Hydrogeological characterisation of karst aquifers in semi-arid environments at the catchment scale – Example of the Western Lower Jordan Valley

Abstract

Ziel der Dissertation ist die hydrogeologische Charakterisierung von Karstgrundwasserleitern in der semi-ariden Klimazone, welche oftmals durch Übernutzung und anthropogene Verschmutz-ung bedroht sind. Trotz oft eingeschränkter Datenlage und einem unzureichenden Systemver-ständnis müssen quantitative und qualitative Faktoren, wie z.B. Grundwasserneubildungsrate, Aquiferparameter, Strömungs- und Stofftransportdynamik, Verschmutzungsempfindlichkeit und anthropogene Einflüsse quantifiziert werden. Jedoch können diese Gebiete auch günstige Eigenschaften für eine Charakterisierung, wie eine zeitlich eng begrenzte Impulsfunktion der Grundwasserneubildung durch intensive, kurze Niederschlagsereignisse sowie lange ungestörte Rezessionsperioden, aufweisen. Dies gilt für das in der Levante gelegene Untersuchungsgebiet. Die zeitliche und räumliche hydrologische Variabilität wurde durch ein ausgedehntes Messnetz hochaufgelöst erfasst. Zur Auswertung dieser Daten wurden konzeptionell korrekte, jedoch möglichst einfach anwendbare quantitative Verfahren und Modelle entwickelt und angewandt, was die Übertragbarkeit der Methoden auf weitere Trockengebiete ermöglicht. Durch eine Zusammenstellung und Auswertung hydrochemischer Langzeitdaten konnte die natürliche Hintergrundkonzentration von Chlorid im Grundwasser für 33 Quelleinzugsgebiete ermittelt werden. Darauf aufbauend war es möglich, durch eine Chloridmassenbilanz sowohl den langjährige mittlere Anteil der Grundwasserneubildung am Niederschlag (25–50%) zu bestimmen, als auch den Abwasseranteil im Quellwasser anhand rezenter Proben zu quantifizieren (0–20%). Anhand eines Speicher-Durchflussmodelles konnten sowohl Aquiferparameter im Einzugs-gebietsmaßstab als auch eine Tageszeitreihe der Grundwasserneubildung exemplarisch für die Auja-Quelle, die größte Süßwasserquelle im Unteren Jordantal, erfasst werden. Diese sowie weitere Quellen der Region sind durch ein „röhrengedrosseltes“ Abflussverhalten, d.h. eine Begrenzung der Quellschüttung, gekennzeichnet. Der hydrogeologisch komplexe Aquifer und das nichtlineare Systemverhalten bei Erreichen der maximalen Schüttung erfordern ein besonders angepasstes Modell, welches auch einen ausgeprägten hydraulischen Austausch zwischen den Karströhren und der geklüfteten Gesteinsmatrix berücksichtigen muss. Eine Reihe von Parametern konnte aus einer Rezessions- und Ereignis-Analyse der Abflussganglinie ermittelt werden. Das Speicher-Durchflussmodell benötigt lediglich sechs Kalibrierparameter und erlaubt eine sehr gute Simulation der Abflussganglinie. Die effektive Aquifer-Porosität wurde durch Kalibration ermittelt (ca. 2.4%). Über den simulierten 45-Jahres-Zeitraum führten die fünf niederschlagsreichsten Jahre zu einem Drittel der gesamten Grundwasserneubildung. Die zeitlich hoch aufgelösten Quellmessungen ermöglichten eine Quantifizierung der hydraulischen Reaktionszeiten sowie der mittleren Verweilzeiten, der Durchbruchsdauer und der relativen Anteile der schnellen Fließkomponente nach Niederschlagsereignissen. Diese Daten dienen sowohl einer Abschätzung der schnellen Neubildungsprozesse (vor allem Fokussierung im Epikarst und schnelles präferentielles Fließen durch die Vadose Zone) als auch einer Beurteilung der Verschmutzungsempfindlichkeit der Karstquellen. Weiterhin konnte eine Zugehörigkeit der beiden, 3500 m voneinander entfernten, artesischen Jericho-Quellen Sultan und Duyuk zu einem gemeinsamen Röhren- und damit Karstsystem nachgewiesen werden.