Ralf Benischke

Ein besseres Verständnis des Lurbach-Karstsystems durch ein konzeptionelles Niederschlags-Abfluss-Modell

ZusammenfassungAm Beispiel des Lurbach-Systems (Österreich) wird untersucht, inwieweit ein parameterarmes globales Niederschlags-Abfluss-Modell in einem komplexen Karstsystem anwendbar ist. Trotz geringer Anzahl an freien Modellparametern sind Abflusssimulationen über einen Zeitraum von sieben Jahren in zufriedenstellender Übereinstimmung mit den beobachteten Abflüssen. In der darauffolgenden rund vierjährigen Zeitperiode ist das Modell jedoch nur unter Verwendung stark veränderter Parameter in der Lage, das beobachtete Abflussverhalten nachzuvollziehen. Die kalibrierten Parameterwerte zeigen, dass in diesem Zeitraum der Abfluss zu benachbarten Einzugsgebieten und die Kapazität des Boden- oder Gebietsspeichers stark erhöht sind. Dies ist in Einklang mit Auswertungen von Markierungsversuchen und Trockenwetterfalllinien, die auf Änderungen der Eigenschaften des Quelleinzugsgebiets vermutlich durch Sedimentumlagerungen bei einem Starkniederschlagsereignis hindeuten. Solche dynamischen Prozesse können in Niederschlags-Abfluss-Modellen (noch) kaum berücksichtigt werden und bedingen daher erhebliche Prognoseunsicherheiten. Das vorgestellte Beispiel zeigt jedoch, dass ein parameterarmes hydrologisches Modell zur Charakterisierung von Quelleinzugsgebieten beitragen kann.AbstractA parsimonious lumped-parameter rainfall-runoff model was tested to determine if it could be used to appropriately represent a karst hydrological system, the Lurbach system in Austria. Simulated and observed hydrographs of spring discharge were favorably simulated for a time period of seven years in spite of the small number of free parameters. Following this period the four year discharge records were only reproducible using strongly different parameter values. Results suggest during this period overflow to neighboring catchments and the capacity of production or routing store have strongly increased. This relationship is also observed in tracer test and baseflow recession data sets and is attributed to the likely redistributions of sediments. Such dynamic processes are rarely accounted for in rainfall-runoff models, and may cause severe prediction uncertainties. However, in the Lurbach system a parsimonious hydrological model was used successfully to characterize changes in hydrological conditions.

Modellbasierte Berechnung der Abfluss- und Stofftransportprozesse in hierarchisch organisierten KarstnetzwerkenNumerical simulation of groundwater flow and mass transport in multi-level operating karst networks

ZusammenfassungKarstsysteme mit einem allogenen Zufluss über Schwinden zeigen oft komplexe Netzwerke interagierender Karstwegsamkeiten. Zur Analyse der hydrodynamischen Funktionsweise solcher Karstaquifere wurde am Beispiel des Tanneben-Massivs ein Strukturmodell entwickelt, welches die Karstantwort auf hydraulische und hydrochemische Signale als Mischung unterschiedlicher Abflusskomponenten berechnet. Strukturparameter, wie die Anzahl der Fließwege und die Aktivierungssequenz, wurden anhand von Tracerexperimenten abgeleitet. Dazu wurden Tracerdurchbruchskurven hinsichtlich der zeitlichen Ausprägung von Multipeaks in Abhängigkeit von den während der Experimente vorherrschenden Strömungsbedingungen analysiert.Mittels Modellrechnungen konnte für das Tanneben-Massiv gezeigt werden, dass die Stoffausbreitung im Karstnetzwerk sowie die Stoffkonzentrationen an der Karstquelle durch die Strömungsbedingungen in einem Zeitraum vor und nach der Injektion beeinflusst werden.Grund hierfür ist die durch den strukturellen Aufbau solcher Karstsysteme bedingte Aufteilung des Grundwasserstroms auf Fließpassagen unterschiedlicher hydraulischer Eigenschaften. So werden bei einem hohen Zufluss Karstwegsamkeiten aktiviert, welche das Lurbach-Hammerbach-Abflusssystem mit dem weiter nördlich gelegenen Schmelzbach-System verbinden. Beim Überschreiten der Durchflusskapazität des Karstsystems infolge von Starkregenereignissen oder durch die Blockade von Fließpassagen kommt es zu einem Rückstau im Bereich der Schwinde und damit einer Verlängerung der Abflussphase an der Karstquelle.AbstractKarst systems fed by an allogenic inflow often show a complex network of interacting conduits that effects groundwater flow and pollutant transport. The combined evaluation of multi-tracer experiments performed at different flow conditions provide information about the hydrodynamic functioning of the karst network. Building on this, a conceptual model to quantify groundwater flow and mass transport has been developed and is presented in this study using the example of the Tanneben Massif, Austria. Within the model, groundwater flow is subdivided into several flow-paths with discrete flow velocity and capacity. As a consequence, model results reveal a dampen but also extended karst response to storm events. Upon exceeding the flow capacity, backwater accumulates at the inflow causing a prolongation of high discharge into the system. Additionally, adjacent karst systems are affected by the activation of interconnecting flow paths at high flow conditions.