Simulation der Aquifergenese und des Wärmetransports in Karstaquiferen

Abstract

Karstaquifere stellen eine wichtige Trinkwasserressource dar. Das hydraulische Verhalten von Karstaquiferen wird entscheidend durch das Röhrensystem bestimmt. Diese Röhren entstehen durch Lösungsprozesse auf initial vorgegebenen Klüften und unterliegen einer von verschiedenen Randbedingungen abhängigen Genese. Herkömmliche hydrogeologische Methoden (Kartierung, Pumpversuche, klassische Tracer etc.) sowie geophysikalische Detektionsmethoden (z. B. Georadar oder Seismik) erlauben nur eine sehr begrenzte Aussage über die Parameter des Röhrensystems.

In dieser Arbeit wird ein Genesemodell vorgestellt, welches die wesentlichen Parameter der Genese berücksichtigt. Mit diesem Modell ist es möglich, unter Vorgabe verschiedener Randbedingungen der Genese, wie z. B. Kohlendioxidpartialdruck, Niederschläge oder Initialklüfte die geometrische Entwicklung eines Karströhrensystems zu untersuchen.

Bereits an den an einer Röhre durchgeführten Simulationen zeigt sich ein sehr komplexes Zusammenwirken der Parameter. Die unterschiedlichen Aufweitungsformen längs der Röhre hängen nicht alleine von der Lokalität der Grundwasserneubildung ab, sondern auch von der Höhe des Austauschkoeffizienten. Prinzipiell lassen sich zwei Formen der Aufweitung unterscheiden: Eine konkave Form mit größtem Durchmesser fern der Quelle und eine konvexe Form mit einer sich von der Quelle weg verjüngenden Form.

Genesesimulationen in vermachten Röhrensystemen zeigen, daß sich die bevorzugte Aufweitung entlang größerer Klüfte, die in Verbindung mit dem Vorfluter stehen, entwickelt. Weiterhin bedingen gut gebankte Kalke eine schnellere Aufweitung des Röhrensystems. Temperaturimpulse in Karstaquiferen lassen sich als natürliche Tracer verwenden, da zwischen Kluftgeometrie, Durchflußgeschwindigkeit und Gesteinsparametern eine Abhängigkeit besteht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein Wärmetransportmodell entwickelt, welches den Wärmetransport in Karströhren simuliert. Mit diesem ist es nun möglich, die Abhängigkeit der Temperaturimpulse in Karstaquiferen nach Niederschlägen zu untersuchen. In den Simulationen zeigt sich, daß nur Röhren mit großen Durchmessern einen Temperaturimpuls über weitere Strecken transportieren. Für die Temperaturentwicklung an der Quelle ist nur der Hauptimpuls eines Niederschlages wesentlich.

Wegen der unterschiedlichen Reaktionszeit des konvektiven und konduktiven Transportanteils lassen .sich verschiedene Röhrensysteme durch Temperaturmessungen im Quellbereich unterscheiden. Unterschiedliche Anordnungen derselben Röhren lassen sich allerdings in eine 'stationär-äquivalente Klasse' zusammenfassen. Dies sind Röhrensysteme, die unter stationären Strömungsbedingungen identische Durchbruchskurven zeigen. Weiterhin wurde die Klasse der 'instationär-äquivalenten' Röhrensysteme eingeführt, worunter man Systeme versteht, die auch noch unter instationären Strömungsbedingungen eine identische Durchbruchskurve besitzen. Ein wesentliches Postulat der Arbeit ist: Zu jedem dendritischen Röhrensystem läßt sich allein durch Umordnung der Röhren und Variation von Zufluß und Impulstemperatur ein instationär-äquivalentes vermaschtes System konstruieren. Ohne Kenntnisse weiterer Parameter sind dendritische nicht von vermaschten Systemen anhand von Temperaturdurchbruchskurven zu unterscheiden.

Karst aquifers represent an important drinking water resource. The hydraulic behaviour of karst aquifers is determined by the conduit system. The conduits evolve from an initial fissure system though dissolution processes which are dependent on different boundary conditions. Traditional hydrogeological methods (mapping, pumping tests, classical tracers etc.) and geophysical methods of detection (e.g. georadar or seismics) allow a very limited statement of the parameters of the conduit system.

In this work a model considering the essential parameters of the genesis is presented. Using this model it is possible to examine the geometric evolution of the karst conduit system as determined by different boundary conditions of the genesis, e.g. partial pressure of carbon dioxide, precipitation or initial fissure system.

Simulations for a single pipe show the complexity of interaction between the parameters. The evolution of the conduits depends not only on the location of the groundwater discharge, but also the degree of the exchange coefficient. We can distinguish between two different forms of conduit evolution: a concave form with larger diameter far from the spring and a convex form with a smaller diameter far from the spring.

Simulations in meshed conduit systems show that a preferential dissolution is developed along larger fractures with connection to the drainage channel. Furthermore well banked limestone leads to a faster development of the conduit system.

Due to the relationship between fracture geometry, flow velocity and rock parameters, temperature impulses in karst aquifers may be applied as natural tracers. In the second part of the work a heat transport model simulating the heat transport in karst conduits was developed. Using this model it is possible to investigate the characteristics of temperature impulses in karst aquifers after recharge events. The simulations show that only conduits with large diameters transport a temperature impulse over long distances. Only the main impulse of the recharge is important for the heat evolution at the spring.

Because of the different reaction times of the convective and conductive transport components, it is possible to distinguish between different conduit systems from temperature measurements at the spring. Different configurations of the same pipes may be combined into a 'steadyequivalent class'. These are conduit systems which show identical breakthrough curves under steady state flow conditions. Moreover the class of 'transient-equivalent' conduit-systems is introduced, describing systems also having identical breakthrough curves under transient flow conditions.

An important postulation of this work is the following: to every dendretic conduit system there exists a transient-equivalent meshed system which can be constructed by only reordering of pipes and variation of discharge and the impulse temperature. Without more knowledge of other parameters it is impossible to distinguish between dendritic and meshed systems using temperature breakthrough curves.