Modeling a geologically complex karst aquifer system, Hochifen-Gottesacker, Alps

Zhao Chen
2017
i Abstract About one quarter of the global population is completely or partially dependent on drinking water from karst aquifers. They are vulnerable to contamination and difficult to manage due to their unique hydrogeological characteristics. Many regional important karst systems are hydraulically connected over wide areas and require transboundary exploration, protection and management. Furthermore, future climate projections suggest a strong change in temperature and precipitation regimes in
more » ... pitation regimes in many karst regions of the world over the next decades and may also have a lasting negative impact on local karst water resources in terms of both quantity and quality. To better understand dominate hydrological processes at local karst systems, quantify their dynamics and predict aquifer discharge behaviors under potential future climate conditions, hydrological models tailored to karst catchments are needed. In order to obtain a better global overview of karst aquifers and to create a basis for sustainable international water resources management, the first part of this study dealt with the mapping of karst aquifers at over-regional scale and presents the basic concepts and the detailed mapping procedure, using France as an example to illustrate the step-bystep workflow, which includes generalization, differentiation of continuous and discontinuous carbonate and evaporite rock areas, and the identification of non-exposed karst aquifers. The map also shows selected caves and karst springs, which are collected in an associated global database. The draft karst aquifer map of Europe shows that 21.6 % of the European land surface is characterized by the presence of (continuous or discontinuous) carbonate rocks; about 13.8 % of the land surface is carbonate rock outcrop. Subsequently, this study moved from global to local working scale and focused on an Alpine karst system (Hochifen-Gottesacker), which is characterized by complex hydrogeology and can be especially vulnerable under changing hydro-meteorological conditions. A numerical model was developed step-by-step to simulate the surface and subsurface heterogeneous hydrological processes within the studied karst catchment. The model contains a hybrid-structure (combining lumped and distributed model) and incorporates the investigated karst aquifer and its adjacent non-karst area. Additionally, spatially-distributed meteorological variables and their driven snow accumulation/melting dynamic are considered in the simulated catchment. The simulation results demonstrate that the model is able to simulate simultaneously the transient and highly variable discharge behavior of four spatially-distributed model outlets at an hourly time step, which represent a permanent spring, an overflow spring, an estavelle and the surface runoff generated from the non-karst area. Furthermore, the dual flow regime and transient hydrodynamic behavior of phreatic and epiphreatic conduits in the karst aquifer are demonstrated in the simulation. Abstract ii To better understand model complexity and uncertainty, a novel multi-step sensitivity analysis approach was developed and applied to evaluate the model part representing the karst area for model outlets using a multi-objective and time-varying approach. The information about parameter sensitivity derived and combined from these two work stages made it possible to identify the spatiotemporal dynamics of controlling parameters. The results demonstrate that a limited number of spatially-distributed parameters control the varying flow pattern, which is caused mainly by dynamics of high permeability flow in individual karst sub-catchments and flooding mechanisms in major karst drainage conduits. Additionally, the interactions between parameters were quantified. The results demonstrate that the model is nonlinear and the influential parameters are highly correlated in the model space and time domain. The complete sensitivity analysis was performed for prior and posterior parameter ranges. The difference between them was used to assess the influence of parameter constraints on the results of sensitivity analyses. The results show that the spatial patterns of identified parameter sensitivity and interactions are strongly influenced by given parameter bounds. The last part of this study presents an investigation of present and future water fluxes and storages within the studied karst catchment using the previous developed numerical model. A delta approach combined with random sampling technique was used to assess the potential impacts of climate changes. The model simulation under current condition demonstrates that a large portion of precipitation infiltrates into the karst aquifer as autogenic recharge and contributes to surface runoff in the adjacent non-karst area, which can partly infiltrate into the karst aquifer as allogenic point recharge. Moreover, the result shows that surface snow storage is dominant from November to April, while subsurface water storage in the karst aquifer dominates from May to October. The climate scenario runs demonstrate that the varied climate conditions affect the spatiotemporal distribution of water fluxes and storages significantly: (1) the total catchment discharge decreases under all evaluated future climate conditions. (2) The spatiotemporal discharge