Grundwasser in Karstaquiferen fließt durch zwei Arten von Netzwerken: röhren-artige Frakturen und Höhlen. Die Formen sind miteinander verbunden, haben aber unterschiedliche Einflüsse auf das Fließverhalten des Grundwassers. Der Grundwasserfluss in Karstgestein kann in numerischen Modellen mit unterschiedlicher Komplexität dargestellt werden, um den Fluss durch die verschiedenen Karstformen separat (Multi-Kontinuum-Ansätze) oder in Kombination (Einzel-Kontinuum-Ansätze) zu simulieren. Multi-Kontinuum-Ansätze haben den Vorteil, genauer zu sein, erfordern aber meist mehr Eingabedaten und Rechenleistung. Für die Produkte von MedWater (z.B. das Decision Support System) wird ein einfaches, schnell laufendes Modell benötigt. Zu diesem Zweck wurde mit dem Grundwassermodellierungs-Programm MODFLOW des United States
Geological Surveys ein Einzelkontinuummodell erstellt.
Numerische Modelle werden in der Regel „deterministisch“ parametrisiert – das heißt hydraulische Parameter werden angepasst, bis die Ergebnisse (z.B. Grundwasserstände an ausgewählten Punkten) mit historischen Beobachtungen übereinstimmen. Diese Methode kann eine große Menge an Beobachtungsdaten erfordern, um ein gutes Endergebnis zu erzielen. Außerdem ist es nicht möglich, den Unsicherheitsgrad des Modells zu quantifizieren. Bei unserem Einzelkontinuummodell wird eine alternative, statistisch-basierte („stochastische“) Methode eingesetzt, um ihr Potenzial in Gebieten mit Datenknappheit zu untersuchen.
Da die wichtigsten hydraulischen Parameter in Karst-Aquiferen (hydraulische Leitfähigkeit, Wasserspeicherung) stark von der Verteilung der Karststrukturen beeinflusst werden, verwendet die stochastische Methode ein Programm zur zufälligen Bestimmung von Karstnetzwerken, den Stochastic Karst Simulator (SKS). Der Simulator wurde an der Universität Neuenburg entwickelt (siehe Borghi et al., 2012). Der SKS-Algorithmus nutzt Informationen über die geologische Entwicklung des Grundwasserleiters, um ein Karstnetzwerk zu erzeugen. Dazu gehören historische Standorte von Zu- und Abflüssen zum Karstsystem und die Löslichkeit verschiedener Gesteine im Grundwasserleiter. Auf diese Weise können allgemeine geologische Informationen zur Programmierung des Grundwassermodells genutzt werden, wodurch die Abhängigkeit von knappen Beobachtungsdaten reduziert wird.
Die in diesem Modell verwendeten Schätzungen der Grundwasserneubildung basieren auf den hier beschriebenen Analysemethoden.
Erste Ergebnisse
Eine Untersuchung der geologischen Entwicklung des Grundwasserleiters zeigt, dass sich Karststrukturen in zwei Hauptphasen gebildet haben: (i) während der Messinischen Salinitätskrise (vor 5,96 – 5,33 Millionen Jahren), als der Meeresspiegel im Mittelmeer niedriger lag, was zur Bildung von Karstsystemen führte, die 100 Meter unter dem heutigen Grundwasserspiegel liegen, und (ii) in jüngerer Zeit, in der die Grundwasserverhältnisse ähnlich wie heute sind (Abfluss aus den Yarkon und Taninim Quellen). Dieses zweiphasige konzeptionelle Modell wird zur Programmierung des SKS verwendet.
Ein erste Version des MODFLOW-Modells simuliert sehr genau die Beobachtungen des Grundwasserspiegels vor der Erschließung und Nutzung des WMA (Abbildung 3). Die Simulation reproduziert ebenfalls die wichtigsten Veränderungen der Ausflussmengen an den beiden Hauptquellen (Abbildung 4); insbesondere die Reaktivierung der Yarkon Quelle nach dem extrem regenreichen Jahr 1991/92.
