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Development of a toolset to simulate stream discharge in a karst catchment with regard to flood forecasts

A case study for the River Lauchert (Swabian Alb, Germany)

Knöll, Paul

Karstified regions can be considered complex geological systems. Their hydrology is characterised by its highly heterogeneous subsurface. This leads to a number of particularities in karstified catchments. Due to high infiltration capacities, water flow primarily takes place in the aquifer. Surface streams are often fed by large scale springs, with groundwater catchments significantly differing from the surface catchments. The karst aquifers drained by these springs usually show a heterogeneous structure, simultaneously allowing for long term storage and quick transport and discharge of groundwater. Hence, quick and pronounced responses to precipitation events are common in such catchments. Stream flow simulations with common rainfall-runoff models are therefore challenging and often doomed to fail in catchments comprised of karstified rocks. Consequently, flood warnings in karst catchments are equally difficult. In order to overcome these challenges, a groundwater based approach for modelling stream flow was developed and applied to the River Lauchert with its karstified headwater catchment in SW-Germany. The approach takes transport and storage of water in the snow pack, the soil, vadose, and phreatic zone into account. The study is composed of two main parts: field investigations and model development. The field investigations consisted of a variety of works providing information on the catchment, relevant system properties and data for modelling, thereby closing gaps of previous knowledge. By conducting a tracer test, a conduit system could be identified transporting water out of the surface catchment via the subsurface. Monitoring of soil water dynamics revealed the important role of the soil zone for stream flow responses to precipitation. Observations of spring flow and groundwater dynamics in the uppermost subcatchment showed that this area is composed of shallow karst, contrasting the rest of the study area. From the observations, it was also possible to conclude that episodic and sporadic spring outlets act as overflows of the aquifer, thereby playing an important role in the generation of floods Insights from field data were further used for model development and application. Two types of numerical models were developed and combined for simulations, a spatially distributed and a lumped approach. A distributed soil water balance model was used for recharge calculations with the aim of capturing heterogeneities of processes in and above the soil zone. To represent the vadose and preatic zone as well as streams, a lumped modelling framework was developed and applied on the subcatchment scale to the study area. The model allows for the conceptual representation of heterogeneities within the subsurface, which play an important role for stream flow generation. With the developed toolset it was possible to successfully simulate stream and spring hydrographs with a high temporal resolution. It could be shown that the solely groundwater focused approach can be used for streams, even for the simulation of floods. A comparative modelling analysis further revealed that modelling results deteriorate significantly when neglecting the relevant limits of the groundwater catchment in favour of the surface catchment. This emphasises the importance of groundwater flow for stream flow generation in the karst system. The developed models can use nowcast and forecast data from weather services directly for simulations. Thereby, flood warnings and forecasts are possible, even when reaction times of stream flow are short.
Verkarstete Gebiete, können als komplexe geologische Systeme angesehen werden. Ihre Hydrologie ist von einem stark heterogenen Untergrund geprägt, wodurch sich einige Besonderheiten in verkarsteten Einzugsgebieten ergeben. Aufgrund des hohen Infiltrationsvermögens findet die Strömung von Wasser primär im Grundwasserleiter statt. Oberflächliche Fließgewässer werden häufig von großen Quellen gespeist, deren unterirdische Einzugsgebiete deutlich von oberflächlichen Einzugsgebieten abweichen. Die Karstgrundwasserleiter, die von diesen Quellen drainiert werden, weisen in der Regel eine heterogene Struktur auf, die gleichzeitig die langfristige Speicherung und den schnellen Transport und Abfluss von Grundwasser erlaubt. Dementsprechend sind schnelle und ausgeprägte Reaktionen auf Niederschlagsereignisse in derartigen Einzugsgebieten die Regel. Abflusssimulationen mit gängigen Niederschlags-Abfluss-Modellen stellen in Karsteinzugsgebieten daher eine Herausforderung darund sind oft zum Scheitern verurteilt. Folglich ist die Hochwasservorhersage in Karsteinzugsgebieten eine ebenso schwierige Aufgabe. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde ein grundwasserbasierter Modellansatz für die Abflussmodellierung entwickelt und für den Fluss Lauchert und das zugehörige verkarstete Einzugsgebiet im Südwesten von Deutschland angewandt. Der Ansatz berücksichtigt den Transport und die Speicherung von Wasser in der Schneedecke, dem Boden, der vadosen sowie der phreatischen Zone. Die Studie besteht primär aus zwei Teilen: Geländeuntersuchungen und Modellentwicklung. Die Geländeuntersuchungen bestanden aus einer Reihe von Arbeiten zur Erfassung von Informationen über das Einzugsgebiet, relevanten Systemeigenschaften und Daten für die Modellierung, mit dem Zweck bestehendeWissenslücken zu schließen. Mithilfe eines Markierungsversuches konnte ein Karströhrensystem identifiziert werden, durch das Wasser im Untergrund aus dem oberflächlichen Einzugsgebiet geleitet wird. Messungen der Bodenfeuchtedynamik gaben Aufschluss über die wichtige Rolle der Bodenzone für Reaktionen des Abflusses auf Niederschlagsereignisse. Durch die Beobachtung von Quellschüttungen und der Grundwasserdynamik im obersten Teileinzugsgebiet konnte gezeigt werden, dass dieser Bereich durch seichten Karst aufgebaut ist, was im Kontrast zum übrigen Untersuchungsgebiet steht. Weiterhin konnte darauf geschlossen werden, dass episodische und sporadische Quellaustritte als Überlauf für den Grundwasserleiter fungieren und dadurch eine wichtige Rolle für die Entstehung von Hochwasser spielen. Die Erkenntnisse aus den Geländeuntersuchungen wurden für die Modellentwicklung und -anwendung genutzt. Für die Simulationen wurden zwei Arten von numerischen Modellen entwickelt und umgesetzt, ein flächendifferenzierter und ein generalisierter („lumped“) Ansatz. Ein flächendifferenziertes Bodenwasserhaushaltsmodell wurde, mit dem Ziel heterogene Prozesse in und über der Bodenzone abzubilden, zur Berechnung der Neubildung eingesetzt. Für die Abbildung der vadosen und phreatischen Zone sowie der Gewässer, wurde eine generalisierte Modellierungsumgebung entwickelt und auf der Ebene von Teileinzugsgebieten im Untersuchungsgebiet angewandt. Durch das Modell können Heterogenitäten im Untergrund, die eine wichtige Rolle für die Entstehung von oberflächlichem Abfluss spielen, konzeptionell abgebildet werden. Mit den entwickelten Werkzeugen war es möglich, Abflussganglinien von oberflächlichen Gewässern und Quellen mit hoher zeitlicher Auflösung erfolgreich zu simulieren. Es konnte gezeigt werden, dass der ausschließlich auf das Grundwasser fokussierte Ansatz für das Gewässer eingesetzt werden kann, selbst für die Simulation von Hochwasser. Eine vergleichende Modellanalyse ergab weiterhin, dass sich die Modellergebnisse signifikant verschlechtern, sobald die relevanten Grenzen des Grundwassereinzugsgebietes nicht beachtet und stattdessen die des oberflächlichen Einzugsgebietes genutzt werden. Die Bedeutung der Grundwasserströmung für die Abflussbildung in Karsteinzugsgebieten wird dadurch hervorgehoben. Die entwickelten Modelle können „nowcast“ und Vorhersagedaten des Wetterdienstes direkt für die Simulationen nutzen. Damit werden auch bei kurzen Reaktionszeiten im Gewässer Hochwasservorwarnungen und -prognosen ermöglicht.