pattern is strongly controlled by temperature variations, which can shift the seasonal snowmelt pattern. The snow storage in the cold season (December to April) decreases significantly under all change scenarios. (3) Increased karst aquifer recharge in winter and spring, and decreased recharge in summer and autumn, partly compensate each other. (4) The impacts on the subsurface flow dynamics are regulated by the karst aquifer due to its characteristic dual flow systems and spatially heterogeneous distributed drainage structure. Kurzfassung iii Kurzfassung Etwa ein Viertel der Weltbevölkerung ist ganz oder teilweise abhängig von Trinkwasser aus Karstgrundwasserleitern. Aufgrund ihrer einzigartigen hydrogeologischen Eigenschaften sind Karstaquifere besonders verletzbar gegenüber Schadstoffeinträgen und besonders schwierig zu bewirtschaften. Viele regional wichtige Karstsysteme sind über weite Gebiete hydraulisch miteinander verbunden und erfordern grenzüberschreitende Ansätze zur Erkundung, zum Schutz und zur Bewirtschaftung. Zusätzlich deuten künftige Klimavorhersagen auf eine starke Veränderung der Temperatur-und Niederschlagsregime in vielen Karstregionen der Welt in den nächsten Jahrzehnten hin, und können sich negativ auf lokale Karstwasserressourcen auswirken, sowohl in Bezug auf ihre Quantität als auch hinsichtlich ihrer Qualität. Um die dominanten hydrologischen Prozesse lokaler Karstsysteme besser zu verstehen, ihre Dynamik zu quantifizieren und das Schüttungsverhalten der Karstgrundwasserleiter unter künftigen Klimabedingungen vorhersagen zu können, sind hydrologische Modelle, die auf Karsteinzugsgebiete zugeschnitten sind, erforderlich. Um einen besseren globalen Überblick über Karstgrundwasserleiter zu erhalten und eine Grundlage für ein nachhaltiges und internationales Wasserressourcenmanagement zu etablieren, beschäftigte sich der erste Teil dieser Arbeit mit der Kartierung von Karstgrundwasserleitern auf überregionalem Maßstab, und präsentiert die grundlegenden Konzepte und die detaillierte Vorgehensweise bei der Kartierung. Am Beispiel von Frankreich wird der Arbeitsablauf Schritt für Schritt dargestellt, von der Generalisierung über die Differenzierung von Gebieten mit kontinuierlichen und diskontinuierlichen Karbonatgesteinen bzw. Evaporiten, bis hin zur Identifizierung von tiefen und bedeckten Karstgrundwasserleitern. Die Karte zeigt auch ausgewählte Höhlen und Karstquellen, welche in einer assoziierten globalen Datenbank gesammelt werden. Die Karstgrundwasserleiterkarte von Europa zeigt, dass 21.6 % der Landfläche durch (kontinuierliche oder diskontinuierliche) Karbonatgesteinen charakterisiert ist; wobei anstehende Karbonatgesteine auf etwa 13.8 % der Fläche anzutreffen sind. Anschließend wechselt die vorliegende Arbeit vom globalen zum lokalen Arbeitsmaßstab und fokussiert sich auf ein alpines Karstsystem (Hochifen-Gottesacker), welches durch eine komplexe Hydrogeologie charakterisiert und unter verändernden hydrometeorologischen Bedingungen besonders verletzbar ist. Ein numerisches Modell wurde Schritt für Schritt entwickelt, um die oberflächennahen und unterirdischen hydrologischen Prozesse innerhalb des untersuchten Einzugsgebiets zu simulieren. Das Modell enthält eine Hybrid-Struktur (kombiniert flächen-konzentriertes unddifferenziertes Modell) und beinhaltet den Karstgrundwasserleiter und das angrenzende Nicht-Karstgebiet. Zudem sind räumlich verteilte meteorologische Variablen und deren steuernde Schneedynamik im simulierten Einzugsgebiet berücksichtigt. Die Kurzfassung iv Simulationsergebnisse zeigen, dass das Modell gleichzeitig die hoch dynamische Schüttungsverhalten von vier räumlich verteilten Modellaustritten mit stündlichen Zeitschritten simulieren kann, welche eine permanente Quelle, eine Überlaufquelle, eine Estavelle und den Oberflächenabfluss aus dem Nicht-Karstgebiet darstellen. Zudem werden das duale Fließsystem und das hydrodynamische Verhalten von phreatischen und epiphreatischen Karströhren in der Simulation demonstriert. Um die Komplexität und Unsicherheit des aufgebauten Modells besser zu verstehen, wurde ein neuartiger mehrstufiger Ansatz für eine Sensitivitätsanalyse entwickelt. Dieser Ansatz wurde für den Modellteil angewendet, welcher das Karstgebiet repräsentiert. Die dabei gewonnenen Informationen über die Parametersensitivität ermöglichten die Identifizierung der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Schlüsselparameter. Die Ergebnisse zeigen, dass eine begrenzte Anzahl von räumlich verteilten Parametern das variierende Strömungsschema im Modelbereich kontrolliert. Die Änderung des Strömungsschemas ist vor allem gesteuert durch die Strömungsdynamik in den durchlässigen Zonen des Karstgebiets und den Rückstaumechanismus im Karströhrennetzwerk. Zusätzlich wurden die Wechselwirkungen zwischen den Parametern quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Modell nichtlinear ist und die einflussreichen Parameter im Modelbereich stark miteinander korrelieren. Die vollständige Sensitivitätsanalyse wurde für den initialen und eingeschränkten Parameterbereich durchgeführt. Der Unterschied zwischen ihnen wurde genutzt, um den Einfluss von Parametereinschränkung auf die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass das räumliche Schema der identifizierten Parametersensitivität und -interaktion stark vom gegebenen Parameterbereich beeinflusst werden.
doi:10.5445/ir/1000071296 fatcat:vxqq4gywv5d5bhura4ewojc4py