Etymologie
von Neven Kresic (Wasser im Karst, Mc Graw Hill, 2013, S. xiii)
„Karst ist ein wissenschaftlicher Begriff, der nach dem geografischen Bezirk zwischen Slowenien und Triest, Italien, benannt ist, der eine sehr unterschiedliche Landschaft aufweist. Es ist ein germanisiertes Wort für „carso“ (auf Italienisch) und „kras“ in (Slowenisch); alle drei Wörter leiten sich vom indogermanischen Wort „kar“ oder „karra“ ab, was Fels bedeutet… Einige gebräuchliche Wörter aus den slawischen Sprachen der Karstregion sind zu internationalen wissenschaftlichen Begriffen geworden, die Karstmerkmale beschreiben, vor allem dank des serbischen Geomorphologen Jovan Cvijić, der als erster eine Doktorarbeit verteidigte und eine wissenschaftliche Monographie veröffentlichte, die sich ausschließlich dem Karst widmete (Cvijić, 1893).“ (Abbildungen 1,2)
Landschaft
von Derek Ford & Paul Williams (Karst Hydrogeology and Geomorphology, Wiley, 2007, p. 1)
„Wir können Karst als Gelände mit ausgeprägter Hydrologie und Landschaftsformen definieren, die aus einer Kombination von hoher Gesteinslöslichkeit und gut entwickelter sekundärer (Bruch-) Porosität entstehen. Solche Gebiete sind gekennzeichnet durch sinkende Bäche, Höhlen, geschlossene Vertiefungen, geriffelte Felsvorsprünge und große Quellen. Eine beträchtliche Gesteinslöslichkeit allein reicht nicht aus, um Karst zu produzieren. Gesteinsstruktur und Lithologie sind ebenfalls wichtig: dichte, massive, reine und grob gebrochene Gesteine entwickeln den besten Karst…Die Erfahrung zeigt, dass viele Hydrogeologen fälschlicherweise annehmen, dass das Grundwassersystem nicht karstig ist, wenn Karstlandformen an der Oberfläche fehlen oder nicht offensichtlich sind. Diese Annahme kann zu schwerwiegenden Fehlern beim Grundwassermanagement und bei der Umweltverträglichkeitsprüfung führen, da sich die Grundwasserzirkulation entwickeln kann, obwohl kein Oberflächenkarst erkennbar ist.“
Merkmale
Die Liste der Karstmerkmale, die sich aus Auflösungs- und Erosionskarstungsprozessen ergeben, ist lang und umfasst eine Vielzahl von mikro- und makrooberflächlichen und unterirdischen Objekten. Unter ihnen sind Karrens oder Lapies, Dolinen oder Dolinen, Uvalas, Poljes, blinde und hängende Täler, sinkende Bäche, Höhlen (Abbildung 3), Ponoren oder Schlucklöcher (Abbildung 4), Schlaglöcher, Höhlen (Abbildung 5).
Glossar für diese und viele andere in der Karstologie verwendete Begriffe finden Sie HIER (gepflegt von Alexander Klimchouk et al.)
Klassifizierung von Karstgrundwasserleitern
von Zoran Stevanović (Karstgrundwasserleiter – Charakterisierung und Engineering, Springer, 2015, p. 25-29, 49)
“ Sedimentäre Karstgesteine können im Allgemeinen in die beiden Hauptgruppen eingeteilt werden:
- karbonatgesteine
- Evaporitgesteine
Die Karbonatgesteine werden aus Calcium- und Magnesiummineralien gebildet: Calcit, Dolomit, Aragonit und Magnesit und umfassen die beiden Hauptgruppen:
- Kalksteine (CaCO3) und
- Dolomiten (CaCO3 x MgCO3)
mit einer breiten Palette von Sorten.
Zur Gruppe der Evaporite gehören Gesteine und Mineralien, die SO4- oder Cl-Anionen enthalten:
- anhydrit (CaSO4),
- Gips (CaSO4 x 2H2O)
- Halit (NaCl) und
- Sylvit (KCl).
