Groundwater modelling in karst terrains using single-continuum models

Karstgrundwasserleiter stellen etwa 25 % der globalen Grundwasservorräte und sind in vielenGebieten die vorrangige Trinkwasserversorgung. Da sie sehr anfällig gegenüberSchadstoffeinträgen sind, ist es erforderlich, das Verständnis des Fließverhaltens in diesenGrundwasserleitern zu verbessern und die jeweiligen Grundwasservorräte besser zuquantifizieren. Generell werden Grundwassermodelle oft verwendet, umPorengrundwasserleiter zu charakterisieren und Vorhersagen in Bezug auf Strömungs- undTransportvorgänge zu machen. Diese Modellwerkzeuge werden jedoch weit weniger inKarstgebieten eingesetzt. Ein Ansatz für die Modellierung von Karstgrundwasserleitern sindEin-Kontinuum-Modelle, in denen das Karsthohlraumsystem durch starke Kontraste in derhydraulischen Leitfähigkeit eines porösen Mediums repräsentiert wird. Das Ziel dieserDissertation ist es, zu beurteilen, inwieweit dieser Ansatz für die Modellierung geeignet ist.Zu diesem Zweck werden zwei Beispiele vorgestellt, in denen ein Ein-Kontinuum-Modell aufein reales Karstsystem angewendet wird. Beide Fallstudien kombinieren den Ein-Kontinuum-Ansatz mit anderen Methoden (wie etwa Zeitreihenanalyse, Trockenwetterfalllinie oderMarkierungsversuche) und verbessern erheblich die Charakterisierung des Aquifersystems.Beide Feldbeispiele zeigen jedoch auch die Limitierungen der derzeit verfügbarenProgrammpakete zur Berücksichtigung turbulenter Strömung in Ein-Kontinuum-Modellenauf. Ein neues Programmepaket zur Berücksichtigung nicht-linearer Strömung mit Hilfe derForchheimergleichung wurde entwickelt und die korrekte Berechnung der nicht-linearenStrömung anhand dreier Benchmark-Modelle sowie einem realistischen Feldbeispiel aus einerder oben erwähnten Fallstudien gezeigt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass dieVerwendung von Ein-Kontinuum-Modellen für Karstgrundwasserleiter relevant ist und alsangemessene Alternative zu anderen Modellansätzen gesehen werden sollte.Karst aquifers represent about 25 % of the total world groundwater reserves and are in manyareas the first resource of drinking water. As they are very vulnerable to contamination thereis a need to improve the global understanding of their flow behaviour and to better quantifytheir reserves. In general, groundwater models are widely used to characterize porous aquifersand to make predictions related to groundwater flow and transport phenomena. However,these tools are much less employed in karst areas. One approach used for karst aquifermodelling is the single-continuum model, which represents the conduit system by highcontrasts in the hydraulic conductivity of a porous medium. The aim of this PhD thesis is toassess how far this approach is adequate for karst aquifer modelling. To do this, two examplesapplying a single-continuum model to a real karst system are presented. Both case studiescombine the single-continuum approach with other characterization methods (such as timeseries analysis, master recession curves or tracer test data) and improve significantly thecharacterization of the aquifer system. Nevertheless, both field examples show the limitationsof the currently available packages reproducing turbulent conduit flow through singlecontinuummodels. A new package considering non-linear flow using the Forchheimerequation was developed and proved to compute non-linear flow accurately for threebenchmark models and a more realistic field example derived from one of the aforementionedcase studies. In summary, the use of single-continuum models for karst aquifer modelling isrelevant and should be further considered as a valuable alternative to other modellingapproaches.Cyril MayaudZsfassung in dt. und engl. SpracheGraz, Univ., Diss., 2014OeBB(VLID)24027