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dc.contributor.advisor Sauter, Martin Prof. Dr. de
dc.contributor.author Geyer, Tobias de
dc.date.accessioned 2008-08-08T15:20:16Z de
dc.date.accessioned 2013-01-18T11:25:13Z de
dc.date.available 2013-01-30T23:50:14Z de
dc.date.issued 2008-08-08 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B276-E de
dc.description.abstract Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung von Methoden zur Quantifizierung von Strömungs- und Transportprozessen in Karstgrundwasserleitern. Die Arbeit beschäftigt sich sowohl mit Parameterstudien wie auch mit der Auswertung von erhobenen Geländedaten anhand mathematischer Modelle. Aufgrund großskaliger Heterogenitäten (Karströhren) im hydraulischen Parameterfeld von Karstgrundwasserleitern stellt die Nutzung und nachhaltige Bewirtschaftung von Karstwasserressourcen eine große Herausforderung dar und erfordert spezielle Methoden zur Charakterisierung dieser Systeme auf der Einzugsgebietsskala. Einen vielsprechenden Ansatz hierfür liefert die Auswertung von Quellsignalen, wie z.B. einer Abflussganglinie. Dieser Ansatz beinhaltet allerdings, wegen fehlender Informationen über die zeitliche Verteilung der Grundwasserneubildung, große Unsicherheiten. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen numerischen Ansatz zur zeitkontinuierlichen Berechnung des Zuflusses in das Röhrensystem eines Karstgrundwasserleiters. Es wird gezeigt, dass hieraus auf den zeitlichen Verlauf der direkten Grundwasserneubildung in einem Karströhrensystem geschlossen werden kann. Den Kern des Ansatzes bilden die erste Zeitableitung der Abflussganglinie einer Karstquelle und der Leerlaufkoeffizient des Röhrensystems. Die erste Zeitableitung der Abflussganglinie beschreibt das Verhältnis von Zuflüssen in das und Abflüssen aus dem Röhrensystem. Der Leerlaufkoeffizient des Röhrensystems kontrolliert die Geschwindigkeit der Übertragung eines hydraulischen Signals durch das System. Die entwickelte Methode wurde zur Berechnung der direkten Grundwasserneubildung in dem Einzugsgebiet der Gallusquelle (Schwäbische Alb) nach einem Starkregenereignis eingesetzt. Das Ergebnis der Auswertung wird durch eine in der Literatur dokumentierte Isotopenstudie bestätigt. In einem zweiten Beispiel wurde der Ansatz zur Berechnung der direkten Grundwasserneubildung nach einem Schneeschmelzereignis verwendet. Die berechnete Zuflusskurve weist einen deutlichen Tagesgang auf, welcher auf einen täglichen Zyklus des Abschmelzprozesses durch Variationen der Lufttemperatur (Tag/Nacht) schließen lässt. Der Leerlaufkoeffizient des Röhrensystems wurde aus dem Leerlaufvorgang an der Karstquelle ermittelt. Das Ergebnis stimmt mit dem Reziproken der mittleren Transportzeit im Röhrensystem überein. Die mittlere Transportzeit konnte aus einem künstlichen Tracerversuch bestimmt werden, welcher die gesamte Ausdehnung des Einzugsgebietes der Gallusquelle berücksichtigt. Die berechnete Zuflussfunktion und die Interpretation der direkten Grundwasserneubildung basieren somit auf einem plausiblen und messbaren Parameter. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Quantifizierung des reaktiven Transportes von künstlichen Tracern (Markierungsstoffen) und der Bestimmung geometrischer Parameter von Karströhrensystemen anhand von Multitracerversuchen. Hierzu wurde ein großskaliger Multitracerversuch durchgeführt und eine Strategie zur Kalibrierung reaktiver Transportparameter unter Verwendung des Nichtgleichgewichtsmodells CXTFIT2.1 entwickelt. Die Mehrdeutigkeit des Modells konnte durch die Einführung von Grenzwerten für die reaktiven Transportparameter verringert werden. Die Modellstrategie konnte erfolgreich zur Kalibrierung von konservativen (anhand von Uranin) und reaktiven Stofftransportparametern (anhand von Sulforhodamin G) verwendet werden und zeigte, dass Reaktionen zwischen der Röhrenoberfläche und Tracern insbesondere in immobilen Zonen auftreten, welche jedoch nur einen geringen Teil des Gesamtröhrenvolumens ausmachen. Künstliche Multitracerversuche stellen somit eine geeignete Methode zur Charakterisierung des schnellen Transportes in Karstgrundwasserleitern dar und könnten in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung von Röhrenoberflächen spielen. Weiterhin können Umwelttracer wertvolle Informationen über den langsamen Transport durch die geklüftete Matrix eines Karstgrundwasserleiters liefern. An der Gallusquelle wurden mittlere Transportzeiten für verschiedene Umwelttracer in der folgenden Reihenfolge ermittelt: 3H >> 85Kr = SF6 > 3H/3He. Dieses Resultat kann durch die langsame Perkolation von Wasser durch die ungesättigte Zone erklärt werden. Die Interpretation wird unterstützt durch die Simulation der Strömung und des Transportes (FEFLOW5.3) durch einen geklüfteten Matrixblock, welcher eine mächtige ungesättigte Zone aufweist. Die Simulation zeigt, dass die ungesättigte Zone von Karstgrundwasserleitern einen großen Wasserspeicher darstellen kann und die gesättigte poröse Matrix quasi-stagnante Zonen beinhaltet. Die Existenz solcher Zonen konnte durch hohe Konzentrationen von radiogenem 4He in Wasserproben aus Bohrlöchern auf dem Einzugsgebiet der Gallusquelle nachgewiesen werden. Die eindeutige Interpretation der Isotopenergebnisse erfordert jedoch weitere Forschungsarbeiten, z.B. um den Einfluss der Diffusion zwischen Matrix- und Feinkluftsystem auf den Transport der verwendeten Umwelttracer zu quantifizieren. de
dc.format.mimetype application/pdf de
dc.language.iso eng de
dc.rights.uri http://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.html de
dc.title Process-based characterisation of flow and transport in karst aquifers at catchment scale de
dc.type doctoralThesis de
