Abstract:
Karstgrundwasserleiter sind wichtige Grundwasserressourcen, da weltweit viele Menschen teilweise oder sogar vollständig von Karstwasser abhängen. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ist die Verfügbarkeit und Qualität der Karstwässer hoch variabel. Daher sind für eine nachhaltige Nutzung dieser Wasserressourcen angepasste Bewirtschaftungsstrategien unerlässlich. Besonders in tropischen und subtropischen Gebieten, wie beispielsweise in Südostasien, erschweren die klimatischen Bedingungen mit Trocken- und Regenzeit, eine kontinuierliche Trinkwasserversorgung. Neben der Wasserknappheit in der Trockenzeit, stellt vor allem die schlechte mikrobielle Wasserqualität zur Regenzeit eine Bedrohung für die Gesundheit der Bevölkerung dar. ... mehrDie Stadt Dong Van im Norden Vietnams sieht sich mit einer wachsenden Bedrohung durch Wasserknappheit und schlechter Wasserqualität konfrontiert. Die Ernennung des Dong Van Karst Plateaus zum UNESCO Global Geopark im Jahr 2010, führt zu stark steigenden Touristenzahlen, was den Druck auf die ohnehin bereits angespannte Wasserversorgungslage weiter verstärkt. Um den steigenden Wasserbedarf decken und die Grundwasserressourcen vor Verunreinigungen und Übernutzung schützen zu können, ist ein tiefgehendes Verständnis der hydrogeologischen Bedingungen vor Ort essentiell.
Umfangreiche Geländearbeiten wurden durchgeführt, einschließlich Kartierungen, Markierungsversuche und hydrochemischen Untersuchungen. Auf dieser Grundlage wurde ein hydrogeologisches Konzeptmodell für das geologisch komplexe Gebiet von Dong Van erstellt, das in Kapitel 2 vorgestellt wird. Vier Wassertypen konnten physikochemisch unterschieden werden, wobei die wichtigsten dem Bac Son Karstaquifer und dem Na Quan Kluftaquifer zugeordnet werden können. Um die mikrobielle Wasserqualität der verschiedenen Wasserressourcen beurteilen zu können, wurden die drei Fäkalindikatorbakterien (FIB) Escherichia coli (E. coli), enterococci und thermotolerante Gesamtcoliforme analysiert. Obwohl alle untersuchten Quellen mit Fäkalkeimen belastet waren, konnten folgende Zusammenhänge festgestellt werden: (1) Quellen der Bac Son Formation waren mikrobiell am stärksten belastet, vor allem wenn sie über die Poljenstaffelung mit Bachschwinden verbunden sind. (2) Die Quellfassung beeinflusst die mikrobielle Wasserqualität, da die üblichen Speichertanks anfällig für einen unwissentlichen Schadstoffeintrag durch die Quellnutzer sind. (3) Die Konzentrationen von FIB unterliegen jahreszeitlichen Schwankungen, mit höheren Werten in der Regenzeit.
Aufgrund der starken hydrologischen Variabilität und der räumlichen Heterogenität von Transporteigenschaften im Karst, unterliegt die Wasserqualität im Allgemeinen starken Schwankungen. Daher konzentriert sich die zweite Studie (Kapitel 3) auf die Charakterisierung von Fließ- und Transportparametern in einem Karströhrensystem. Es wurden sechs Markierungsversuche durchgeführt, wobei die Eingaben und die Beprobungen an vier Stellen entlang des Fließsystems vorgenommen wurden: der Bachschwinde, zwei Stellen in der Höhle und an zwei benachbarten Quellen, die das System entwässern. Die Durchganskurven wurden mit einem eindimensionalen Advektions-Dispersions-Modell und einem „Two-Region Non-Equilibrium“ Modell berechnet. Um Transportparameter für die einzelnen Abschnitte des Fließsystems zu erhalten, wurde ein innovativer Ansatz für die Datenauswertung gewählt. Dabei wurde die Durchgangskurve eines Abschnittes als Multi-Puls Eingabefunktion für den nächsten Abschnitt verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Fließgeschwindigkeiten in Fließrichtung aufgrund abnehmender Gradienten abnehmen, die Dispersivität jedoch im mittleren Höhlenabschnitt am größten ist. Für das gesamte System ergaben die Untersuchungen, dass die mittlere Fließgeschwindigkeit mit steigender Schüttung von 183 auf 1,043 m/h ansteigt. Gleichzeitig nimmt der Anteil von immobilen Fluidbereichen im System ab. Es zeigte sich, dass die Dispersivität bei mittleren Schüttungen am kleinsten ist.
