Identification and quantification of the effects of flow regime and matrix-conduit interaction in the characterization of karst aquifers

von Markus Giese
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2017-05-03
Erschienen:2018-03-13
Betreuer:Prof. Dr. Martin Sauter
Gutachter:Prof. Dr. Martin Sauter
Gutachter:Prof. Dr. Rudolf Liedl
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6775

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

In addition to alluvial aquifers, karst aquifers are counted among the most important groundwater resources. Besides the high benefit of karstic springs, they also pose risks to the user or people living close to those springs. The highly permeable structures within the low-permeable hard rock, which are the result of chemical solution processes, can result in high contaminant concentration and high flow velocity towards the sources. In addition to the high susceptibility to water quality, karst sources have a high potential for damage caused by flooding in the downstream area of the sources. The characterization of karst aquifers is usually based on the evaluation of karst spring hydrographs as an integral signal of the entire catchment area. The spatial distribution of karst-specific heterogeneities and thus their interactions are excluded. A further disadvantage with the analyses of spring discharge is the usually unknown input signal into the system. Due to the application of large-scale pumping tests in karst aquifers, i.e. the intensive and long-term water abstraction from the conduit system, the system can be triggered by a clearly defined input signal. The aim of this thesis is the systematic analysis of pumping tests with regard to the heterogeneities and hydraulic properties for the large number of different conceptual models of karst systems. The work focuses on the changes of local and regional flow patterns caused by different hydraulic properties on different scales of the karstified catchment, discrete and diffuse boundary conditions as well as the interactions between the conduit system and the hard rock matrix. For this purpose, a discrete conduit-continuum model is employed, which was adapted according to the intended use. The analysis is divided into several sections, focusing on different phases and processes of a pumping test. The first section of a pumping test is dominated by internal boundary conditions caused by fast-responding storage and interactions with the adjacent, low permeable environment. Two model parameters are converted into two dimensionless parameters, which are frequently used for the interpretation of classical pump tests, in order to approximate the drawdown behavior of an analytical solution. The conceptual process description associated with the analytical solution allows the two dimensionless parameters to create a characterization scheme for the saturated zone of a karst aquifer. By combining the numerical model parameters with conceptual models, a further conceptual model can be defined in which the exchange flow between the conduit system and the uniformly karstified matrix is limited by the hydraulic interface properties and the resulting effects. Following the period affected by the interface interactions, the flow period is dominated by conduit flow. Scientific sources make a distinction between laminar and turbulent pipe/conduit flow. In general, in karst aquifers there is a lack of information regarding the conduit properties, especially the diameter or the roughness of the conduit, which are required for determining the current state of flow. Applying a defined pump rate, these tube-specific parameters remain as the residual members. Those can be used to calculate quantitative differences, i.e. head losses along the flow direction, between laminar and turbulent flow. These head losses influence the conduit flow behavior as well as the flow pattern on a regional scale. The results of the analysis show that the errors caused by applying laminar flow equations are very small in mature karst systems, whereas the application of turbulent flow equations is demanded for less developed karst systems. For large-scale pumping tests in karst aquifers, such effects superpose both temporally and spatially, which must be considered for the interpretation of drawdown curves. Therefore, a holistic approach is needed that can detect the influences of heterogeneity on the drawdown behavior. The starting point for this analysis is a large-scale pumping test at the Cent Fonts catchment (Languedoc, France). The measured drawdown curve shows that flow regimes during water abstraction in karst aquifers differ from the idealized solutions. The application of the flow dimension concept is an advanced analysis tool without further research demand. The effects of different boundary conditions on the propagation of the cone of depression and thus on the shape of the drawdown curve can be investigated for idealized catchments by applying the flow dimension approach. The results show that the flow behavior during the pumping test is strongly influenced by a radial flow component and is not dominated by a high permeability conduit as previously assumed.
Keywords: Karst; Pumping test; Flow dimension; Turbulent flow; Laminar flow