dc.title.translated Prozessbasierte Charakterisierung der Strömung und des Transportes in Karstgrundwasserleitern auf der Einzugsgebietsskala de
dc.contributor.referee Sauter, Martin Prof. Dr. de
dc.date.examination 2008-05-05 de
dc.subject.dnb 550 Geowissenschaften de
dc.description.abstracteng The main objective of the present dissertation is the development of methods for quantification of flow and transport processes in karst aquifers. It deals with both detailed parameter studies and the evaluation of collected field data using mathematical models. Due to the presence of large-scale heterogeneities (karst conduits) in the hydraulic parameter field of karst aquifers, regulation and sustainable management of karst water resources require specific methods to characterise these systems on catchment scale. Evaluation of spring responses provides an appropriate method to obtain integral hydraulic and geometric parameters of karst aquifers but is associated with some uncertainties because of the unknown temporal distribution of recharge in these systems. This work provides a time-continuous numerical approach for the estimation of inflow into the conduit system of karst aquifers. It is demonstrated that this function can be used to determine the temporal distribution of direct recharge into the conduit system. The presented approach employs the first time derivative of a spring hydrograph together with the recession coefficient of the conduit system. The first time derivative of a karst spring hydrograph reflects the temporal change of inflow to and outflow from the conduit system. The recession coefficient controls the velocity of transmission of a hydraulic signal. The methodology has been applied to quantify direct recharge into the conduit system of the Gallusquelle catchment (Swabian Alb, Germany) after a rainstorm event. The result is in agreement with information obtained from an independent isotope study reported in literature. In a further example, the introduced approach has been applied to a recharge event initiated by snowmelt. A clearly diurnal cycle of inflow into the conduit system was calculated and is attributed to a diurnal cycle of the melting process resulting from variations of air temperature (day/night). The recession coefficient of the conduit system was obtained by spring hydrograph analysis. It corresponds to the reciprocal of the mean tracer travel time determined from an artificial tracer test covering the extent of the catchment. The calculated inflow into the conduit system and interpretation of temporal distribution of recharge are therefore based on a plausible and measurable parameter. The second part of this study deals with the quantification of reactive transport of artificial tracers and the determination of geometrical conduit parameters from multitracer tests. Therefore a large-scale multitracer test was performed and a strategy for calibration of reactive transport parameters developed applying the two-region nonequilibrium model CXTFIT2.1. The ambiguity of the reactive model was reduced by the introduction of specific ranges in which reactive calibration parameters have to fit in. The model succeeds in calibrating conservative (with uranine) and reactive transport parameters (with sulforhodamine G), and verifies that tracer/rock interactions preferably occur in the immobile fluid region of the conduit system that comprises, however, only a small part of the total conduit volume. Artificial multitracer tests are therefore a useful tool in characterising fast transport in karst aquifers and may play an important role for the characterisation of conduit surfaces in the future. Additionally, environmental tracers provide valuable information on slow transport processes through the fissured matrix of karst aquifers. The analyses of data from spring Gallusquelle has shown that simulated mean ages for the following tracers differ in the order: 3H >> 85Kr = SF6 > 3H/3He. The result indicates a slow percolation of water through the thick unsaturated zone. The interpretation is supported by distributive parameter modelling (FEFLOW5.3) of flow and transport in a fissured matrix block that comprises a thick unsaturated zone. The simulations show that the unsaturated zone of karst aquifers may provide an important water storage and indicate the existence of quasi-stagnant zones in the saturated porous matrix of karst aquifers. The presence of such zones in the Gallusquelle karst aquifer was verified by a large amount of radiogenic 4He in water samples from wells within the catchment area. However, the unambiguous interpretation of isotopic data requires further research, for example, to quantify the influence of diffusive transfer between the fissures and the porous matrix for the specific tracers. de
dc.contributor.coReferee Liedl, Rudolf Prof. Dr. de
dc.subject.topic Mathematics and Computer Science de
dc.subject.ger Karst de
dc.subject.ger Grundwasserleiter de
dc.subject.ger Grundwasserneubildung de
dc.subject.ger Tracer de
dc.subject.eng Karst de
dc.subject.eng Aquifer de
dc.subject.eng Recharge de
dc.subject.eng Tracer de
dc.subject.bk 38.86 de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1862-6 de
dc.identifier.purl webdoc-1862 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Geowissenschaften und Geographie de
dc.subject.gokfull VBQ 800: Aquifere {Hydrogeologie} de
dc.subject.gokfull VBQ 100: Methodik de
dc.subject.gokfull Untersuchungsverfahren und Instrumente {Hydrogeologie} de
dc.subject.gokfull VBQ 200: Grundwassermodelle {Hydrogeologie} de
dc.subject.gokfull VBQ 300: Grundwasserbewegung {Hydrogeologie} de
dc.identifier.ppn 587187212 de

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