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Characterization of the Hochschwab karst aquifer flow regime using a water stable isotope approach (Austria)
Paul Zemann
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Erich Draganits
DOI
10.25365/thesis.76051
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27313.69782.729128-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Karstaquifere stellen eine wichtige Ressource von Trinkwasser in Österreich und weltweit dar. Wegen der hohen sekundären Porosität des Karsts und den daraus resultierenden kurzen Verweilzeiten des Wassers sind Karstquellen allerdings besonders anfällig für Kontaminationen. Der Transport von Wasser, bzw. dessen Speicherung innerhalb von Karstsystemen stellt die Hydrogeologie wegen der hohen Heterogenität und dem komplexen Aufbau von potenziellen Fließwegen seit jeher vor eine Herausforderung. Bei der Modellierung des Fließverhaltens wird allerdings selten auf die Rolle der obersten ungesättigten Zone eingegangen, welche die räumlich-zeitliche Verteilung von infiltrierendem Wasser in den ersten Metern stark beeinflusst. Dies trifft vor allem auf den bis einige Meter mächtigen Epikarst zu, welcher den obersten Teil der ungesättigten Zone darstellt und eine erhöhte Porosität und Permeabilität vorweist. Das Untersuchungsgebiet beinhaltet die größten bekannten Karstquellen Österreichs, die Kläfferquellen, und deren Einzugsgebiet, das Hochschwabmassiv, welches durch ein verkarstetes Plateau aus mittel- und obertriassischen Gesteinen charakterisiert ist. Um die Dynamik von frisch infiltrierendem Wasser im Epikarst zu erfassen, wurde Tropfwasser in der Hirschgrubenhöhle ca. 6.5 m unter der Oberfläche auf stabile Wasserisotope (δ18O und δ2H) untersucht. Dies geschah während eines Regenevents im September 2023, wobei zeitgleich auch Proben von den Kläfferquellen und vom Niederschlag genommen wurden. Im Einzugsgebiet des Tropfwassers wurden außerdem Sensoren zum Messen des Wassergehalts im Boden installiert. Die gemessenen Isotopenwerte von Tropfwasser (Hirschgrubenhöhle), Quellwasser (Kläfferquellen) und Niederschlag wurden als konservative Tracer für die Modellierung von Wassertransport im Epikarst eingesetzt, während ein deutliches Signal an den Kläfferquellen ausgeblieben ist. Etwa 18 Stunden nach Einsetzten des Regens konnte ein deutlicher Anstieg der Schüttung des Tropfwassers in der Hirschgrubenhöhle beobachtet werden, welche ein Maximum von 18 ml/sec erreichte. Mittels eines nummerischen Modells konnte der Anteil von gespeichertem Wasser unterschiedlichen Alters in der Schüttung berechnet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass im Schnitt nur ein Drittel der angestiegenen Schüttung ihren Ursprung im beprobten Regenevent hatte und etwa zwei Drittel auf älteres Wasser zurückzuführen ist. Eine Massenbilanz ergibt außerdem, dass mehr als 95 % des Regens noch im Epikarst oder der Bodenzone gespeichert war, als der Basisabfluss wieder erreicht wurde. Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass die Speicherkapazität des Epikarst und des Bodens höher ist, als bisher für den Hochschwab-Karstaquifer angenommen wurde.
Abstract
(Englisch)
Karst aquifers are an important source of drinking water in Austria and worldwide. Due to the high secondary porosity of karst systems and the resulting short residence times of the water, however, karst springs are particularly susceptible to contamination. The transport of water and its storage within karst systems has always posed a challenge to the field of hydrogeology given the high heterogeneity and complex structure of potential flow paths. When modelling flow behaviour, the role of the upper unsaturated zone, which strongly influences the tempo-spatial distribution of infiltrating water in the first few meters, is rarely considered. This is especially true for the up to a few meters thick epikarst, which represents the uppermost part of the unsaturated zone and shows increased porosity and permeability. The study area includes the largest known karst springs in Austria, the Kläffer springs, and their catchment area, the Hochschwab massif, which is characterized by a pronounced karstified Middle and Upper Triassic plateau. In order to investigate the dynamics of freshly infiltrating water in the epikarst, drip water was analysed for water stable isotopes (δ18O and δ2H) in the Hirschgrubenhöhle approximately 6.5 m below the surface. This was conducted during a rain event in September 2023, whereby samples were simultaneously taken from the Kläffer springs and from precipitation in addition. Furthermore, water content sensors were installed in the soil within the catchment area of the cave drip water. The measured isotope values of cave drip water (Hirschgrubenhöhle), spring water (Kläfferquellen) and precipitation were used as conservative tracers for the modelling of water transport in the epikarst, while a clear signal at the Kläffer springs was absent. Within about 18 hours after the onset of rainfall, a significant increase in discharge was observed for cave drip water in the Hirschgrubenhöhle, reaching a maximum of 18 ml/sec. Using a numerical model, the fraction of stored water with different ages in the discharge could be calculated. It was found that on average only one third of the flood water had its origin in the sampled rain event and about two thirds can be attributed to older water. A mass balance also showed that more than 95 % of the rain was still stored in the epikarst or the soil zone when baseflow conditions were reached again. The results of this study suggest that the storage capacity of the epikarst and soil layer is higher than previously assumed for the Hochschwab karst aquifer.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Hydrogeologie Karsthydrologie Hochschwab Fließverhalten Wasserspeicherung Epikarst Hirschgrubenhöhle Kläfferquellen stabile Isotope Verweildauer
Schlagwörter
(Englisch)
Hydrogeology Karst hydrology Hochschwab flow regime water storage epikarst Hirschgrubenhöhle Kläffer springs stable isotopes transit times
Autor*innen
Paul Zemann
Haupttitel (Englisch)
Characterization of the Hochschwab karst aquifer flow regime using a water stable isotope approach (Austria)
Paralleltitel (Deutsch)
Charakterisierung des Fließverhaltens im Hochschwab Karstaquifer mittels stabiler Wasserisotope (Österreich)
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
IV, 89 Seiten, Seite A-C : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Erich Draganits
AC Nummer
AC17212810
Utheses ID
71555
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |