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Carbonatgesteine im Mittelmeerraum bilden einzigartige Karstlandschaften und sind aus wasserwirtschaftlicher Sicht von besonderem Interesse, da sie potentielle Karstaquifere darstellen. Die Mediterrane Karstaquifer Karte und Datenbank (MEDKAM) wurde 2022 im Rahmen des Projektes KARMA (Karst Aquifer Resources Availability and Quality in the Mediterranean Area) entwickelt, das durch das PRIMA-Programm der Europäischen Union (EU) gefördert wurde. MEDKAM besteht aus einer Karte (Druckmaßstab 1:1,5 Mio., auch als WebGIS verfügbar), die die Verbreitung von Carbonat- und Evaporitgesteinen als potentielle Karstgrundwasserleiter zeigt, mit zusätzlichen Informationen zu anderen hydrogeologischen Einheiten, ausgewählten terrestrischen und submarinen Karstquellen, Höhlen und karstgrundwasserabhängigen Ökosystemen. Zusätzlich wurden zwei weitere Karten erstellt, die die mittlere jährliche Grundwasserneubildung (1990-2019) und die Trends der Grundwasserspeicherung (2003-2020) in Karstaquiferen zeigen. MEDKAM basiert auf der Internationalen Hydrogeologischen Karte von Europa (IHME1500), die kürzlich um vier weitere Kartenblätter für die Region Nordafrika erweitert wurde. Die räumliche Verteilung im Mittelmeerraum, der pragmatisch anhand einer 250-km-Zone abgegrenzt wurde, zeigt, dass 39,5 % des Mittelmeerraums von Carbonatgesteinen bedeckt sind, was mehr als 1,2 Mio. km² entspricht, während nur 1,7 % aus Evaporitgesteinen bestehen. Die größten zusammenhängenden Carbonatgesteinsflächen finden sich dabei in den nordafrikanischen Ländern, die höchsten Anteile im Verhältnis zur Gesamtfläche des jeweiligen Landes weisen Malta mit 100 %, der Libanon mit 68,0 % und Montenegro mit 66,1 % auf. Carbonatgesteine an der Küste finden sich im Mittelmeerraum auf einer Länge von ca. 14.000 km, einschließlich der Inseln, was 33,6 % der gesamten Küstenlinie entspricht. Den längsten nicht zusammenhängenden Küstenkarst findet man in Griechenland mit ca. 5,000 km, gefolgt von Kroatien mit ca. 3,500 km und Italien mit ca. 1,400 km. Malta und Bosnien & Herzegowina haben einen Karstanteil an der Küste von 100 %, gefolgt von Kroatien mit 87,7 % und Montenegro mit 67,9 %. Die Grundwasserneubildung ist im nördlichen Teil höher als im südlichen und beträgt im Durchschnitt ca. 190 mm/a, wobei in vielen Regionen ein negativer Trend der Grundwasserspeicherung von durchschnittlich -0,3 mm/a zu beobachten ist. MEDKAM dient als Grundlage für weitere Forschung und verbesserte internationale Zusammenarbeit im Karstgrundwassermanagement und kann für verschiedene Anwendungen im Zusammenhang mit klimatischen, hydrologischen oder geographischen Fragestellungen oder regionalen Managementoptionen genutzt werden.

Springs provide a key water resource that is sensitive to changing climate and land use patterns in alpine regions. Sustainable water management needs to take variability and trends of spring discharge on seasonal and annual timescales into account. We conducted a comparative analysis of 96 spring discharge records across Austria, identifying similarities and differences to display organizing principles and differentiate random fluctuations from significant changes. Our results reveal spatiotemporal discharge patterns that reflect varying dominance of the regional precipitation characteristics, snow cover dynamics, and aquifer property differences. Cluster analysis based on discharge seasonality and autocorrelation indicated a broad-scale classification resulting in 4 subordinated spring groups. For a subsample of 44 springs with time series of at least the last 20 years trend analysis of discharge, electrical conductivity and water temperature are conducted. Seasonal differences in the significance of long-term changes are identified for all parameters indicating that seasonal and interannual variability dominate available records. The findings of the trend analysis as well as the resulting spring groups stresses the importance of analysing spring flow characterization and the dominant recharge processes regarding to upcoming challenges in water resource management due to climate changes.

