neubildung und des Flusses. Wir modellieren 3 Karst-Einzugsgebiete (Kerschbaum, Ouysse und Touvre), die sich durch zunehmende Heterogenität der Landschaftseigenschaften, hydrologischen und anthropogene Eigenschaften auszeichnen. Ein Mehrmodell-Vergleich wird die Auswirkungen der Integration räumlicher Variabilität von Grundwasserneubildung und -abfluss auf die hydrologischen Simulationen zeigen. Wir verwenden die kalibrierten Modelle, um zukünftige Wasserressourcen an den drei Standorten unter Szenarien des Klimawandels und anthropogenen Drucks zu bewerten und schaffen so eine Mehrmodell-Wasserressourcenschätzung. Der systematische Ansatz, der im Projekt verfolgt wird, soll die Simulation des hydrodynamischen Funktionierens von Karst-Systemen verbessern, indem effiziente hydrologische Modelle bereitgestellt werden und der Kompromiss zwischen hydrologischer Modellkomplexität (lumpen- versus halbverteilte Modelle) und hydrologischer Modellleistung erforscht wird. Die Szenarien basierte Mehrmodellbewertung kann die Einschätzung von Wasserknappheit und die Entwicklung nachhaltiger Wassernutzung unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Andreas Hartmann
• Kooperationspartner: Professor Dr. David Labat