Die Auflösung von Calcit (1) Dolomit (2) und Gips (3) wird durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3 (1)
CaMg(CO3)2 + 2H2O + 2CO2 ↔ Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3 (2)
CaSO4 x 2H2O → Ca2+ + SO4 2- + 2H2O (3)
According to the dominant type of rocks of which karstic aquifer consists the following classification can be made:
- Carbonate karst aquifer,
- Dolomitic karst aquifer,
- Marble karst aquifer,
- Chalky karst aquifer,
- Anhydritic karst aquifer,
- Gypsum karst aquifer,
- Halitic karst aquifer.
Unter Berücksichtigung von Strukturen und hydrodynamischen Eigenschaften gibt es:
- 6),
- Begrenzter Karstgrundwasserleiter,
- Halb begrenzter Karstgrundwasserleiter.“
Hydrogeologische Eigenschaften von Karstgrundwasserleitern
von Nico Goldscheider (Website von KC, 2009-2013)
“ Evolution: Karstgrundwasserleiter bilden sich durch fließendes Wasser, das Kohlendioxid (CO2) enthält, das Karbonatgesteine auflöst. Daher besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Entwicklung des Grundwasserleiters, der Bildung von Höhlen (Speläogenese) und dem Grundwasserfluss.
Individualität: Obwohl es viele Ähnlichkeiten zwischen verschiedenen Karstsystemen gibt, ist jedes Karstsystem auch ein Sonderfall und eine Verallgemeinerung ist schwierig. Abbildung 7 zeigt ein vereinfachtes Modell eines typischen Karstgrundwasserleiters.
Heterogenität: Die Eigenschaften von Karstgrundwasserleitern variieren stark im Raum. Es kann große Mengen an Wasser in einer Höhle sein, aber ein Bohrloch ein paar Meter entfernt kann völlig trocken sein.
Anisotropie: Die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters hängen von der Orientierung der geologischen Gewebeelemente ab; Zum Beispiel ist die hydraulische Leitfähigkeit typischerweise in Richtung großer Brüche und Leitungen hoch, kann aber in anderen Richtungen niedrig sein.
Dualität der Aufladung: Aufladewasser kann aus dem Karstgebiet selbst (autogene Aufladung) oder aus angrenzenden Nichtkarstgebieten (allogene Aufladung) stammen.
Dualität der Infiltration: Die Infiltration erfolgt durch den Boden und die ungesättigte Zone (diffuse Infiltration) und kann auch über Schlucklöcher / Senken konzentriert werden (punktuelle Infiltration).
Dualität von Porosität und Strömung: Es gibt zwei oder sogar drei Arten von Porosität in Karstgrundwasserleitern: interkristalline Poren in der Gesteinsmatrix, häufige Gesteinskontinuitäten wie Brüche (Risse) und Bettungsebenen und gelöstvergrößerte Hohlräume wie Kanäle und Leitungen, die sich aus den anfänglichen Diskontinuitäten entwickelt haben. Während der Grundwasserfluss in der Matrix und in kleinen Rissen typischerweise langsam und laminar ist, ist der Fluss in Karstkanälen (Höhlen) oft schnell und turbulent.
Variabilität: Der Grundwasserspiegel in Karstgrundwasserleitern kann manchmal 10s oder sogar 100s von Metern in kurzen Zeiträumen schwanken, und Karstquellen zeigen typischerweise schnelle Variationen der Entladung und Wasserqualität.“
Karst im Kontext regionaler Strömungssysteme
von Judit Mádl-Szőnyi (White, 1969; Mádl-Szőnyi und Tóth 2015, Palmer 1991, 1995, Klimchouk 2000, 2007; Goldscheider et al. 2010)
Epigener Karst: Dies ist das Produkt der korrosiven Wirkung von infiltrierendem Grundwasser auf Karbonatgrundwasserleiter. Es kann sich in flachen, im Grunde nicht raffinierten Carbonaten entwickeln und hängt mit den Auswirkungen von kaltem Wasser in lokalen Strömungssystemen zusammen. Dies sind die typischen Karstgebiete mit charakteristischen Oberflächen- und Untergrundmerkmalen.
Tiefer Karst: Karst, wo er sich bis in beträchtliche Tiefen unterhalb des Grundspiegels erstreckt.
Hypogener Karst: Erzeugt durch tiefe Energie-, Flüssigkeits- und Gasquellen, einschließlich retrograder Calcit-Löslichkeit, Mischkorrosion durch verschiedene Flüssigkeiten, induziert durch Querformationsströmung, und Auflösung durch geogene Säuren. Es kann sich in tiefen, begrenzten Karstgebieten entwickeln, die mit lauwarmem und Thermalwasser regionaler oder mittlerer Strömungssysteme ohne signifikante Oberflächenmerkmale verbunden sind.