Alpine aquifers, including rock glaciers, talus, and till deposits, represent key hydrologic elements in headwater catchments that occur frequently in permafrost-affected terrain. Water flowing through these sediment accumulations exhibits distinct flow patterns that are different from common flow dynamics in porous media. Water pathways tend to follow channels that are incised by thermokarst processes into these ice-debris mixtures or their massive ice cores. This study characterizes the water flow system within three active rock glaciers in the Austrian Alps, drained by springs at the respective rock glacier front. We show that a network of thermokarst channels running through the frozen rock glacier cores governs subsurface flow, at least during the summer months. Key hydraulic properties of these channels are explored by combining the evaluation of spring hydrographs and fluorescence tracer tests. The individual channels can reach several decimeters in diameter and exhibit a highly irregular geometry, including rapidly changing channel cross-sections and a convoluted overall structure. Flow along these channels is rapid and highly turbulent, implying fast transfer of energy and momentum. Friction losses are high along the channels and attributed to the presence of blocks and boulders that force the water to move around them. Heat transfer is dominated by advective transport, which leads to a positive feedback loop that drives the expansion of the thermokarst channels. Tracer breakthrough curves exhibit multiple peaks and pronounced tailing, suggesting that water flows along a network of connected channels that include stagnant water zones. The preferential pathways provided by these networks largely dominate flow and transport processes within the rock glaciers. These processes therefore govern permafrost degradation, lake outburst hazards, and rock glacier front stability.

Etwa 9,2 % der Weltbevölkerung beziehen ihr Trinkwasser aus Karstgebieten, die durch starke und rasche Veränderungen in der Wasserqualität charakterisiert sind. Insbesondere Sedimentpartikel, die in Karstgrundwasserleitern transportiert werden, können als Vektoren für Krankheitserreger, toxische Spurenelemente und Schwermetalle fungieren. Das Transportverhalten von Partikeln kann sich dabei deutlich von demjenigen gelöster Stoffe unterscheiden, sodass Markierungsversuche mit konservativen Tracern nur bedingt für eine Untersuchung von Sedimenttransportprozessen geeignet sind.

Um unter natürlichen Bedingungen das Transportverhalten von Sedimentpartikeln im Vergleich zu gelösten Stoffen zu untersuchen, wurden in dieser Feldstudie Höhlensedimente suspendiert und zusammen mit konservativen Tracern (Uranin und Amidorhodamin G) in eine voll wassergesättigte (phreatische) Karströhre des Blauhöhlensystems auf der Schwäbischen Alb eingegeben. Die Anzahl der Sedimentpartikel wurde am Blautopf nach 1250 m Fließstrecke mittels Partikelzähler gemessen und die suspendierten Sedimente filtriert, chemisch aufgeschlossen und mit ICP-MS auf Geochemie hin untersucht.

Es konnte ein deutlich schnellerer Transport von Sedimentpartikeln (116–118 m/h) im Gegensatz zu konservativen Fluoreszenzfarbstoffen (108 m/h) nachgewiesen werden, was durch einen Transport von Partikeln im Hauptfließweg interpretiert wurde. Alle Partikelgrößen zeigten ein ähnliches Transportverhalten. Ein sedimentassoziierter Transport konnte darüber hinaus für alle gemessenen Elemente (auch Spurenelemente und Seltene Erden) nachgewiesen werden (Mueller et al. 2023). Die höchsten Konzentrationen der geochemischen Elemente wurde während des Partikelpeaks gemessen (Abb. 1). Ein anthropogener Einfluss zeigte sich in der positiven Gadolinium Anomalie der Sedimentproben.

Das nachgewiesene unterschiedliche Transportverhalten von Sedimentpartikeln im Vergleich zu gelösten Farbstoffen verdeutlicht die Wichtigkeit einer differenzierten Betrachtung von Stofftransportprozessen, insbesondere im Kontext von Kontaminationsereignissen in Karstaquiferen.

Abb. 1.: Durchgangskurven der 1 µm Partikel, Uranin und Amidorhodamin G sowie normalisierte Darstellung der Haupt- und Spurenelemente sowie Seltene Erden (c/c_max). Dunkle Farben indizieren die höchsten gemessenen Konzentrationen, helle Farben die geringsten gemessenen Konzentrationen.

Mueller, Yanina K.; Goldscheider, Nico; Eiche, Elisabeth; Emberger, Hanna; Goeppert, Nadine (2023): From cave to spring: Understanding transport of suspended sediment particles in a fully phreatic karst conduit using particle analysis and geochemical methods. In: Hydrol. Process. 37 (10), Artikel e14979. DOI: 10.1002/hyp.14979.

Die hohe Vulnerabilität von Karstquellen hinsichtlich mikrobiologischer Kontaminationen ist seit langer Zeit bekannt. Die Einträge können dabei beispielsweise über landwirtschaftlich genutzte Flächen oder aus Abwasserleckagen erfolgen. Das geringe Rückhaltevermögen von Karstgrundwasserleitern gegenüber Schadstoffen, bedingt durch geringe Bodenentwicklung und ausgeprägte Fließwege mit hohen Fließgeschwindigkeiten, kann zum Auftreten von pathogenen Keimen an Karstquellen führen. Quellen, die zur Gewinnung von Trinkwasser genutzt werden, können oftmals nicht ausreichend vor dem Eintrag von Schadstoffen in das Rohwasser geschützt werden. Zwar gibt es zahlreiche kleinskalige experimentelle Versuche zur Bestimmung des Transportverhalts von Viren und Bakterien, jedoch nur wenige Feldversuche, die ihren Transport und Rückhalt über große Distanzen in Karstgrundwasserleitern untersuchten.

