Modelling the evolution of karst aquifers in three dimensions: Conceptual models and realistic scenarios

Abstract

This work presents the development of three--dimensional karst evolution models for various settings and conditions. As karst aquifers are very sensitive to changes of their hydraulic boundary conditions a comprehensive understanding of the governing processes inside a karst aquifer is indispensable. Especially if a karst aquifer is influenced by anthropogenic utilization like e.g. the construction of a dam--site, the resulting changes inside the aquifer need to be understood as good as possible to prevent any unpredictable incidents. The use of numerical models to simulate the development of a karst aquifer is therefore a suitable tool in the preliminary investigations. It will be shown that simple three--dimensional dam--site models can be used to evaluate the parameters that control the karst aquifer evolution. Based on these simple models an enhanced three--dimensional model of a real dam--site is developed. This model is used to simulate the evolution of the aquifer close to this dam--site and to expose how the construction of the dam influenced the nearby bedrock significantly. It is shown that the karstified zone around the dam--site is the reason for the subsidence of an adjacent highway. The presented numerical results can be verified by field observations. Additionally to the dam--site models a three--dimensional model approach is presented that describes the formation of large collapse dolines. Collapse dolines are significant surface features of karst landscapes and their evolution which is usually linked to a subsurface karst system is of high interest in the karst community. To simulate the evolution and interaction of such a doline system, a three--dimensional model with several spatially distributed dolines is used. There, based on the concept of a mechanically weakened crushed zone, the evolution over time is presented. The applied collapsing mechanism used in this work also allows to estimate the bedrock removal and surface lowering over time. The determined rates are in good agreement with values reported in literature.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von dreidimensionalen Karst -- Evolutions -- Modellen für variierende Konfigurationen. Da Karstaquifere sehr empfindlich auf Veränderungen ihrer hydraulischen Randbedingungen reagieren, ist ein umfassendes Verständnis der Prozesse innerhalb eines Karstaquifers unverzichtbar. Insbesondere bei anthropogener Nutzung eines Aquifers, wie z.B. dem Bau eines Staudammes, müssen die sich daraus ergebenden Veränderungen so detailliert wie möglich untersucht werden, um unvorhersehbare Zwischenfälle zu verhindern. Die Verwendung von numerischen Modellen, um die Entwicklung eines Karstaquifers zu simulieren, ist daher ein geeignetes Instrument in der Vorerkundung betreffender Gebiete. Diesbezüglich zeigt diese Arbeit, dass mit Hilfe einfacher dreidimensionaler Damm Modelle die Parameter, welche die Aquiferevolution steuern, untersucht werden können. Ausgehend von diesen einfachen Modellen wird ein erweitertes dreidimensionales Modell eines echten Staudammes präsentiert. Dieses Modell wird verwendet, um die zeitliche Entwicklung des Aquifers unterhalb dieses Dammes zu simulieren. Darüber hinaus werden die signifikanten Änderungen am anstehenden Gestein, verursacht durch den Bau des Staudammes, dargelegt. Es erweist sich, dass die entstandene verkarstete Verwitterungszone der Auslöser für die Absenkung der angrenzenden Autobahn ist. Die hier vorgestellten numerischen Ergebnisse stehen in gutem Einklang mit den Ergebnissen der Geländemessungen. Zusätzlich zu den Damm Modellen wird ein dreidimensionales Modell, dass die Entstehung von großen Einsturzdolinen beschreibt, vorgestellt. Einsturzdolinen sind signifikante Oberflächenmerkmale von Karstlandschaften und von großem Interesse für die Karst Gemeinschaft, da ihre Entwicklung und Entstehung im Regelfall eng mit unterirdischen Karstsystemen verknüpft ist. Um die Entstehung und Interaktion von Einsturzdolinen zu untersuchen, wird ein dreidimensionales Modell mit mehreren räumlich verteilten Dolinen verwendet. Mit diesem Modell wird, basierend auf dem Konzept einer räumlich begrenzten und mechanisch geschwächten Störungszone als initiale Bedingung für die Entstehung einer Einsturzdoline, ihre zeitliche Entwicklung präsentiert. Der in dieser Arbeit verwendete Einsturzmechanismus erlaubt eine realistische quantitative Aussage über die durch Lösungsprozesse entfernte Gesteinsmenge und der daraus resultierenden Oberflächenabsenkung. Die ermittelten Werte sind in guter Übereinstimmung mit den bekannten Literaturwerten.