Literaturempfehlungen:
Goldscheider N, Mádl-Szőnyi J, Erőss A, Schill E (2010) Thermalwasserressourcen in Karbonatgestein-Grundwasserleitern. Hydrogeol J 18 (6): 1303-1318
Klimchouk A (2007) Hypogene Speläogenese: hydrogeologische und morphogenetische Perspektive. Spezielle Papier keine. 1, Nationales Höhlen- und Karstforschungsinstitut, Karlsbad, NM
Mádl-Szőnyi J Tóth Á (2015) Konzeptionelles Grundwasserflussmodell im Beckenmaßstab für eine nicht begrenzte und begrenzte dicke Karbonatregion. Hydrogeol J 23 (7): 1359-1380
Methoden zur Untersuchung von Karstgrundwasserleitersystemen
von Nico Goldscheider (Website von KC, 2009-2013)
“ Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften versagen herkömmliche hydrologische und hydrogeologische Methoden häufig bei der Anwendung auf Karst; ihre Anpassungen und karstspezifischen Methoden sind daher erforderlich.
Geologische Methoden: Die Lithologie, Stratigraphie, Frakturierung, Fehlermuster und Faltenstrukturen sind entscheidend für das Verständnis des Grundwasserflusses in Karstgrundwasserleitern.
Speläologie: Leitungen und unterirdische Kanäle sind entscheidend für den Grundwasserfluss in Karstgrundwasserleitern. Höhlen ermöglichen den Eintritt in den Grundwasserleiter und die direkte Beobachtung und Untersuchung eines Teils des Leitungskanalnetzes.
Hydrologische Methoden: Aufgrund der hohen Variabilität der Strömungsgeschwindigkeiten von sinkenden Bächen, Höhlenbächen und Karstquellen ist eine kontinuierliche Überwachung der Wassermenge und -qualität in karsthydrogeologischen Studien von entscheidender Bedeutung.
Hydraulische Methoden: Potentiometrische Karten und hydraulische Tests in Bohrlöchern und Brunnen sind in der Hydrogeologie weit verbreitet, erfordern jedoch spezifische Anpassungen, wenn sie auf Karst angewendet werden.
Isotopentechniken: Stabile und radioaktive Isotope können helfen, den Ursprung des Wassers zu identifizieren, Laufzeiten zu bestimmen und Mischprozesse zu charakterisieren.
Tracer-Tests: Tracer-Tests (Abbildung 8) sind die leistungsfähigste Methode, um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (typischerweise zwischen Schlucklöchern / Senken und Federn) zu identifizieren, Karstfrühlingseinzugsgebiete abzugrenzen und Strömung und Transport in den Leitungsnetzen zu charakterisieren.
Geophysikalische Methoden: Geophysikalische Methoden können helfen, Standorte für Brunnenbohrungen zu identifizieren, unterirdische Hohlräume (potenzielle Dolinen) zu untersuchen und andere Informationen über die Grundwasserleiterstruktur zu erhalten.
Modellierung: Mathematische Modelle können helfen, Speläogenese, Strömung und Transport in Karstgrundwasserleitern besser zu verstehen. Es gibt jedoch Beispiele (z. B. Abbildung 9), bei denen die Anwendung herkömmlicher Grundwasserflussmodelle in Karstumgebungen katastrophal falsche Ergebnisse erbrachte und zu einer Abgrenzung von äußerst unzureichenden Quellschutzzonen führte, was zu Krankheitsausbrüchen führte, und dies alles, weil die spezifische Natur des Karsts ignoriert wurde.“
Karstgrundwassernutzung
von Zoran Stevanović (Karstgrundwasserleiter – Charakterisierung und Engineering, Springer, 2015, S. 111-112, 116-119, 299, 109-111)
Wasserqualität
„Die Auflösung von Gesteinen und die Dauer des direkten Kontakts zwischen Wasser und Gestein führen zu einer variablen Grundwasserqualität an den Abflussstellen. Die mineralischen Bestandteile von Karstwässern hängen von der Zusammensetzung der Gesteine ab, durch die Wasser sickert: Hydrocarbonate (HCO3) – Calcium Ca) Art von Wasser entsteht aus der Auflösung von Calciumcarbonat, das eine dominierende Art von Wasser in Kalkstein ist, während die Hydrocarbonate (HCO3) – Magnesium (Mg) Art von Grundwasser ist in geringerem Maße vorhanden und wird regelmäßig mit dolomitischen Gesteinen verbunden.