Das Wasser des Höhlensystems wird von einer geplanten und fast fertiggestellten Wasserversorgungsanlage genutzt werden. Daher wurde die Wasserqualität der Quelle, die das Höhlensystem entwässert, in der dritten Studie (Kapitel 4) dieser Arbeit untersucht. Aufgrund der hohen Variabilität von Karstquellen sind schnelle Untersuchungsmethoden erforderlich, um die Qualitätsschwankungen beobachten zu können. In dieser Studie erwies sich die Bestimmung der Enzymaktivität von E. coli als wertvolles Werkzeug. Mit einem mobilen, automatischen Prototypen des ColiMinders, konnte die Aktivität von beta-D-Glucuronidase (GLUC) überwacht werden. Mehrere hydrologische, hydrochemische, physikochemische und mikrobiologische Parameter, wie Schüttung, Trübe, Partikelgrößenverteilung und E. coli wurden bei einer zehntägigen Monitoring-Kampagne zeitlich hochaufgelöst gemessen, um die Beziehung zwischen GLUC Aktivität und Schüttungs-dynamiken bzw. Kontaminationsmustern zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass anthropogene und landwirtschaftliche Aktivitäten zu einem komplexen Kontaminationsmuster mit hohen E. coli Konzentrationen und GLUC-Aktivitäten führen, die tageszeitlichen Schwankungen unterliegen. Diese Tagesschwankungen konnten auch in den Partikelkonzentrationen der kleinen Größenklassen (<10 µm) beobachtet werden, was sich in signifikanten Korrelationskoeffizienten wiederspiegelt. Deutlich stärkere Korrelationen zwischen GLUC Aktivität und E. coli bzw. Konzentrationen der 2-3 µm Partikel konnten für ein einzelnes Regenereignis erzielt werden. Dennoch unterscheiden sich die Ergebnisse der GLUC Aktivität und E. coli im Detail, was durch lebende, aber nicht kultivierbare Zellen (VBNC) erklärt werden kann. Die Studie zeigt aber, dass die GLUC Aktivität ein vielversprechender, ergänzender Parameter für ein vor Ort und nahezu Echtzeit-Monitoring der Wasserqualität ist, besonders in Kombination mit den kleinen Partikelgrößenklassen.
In dieser Arbeit wird die Wasserqualität subtropischer Karstwasserressourcen mit einem differenzierten Blick auf verschiedenen Ebenen betrachtet. Dieser ganzheitliche Ansatz führt zu einem besseren Verständnis von subtropischen Karstsystemen. Außerdem liefert es eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von angepassten Strategien zur nachhaltigen Wasserbewirtschaftung. Die vorgestellten Methoden und Ansätze können auf andere entlegene Karstgebiete unter subtropischen und tropischen Klimabedingungen übertragen und bei deren Untersuchung eingesetzt werden.
Abstract (englisch):
Karst aquifers are important groundwater resources, considering that many people across the world partly or even entirely depend on karst water. The special characteristics of karst aquifers result in a high variability in water availability and quality. Therefore, adapted water management strategies are crucial to use these water resources in a sustainable way. Especially in tropical and subtropical areas, like in Southeast Asia, the climate conditions with dry and rainy seasons hamper a continuous freshwater supply. In addition to severe water scarcity during dry seasons, a poor microbial water quality poses a threat to human health of the local population. ... mehrThe city Dong Van in Northern Vietnam faces increasing water scarcity and water quality problems. The designation as a UNESCO Global Geopark in 2010, called the Dong Van Karst Plateau, has led to a strong increase in tourist numbers, which enhance the pressure on the already tensed water supply situation. To meet the raising water demand and to protect groundwater resources against contamination and overexploitation, a profound understanding of the local hydrogeological conditions are essential.