Im Einzugsgebiet der Gallusquelle (Schwäbische Alb) wurden bereits mikrobiologische und chemische Verunreinigungen des Quellwassers nach Starkregenereignissen nachgewiesen und mit dem Überschlag eines 9 km entfernten Regenrückhaltebeckens in Verbindung gebracht. Sowohl der Rückhalt als auch die Transportgeschwindigkeit für Bakterien und Viren sind bislang jedoch unbekannt. Für eine bessere Abschätzung des Kontaminationsrisikos und -umfanges wurden vier Tracerversuche mit nicht-pathogenen Bakteriophagen durchgeführt um den Transport pathogener Viren zu simulieren. Die eingesetzten Bakteriophagen wurden mittels eines kulturbasierten Verfahrens nachgewiesen, was die Bestimmung aktiver (=infektiöser) Phagen ermöglicht.

Die durchschnittlichen Fließgeschwindigkeiten im Grundwasserleiter lagen während der Versuche zwischen 30 und 105 m/h und die aktiven Phagen konnten über Strecken von 3 bis 9 km an der Karstquelle nachgewiesen werden. Eine Injektion der Phagen am Regenrückhaltebecken belegt, dass aktive Phagen über den vermuteten Kontaminationspfad die Quelle erreichen können. Die quantitative Auswertung zeigt jedoch, dass der Rückhalt von Phagen verglichen mit dem gelösten Tracer Uranin um bis zu 98,5 % höher ist.

Wasserknappheit stellt ein bedeutsames Problem in vielen Teilen der Welt dar. Um dieser Herausforderung zu begegnen, sind unter anderem Strategien zur kontrollierten Grundwasseranreicherung (Managed Aquifer Recharge, MAR) von entscheidender Bedeutung. Die nachteiligen Auswirkungen der übermäßigen Nutzung von Grundwasserressourcen sollen auf diese Weise gemildert und die Verfügbarkeit von Grundwasser verbessert werden. In Regionen mit Wasserknappheit, wie dem Libanon, wächst der Bedarf, bestehende MAR-Techniken für die Speicherung von Wasser oder die Erhöhung des Untergrundabflusses aus Karstsystemen in benachbarte alluviale Aquifere einzusetzen. Die Umsetzung von MAR in Karstsystemen stellt aufgrund ihrer extremen hydraulischen Anisotropie, Heterogenität und der starken Dynamik im Abflussverhalten dabei eine besondere Herausforderung dar.

Distributive numerische Grundwassermodelle, welche Diskret-Kontinuum-Ansätze wie beispielsweise MODFLOW-CFP berücksichtigen, die Integration stochastisch generierter Karströhrennetzwerke gewährleisten sowie idealisierte Modellkonzepte, ermöglichen die Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen Karst-Alluvial-Systemen und den Vergleich von MAR-Szenarien. Basierend auf diesem Ansatz wurde ein skriptbasiertes Konzept entwickelt, das ausschließlich Open-Source-Tools zugrunde liegt und einen skalierbaren, automatisierten und generalisierbaren Workflow für einen Multi-Modell-Ansatz bietet. Dieser umfasst eine automatische Kalibrierung durch die Parameterschätzungssoftware PEST sowie eine umfangreiches Pre- und Postprocessing. Das Konzept integriert verschiedene Python-Pakete, insbesondere FloPy, CFPy, pyKasso und bietet eine Schnittstelle zu geografischen Informationssystemen (GIS) zur systematischen Erstellung eines Multi-Modell-Konzeptes. Dabei werden verschiedene Realisierungen von Karströhrennetzwerken innerhalb von MODFLOW-CFP-Modellen berücksichtigt. Auf dieser Grundlage wird die Quantifizierung des Randzustroms ermöglicht und die Bewertung kontrollierter Grundwasseranreicherung unterstützt. Postprocessing-Routinen bieten Einblicke in Fehleranalysen, lokale und globale Wasserbilanzen, Netzwerkwahrscheinlichkeiten, Parameterunsicherheiten und -sensitivitäten.

In einem ersten idealisierten Szenario, welches sich auf ein regional-skaliges Karst-Alluvial-Multi-Modell für die Quelle Nabaa El Berdaouni im Libanon konzentrierte, wurde das etablierte Modellierungskonzept für ein reales System bewertet. Das Modell bildet effektiv die beobachteten Daten der monatlichen Quellabflüsse nach. Es deutet jedoch auf eine begrenzte Eignung für verschiedene Injektions- und Infiltrationsszenarien an einem potenziellen MAR-Standort innerhalb der untersuchten Region hin. Die Ergebnisse sollten jedoch kritisch bewertet werden, insbesondere aufgrund der bestehenden Unsicherheiten durch die begrenzten Ausgangsdaten.

Schlüsselwörter: Karst-Alluvial-System, kontrollierte Grundwasseranreicherung, numerische Grundwassermodellierung, stochastischer Karstnetzwerkgenerator, Multi-Model-Ansatz