Langmuir (Physical and chemical characteristics of carbonate water, 1984) listete Prozesse auf, die die Qualität des Grundwassers steuern und beeinflussen, bevor es die Quellstelle oder den Brunnenkopf erreicht. Diese Prozesse sind wie folgt:
- Die Zusammensetzung des infiltrierten atmosphärischen Niederschlags;
- Evapotranspirationsverluste durch Grundwasserneubildung und flaches Grundwasser;
- Der Säuregehalt und der Grad der Untersättigung der Grundwasserneubildung;
- Die Verfügbarkeit und Löslichkeit von Carbonat und damit verbundenen Gesteinen, einschließlich Halit, Gips und Anhydrit;
- Die lösung der Gesteine und Kontaktzeit;
- Hydrologische Prozesse wie Verdünnung durch Frischwasserneubildung und Vermischung von unterschiedlichem Grundwasser;
- Anthropogene Prozesse, einschließlich Grundwasserverschmutzung durch Abfälle und Sickerwasser aus festen Abfällen.
Es ist fast eine Regel, dass das Grundwasser in offenen Karststrukturen niedrig mineralisiert ist, was auf den intensiven Wasseraustausch und die schnelle Filtration zurückzuführen ist. In tieferen Teilen des Grundwasserleiters führt eine langsamere Filtration zu einer Zunahme der Mineralisierung. Diese Variation ist oft minimal, weist aber dennoch auf eine gewisse Differenzierung hin, die unter bestimmten Umständen (z. B. bei Verschmutzung) wichtig sein kann.
Daher ist im Falle von Karbonatkarst die Qualität der natürlichen Karstgewässer fast definitionsgemäß ausgezeichnet: Es wird an vielen Orten weltweit bestätigt, dass Wasser, das aus unbewohnten Einzugsgebieten in Bergmassiven austritt, hygienisch und rein ist, während nur ausnahmsweise eine geringe Menge Bakterien vorhanden sein kann. Wenn jedoch Verschmutzungsquellen im Einzugsgebiet eines nicht begrenzten karstlichen Grundwasserleiters vorhanden sind, folgen schwerwiegende Gefahren.
Karstwasser erschließen
Grundwasser erschließen ist nie einfach, vor allem weil es sich um eine „unsichtbare Ressource“ handelt. Die Situation ist jedoch noch komplizierter, wenn es sich um einen inhomogenen und anisotropen Grundwasserleiter wie Karst handelt: Es ist sehr oft notwendig, Grundwasser zu erreichen, aufzufangen und einzufangen, das durch Hohlräume oder durch poröse Blöcke zirkuliert, die vom Rest der Gesteinsmasse isoliert sind.
Wir können die zwei Hauptarten des Zapfens von Grundwasser im Karst unterscheiden:
- Erschließung des karstigen Grundwasserflusses an Abflussstellen – Quellen (Abbildung 10).
- Erschließung des karstigen Grundwasserflusses innerhalb des Aquifereinzugsgebiets – künstliche Strukturen wie Brunnen, Stollen oder ähnliche Strukturen (Abbildung 11).
Grundwasser wird nicht nur für Trink-, Industrie-, Wärme- oder Bewässerungszwecke erschlossen, sondern auch zur Entwässerung bei Gruben, städtischen Gebieten oder Kulturlandschaften, die vor einem hohen Grundwasserspiegel geschützt werden sollen.
Verwendung für verschiedene Zwecke
Die Karstquellen werden häufig als Trinkwasserquelle genutzt. Viele Länder nutzen Karstquellen einfach, weil es keine anderen Alternativen gibt, aber in vielen anderen Ländern ist das Bewusstsein für ihre Bedeutung und die gute Wasserqualität, die sie bieten, ein Hauptfaktor für eine solche Entscheidung. Die Karstgrundwasserleiter haben einen bedeutenden Anteil an der Wasserversorgung in den folgenden Regionen: Südosteuropa (Alpen und Karpaten), das Mittelmeerbecken, der Nahe Osten und der Nahe Osten, die Arabische Halbinsel und das Horn von Afrika, Südostasien, Nordafrika, das Karibische Becken und Mittelamerika sowie der Süden der USA.