Extensive field studies, including mapping, tracer tests and hydrochemical analyses were carried out and resulted in a hydrogeological conceptual model for the geologically complex karst area of Dong Van, which is presented in chapter 2 of the thesis. Four different physicochemical water types were identified, whereby the most important ones correspond to the karstified Bac Son and the fractured Na Quan aquifer. To evaluate the microbial water quality of the different water resources, analyses of three types of faecal indicator bacteria (FIB) Escherichia coli (E. coli), enterococci and thermotolerant coliforms were conducted. Although, all studied springs were faecally-impacted, the following relationships could be found: (1) Springs from the Bac Son formation displayed the highest microbial contamination, especially the springs that are involved in a polje series with connections to sinking streams. (2) The type of spring capture affects the water quality. Storage tanks are prone to contamination, since people might unknowingly pollute the water reservoirs. (3) FIB concentrations are dependent on seasonal variation, with higher values during wet season conditions.
Generally, water quality is affected by high fluctuations due to the high degree of hydrologic variability and spatial heterogeneity of transport parameters within karst aquifers. Therefore, the second study of this thesis (chapter 3) focuses on the characterization of flow and transport parameters within a karst conduit system. Six tracer tests were carried out with injections and monitoring at four sites along the flow system: a swallow hole, two sites inside the cave, and two adjacent springs draining the system. Breakthrough curves (BTCs) were modelled with the one-dimensional Advection-Dispersion Model and the Two-Region-Non-Equilibrium Model. In order to obtain transport parameters in the individual sections of the flow system, an innovative evaluation approach was applied. The BTCs from one section were used as a multi-pulse input function for the next section. Using this approach, decreasing flow velocities along flow direction could be revealed due to decreasing gradients. However, dispersivity was highest in the middle section of the cave system. For the entire system, the tracer tests yielded an increase of mean flow velocities from 183 to 1,043 m/h with increasing discharge. Simultaneously, the proportion of immobile fluid regions decreased. Dispersivity was found to be minimal at intermediate discharge.
The water from the cave system described above is used for a projected and almost completed water supply system. For this reason, the water quality of the spring that drains the system is examined in the third study (chapter 4) of this thesis. Due to the high variability of karst springs, rapid assays are required that enable the observation of water quality fluctuations. In this study, the measurement of the enzymatic activity of E. coli is shown to be a valuable tool for water quality monitoring. The monitoring of beta-D-glucuronidase (GLUC) activity was performed by using a prototype of a mobile, automated ColiMinder. With high temporal resolution, multiple hydrological, hydrochemical, physicochemical and microbiological parameters, including discharge, turbidity, particle-size distributions, and E. coli were measured during ten days of on-site monitoring to assess the relationship between GLUC activity, discharge dynamics and contamination patterns. Anthropogenic and agricultural activities led to a complex contamination pattern with high E. coli concentrations and GLUC activity with diurnal fluctuations. This daily dynamic could also be observed for the particle concentrations of small size classes (<10 µm), resulting in significant correlation coefficients. Stronger correlations between GLUC activity and E. coli or the concentration of 2-3 µm particles, were found for an event scale. However, GLUC activity and E. coli displayed significant differences in detail, which may be explained by viable but non-culturable cells. Nevertheless, the study showed that GLUC activity is a promising, complementary parameter for on-site and near real-time water quality monitoring, especially in combination with particle concentrations of small size classes.
The thesis presents a detailed view of water quality aspects in karst water resources on different scales. This holistic approach results in a better understanding of subtropical karst systems and delivers a valuable base in order to develop adapted and sustainable water management strategies. The presented methods and approaches are seen to be transferable and applicable to other remote karst areas under subtropical and tropical climate conditions.