Deutsch

Karstgrundwasserleiter zählen neben alluvialen Grundwasserleitern zu den wichtigsten Grundwasserressourcen. Neben dem hohen Nutzen von Karstquellen bergen diese jedoch auch Risiken für den Nutzer oder Anrainer. Die hochdurchlässigen Strukturen innerhalb des geringdurchlässigen Festgesteinskörpers, welche die Folge von chemischen Lösungsprozessen sind, führen u.a. dazu, dass (Schad-)Stoffe sehr schnell und in hoher Konzentration zu den Quellen transportiert werden können. Zusätzlich zur hohen Anfälligkeit in Bezug auf die Wasserqualität geht von Karstquellen auch ein hohes Schadenspotential durch sturzflutartige Überschwemmungen im abstromigen Bereich aus. Die Charakterisierung von Karstaquiferen basiert zumeist auf der Auswertung von Karstquellabflüssen als integrales Signal des gesamten Einzugsgebietes. Die räumliche Verteilung von karstspezifischer Heterogenität und damit auch deren Wechselwirkungen werden dabei ausgeklammert. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Quellabflüssen ist das zumeist unbekannte Eingangssignal in das System. Durch die Anwendung von Großpumpversuchen im Karst, d.h. durch die intensive und langzeitliche Wasserentnahme aus dem Röhrensystem, kann ein durch die Pumprate klar definiertes Eingangssignal in das System eingebracht werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die systematische Analyse von Pumpversuchen im Hinblick auf die Heterogenität und hydraulischen Eigenschaften für die Vielzahl an verschiedenen konzeptuellen Karstsystemen. Der Fokus liegt dabei auf den Veränderungen der lokalen und regionalen Strömungsregime, hervorgerufen durch die unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften auf verschiedenen Skalen des karstifizierten Einzugsgebietes, diskreten und diffusen Randbedingungen sowie den Wechselwirkungen zwischen dem Röhrensystem und der Festgesteinsmatrix. Dafür wird ein diskretes Röhren-Kontinuum- Modell angewendet, welches entsprechend dem Verwendungszweck angepasst wurde. Die Analyse gliedert sich in mehrere Abschnitte, welche unterschiedliche Phasen und Prozesse eines Pumpversuches fokussieren. Der erste Abschnitt eines Pumpversuches ist dominiert von inneren Randbedingungen, die durch schnell reagierende Speicher und den Wechselwirkungen mit der gering durchlässigen Umgebung hervorgerufen werden. Zwei Modellparameter werden in zwei, in der klassischen Pumpversuchsauswertung verwendeten, dimensionslose Parameter umgerechnet, um das Absenkungsverhalten einer analytischen Lösung zu approximieren. Durch die mit der analytischen Lösung verbundene, konzeptionelle Prozessbeschreibung, lassen sich die zwei dimensionslosen Parameter nutzen, um ein Charakterisierungsschema für die gesättigte Zone eines Karstgrundwasserleiters aufzustellen. Durch die Verbindung von Modellparametern mit konzeptionellen Modellen lässt sich ein weiteres konzeptionelles Karstmodell definieren, bei dem der Austausch zwischen Röhrensystem und gleichmäßig stark verkarsteter Matrix durch die hydraulischen Eigenschaften der Grenzfläche und deren Auswirkungen eingeschränkt wird. In der zeitlichen Abfolge nach der Phase, die durch die Wechselwirkungen an der Grenzfläche bestimmt wird, folgt die durch die Röhrenströmung dominierte Fließphase. In Fachbüchern und Publikationen wird zwischen laminarer und turbulenter Röhrenströmung unterschieden. Generell fehlen für Karströhren Informationen über die Beschaffenheit der Röhren, wie zum Beispiel der Durchmesser oder die Rauigkeit der Röhre, welche für die Bestimmung des Strömungszustandes benötigt werden. Bei der Anwendung von Pumpversuchen mit einer definierten Pumprate bleiben diese röhrenspezifischen Parameter als Restglieder übrig. Dadurch lassen sich quantitative Unterschiede zwischen laminarer und turbulenter Strömung, in Form von Druckverlusten entlang der Strömungsrichtung, berechnen. Diese Druckverluste haben sowohl Einfluss auf das Fließverhalten in der Röhre als auch auf das Verhalten auf regionaler Skala. Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass die Fehler bei der Verwendung von laminaren Röhrenströmungen in stark verkarsteten Einzugsgebieten sehr gering sind, während für schwach verkarstete Einzugsgebiete die Verwendung von turbulenten Strömungsgleichungen erforderlich ist. Bei Großpumpversuchen im Karst überschneiden sich solche Effekte sowohl zeitlich als auch räumlich, was bei der Interpretation der Absenkkurve berücksichtigt werden muss. Daher wird ein ganzheitlicher Ansatz benötigt, welcher die Einflüsse von Heterogenität auf das Absenkverhalten darstellen kann. Ausgangspunkt für diese Analyse ist ein Großpumpversuch im Gebiet der Cent Fonts Quelle (Languedoc, Frankreich). Die gemessene Absenkkurve dieses Pumpversuches zeigt, dass Strömungsregime im Karst von den idealisierten Lösungen abweichen. Die Anwendung des Flow Dimension-Ansatzes stellt eine erweiterte Auswertungsmethodik dar, für die keine zusätzlichen Informationen benötigt werden. Durch die Verwendung des Flow Dimension-Ansatzes auf idealisierte Einzugsgebiete werden die Auswirkungen von verschiedenen Randbedingungen auf die räumliche Ausbreitung des Absenktrichters und damit auf die Form der Absenkkurve untersucht. Die Ergebnisse werden genutzt um den Pumpversuch im Cent Fonts Einzugsgebiet hydraulisch zu interpretieren Die Ergebnisse zeigen, dass das Fließverhalten während des Pumpversuches stark durch radiale Strömung beeinflusst wird und nicht wie bisher angenommen durch eine durchgehende Röhre mit großer Durchlässigkeit dominiert wird.
 
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