Die natürliche Entwässerung von Grundwasserleitern durch Quellen kann den Wasserbedarf auf breiter Ebene decken: von der Versorgung von mehreren Millionen Städten auf regionaler Ebene bis hin zur sehr lokalen Ebene, wenn es um die Versorgung von nur einem oder mehreren Häusern geht. Obwohl letzteres in Bezug auf die Wassermenge kein großes Problem darstellt, sind für den großen Verbraucher ein sehr großer Grundwasserleiter und ein Quellabfluss erforderlich. Es gibt eine breite Palette von Anwendungen von Karstwasser. In ariden Regionen des Nahen und Mittleren Ostens ist es beispielsweise sehr üblich, Karstquellen zu erschließen und Schwerkraftkanäle zur Bewässerung von Ackerland zu bauen. Quellwasser wird auch häufig zur Bewässerung von Tieren verwendet, und frisches Wasser von guter Qualität bietet Sicherheit für die Gesundheit und das Wachstum von Tieren.
Die Nutzung von Karstwasser in der Wasserkraft durch die Nutzung hoher hydraulischer Förderhöhe beschränkt sich hauptsächlich auf die Alpen (Österreich, Schweiz), während die thermischen Eigenschaften von Karstwasser und Quellen anderswo genutzt werden. Schließlich ist die Anzahl der Karstquellen, die in der weltweiten Wasserabfüllindustrie mit einem Jahresumsatz von rund 13 Milliarden US-Dollar genutzt werden, sehr groß, und Karstgrundwasserleiter führen wahrscheinlich die Liste der Grundwasserleiter an, aus denen solche Quellen stammen „.
Empfohlene Referenzen zum weiteren Lesen:
Bakalowicz M (2005) Karstgrundwasser: Eine Herausforderung für neue Ressourcen. Hydrogeol J, 13: 148-160
Bonacci O (1987) Karsthydrologie mit besonderem Bezug auf den dinarischen Karst. Springer-Verlag, Berlin, 184 S.
Burger A, Dubertret L (Hrsg.) (1984) Hydrogeologie von Karstgebieten. Fallbeispiele. Internationale Beiträge zur Hydrogeologie, IAH, Band 1, Verlag Heinz Heise, Hannover, 264 S.
Drew D, Hötzl H (1999) Karsthydrogeologie und menschliche Aktivitäten. Auswirkungen, Konsequenzen und Implikationen. Balkema, Rotterdam, 322 S.
Ford D, Williams P (2007) Karsthydrogeologie und Geomorphologie. Wiley, 576 S.
Goldscheider N, Drew D (Hrsg.) (2007) Methoden der Karsthydrogeologie. Taylor & Francis, London, 264 S.
Käss W (1998) Spurentechnik in der Geohydrologie. Balkema, Rotterdam, 581 S.
Kresic N, Stevanović Z (Hrsg.) (2010) Grundwasser-Hydrologie von Quellen. Technik, Theorie, Management und Nachhaltigkeit. Elsevier Inc. BH, Amsterdam, 573 S.
Kresic N (2013) Wasser im Karst. Management, Verwundbarkeit und Wiederherstellung. McGraw Hill, New York, 708 S.
Milanović P (2004) Wassertechnik im Karst. CRC Press, Boca Raton, FL, 312 S.
Palmer AN, Palmer MV, Sasowsky ID (Hrsg.) (1999) Karstmodellierung. Sonderpublikation 5, Karst Water Institute, Charles Town, WV, 256 pp.
Parise, M. & Gunn, J. (Hrsg.) 2007. Natürliche und anthropogene Gefahren in Karstgebieten: Erkennung, Analyse und Minderung. Geol. Soc. London, Vereinigtes Königreich. publ., 279 S.
Stevanović Z (Hrsg.) (2015) Karstgrundwasserleiter – Charakterisierung und Engineering. Serie: Berufspraxis in der Geowissenschaft, Springer Intern. Publ., 692 S.
White WB (1988) Geomorphologie und Hydrologie von Karstgebieten. Oxford University Press, New York, NY, 464 pp.