New insights into hydraulic processes and water quality dynamics of alpine karst systems

Karstaquifere sind wichtige Wasserressourcen für die Trinkwasserversorgung, vor allem in
alpinen Regionen. Neue Studien schätzen, dass weltweit über 800 Mio. Menschen auf
Trinkwasser aus Karstgebieten angewiesen sind. Angesichts des steigenden Wasserbedarfs in
vielen Teilen der Welt bieten Karst-Aquifere ein enormes Potenzial für die zukünftige
Wasserversorgung. Karstquellen weisen aufgrund der besonderen Eigenschaften der Karst-
Aquifere oft eine hohe Variabilität der Wassermenge und -qualität auf. Karst-Aquifere weisen
eine starke hydraulische Anisotropie und Heterogenität auf und sind daher sehr anfällig für
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Verunreinigungen. Um diese Art von Wasserressourcen nutzen zu können, sind angepasste
Managementstrategien und vor allem eine detaillierte Kenntnis der Funktionsweise des jeweiligen
Aquifers von besonderer Bedeutung. Angesichts des steigenden Wasserbedarfs und des
Klimawandels ist ein tiefgreifendes Verständnis der hydrogeologischen Verhältnisse unerlässlich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden alpine Karst-Aquifere untersucht, um konzeptionelle Modelle
für die verschiedenen Aquifere zu entwickeln, um ein besseres Wissen über die Funktionsweise
für ihre zukünftige Nutzung für die Wasserversorgung zu erhalten.
Umfangreiche Felduntersuchungen und hydrochemische Analysen wurden durchgeführt und
führten zu einem hydrogeologischen Konzeptmodell für das von der Marulbachquelle entwässerte
Karstaquifersystem, das in Kapitel 2 vorgestellt wird. In dieser Studie wurde das Wasser einer
Quelle, die ein komplexes Karbonat-Gipskarst-System entwässert, hydrogeochemisch untersucht.
Die Reaktion der Quelle auf ein Niederschlagsereignis wurde untersucht, um die relevanten
hydrologischen Prozesse zu identifizieren, die die Hydrochemie der Quelle beeinflussen, und um
die Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen und den Conduit-Matrix-Austausch zu verstehen.
Vergleiche von Ionenverhältnissen zeigen, dass sowohl Karbonat- als auch Gipsgesteine die
Wasserchemie der Quelle beeinflussen. Es wurde ein konzeptionelles Modell des Quellverhaltens
unter Niedrig- und Hochwasserbedingungen, einschließlich der Conduit-Matrix-
Wechselwirkung, entwickelt, das die Beobachtungen erklären kann. Die Ergebnisse dieser Studie
zeigen, dass 1) die Quelle unter Niedrigwasserbedingungen durch einen hohen Sulfatgehalt
gekennzeichnet ist, während nach Niederschlagsereignissen die Wasserchemie von
Hydrogenkarbonat dominiert wird; 2) eine Änderung der Wasserchemie mit einer signifikanten
Verschiebung von Niedrigwasser- zu Hochwasserbedingungen verbunden ist und 3) wie die
Abfluss-Sulfat-Beziehung zeigt, ist die Conduit-Matrix-Wechselwirkung ein wichtiger Faktor,
der das Verhalten der Quelle deutlich beeinflusst.
Die Studie in Kapitel 2 gibt allgemeine Informationen über die Funktionsweise des Aquifers, aber
keine Informationen über die Dynamik der Kontamination. Daher konzentriert sich die zweite
Studie dieser Arbeit (Kapitel 3) auf die Charakterisierung der Kontaminationsdynamik und die
Entwicklung eines Echtzeit-Warnsystems für organische und bakterielle Kontaminationen.
Mit Hilfe eines fluoreszenzbasierten Multiparameter-Ansatzes wurde die Dynamik von
organischem Kohlenstoff, Fäkalbakterien und Partikeln an drei alpinen Karstquellen
charakterisiert. Beim ersten System waren die Peak A-Fluoreszenz und der gesamte organische
Kohlenstoff (TOC) stark korreliert, was darauf hindeutet, dass ein großer Teil der organischen
Substanz mit huminstoffähnlichen Substanzen in Verbindung steht. Proteinähnliche Fluoreszenz
und kultivierungsbasierte Bestimmungen von coliformen Bakterien wiesen ebenfalls eine
signifikante Korrelation auf, was darauf hinweist, dass die proteinähnliche Fluoreszenz direkt mit
fäkalen Verunreinigungen zusammenhängt. Zusätzlich gab es eine starke Korrelation zwischen
kleinen Partikelfraktionen, einem sekundären Trübepeak und Bakterien. An einer dieser Quellen
war der Abfluss trotz der Reaktion aller anderen Parameter auf das Niederschlagsereignis
konstant. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass 1) alle drei Quellen nach Regenereignissen
schnelle und deutliche Reaktionen aller untersuchten Wasserqualitätsparameter aufwiesen; 2) ein
konstanter Abfluss nicht unbedingt eine konstante Wasserqualität bedeutet; 3) bei hohen
Verschmutzungsgraden die proteinähnliche Fluoreszenz ein guter Indikator für bakterielle
Verunreinigungen ist, während bei niedrigen Verschmutzungsgraden keine Korrelation zwischen
proteinähnlicher Fluoreszenz und bakteriellen Werten festgestellt wurde; und 4) eine
Kombination aus Fluoreszenzmessungen und Partikelgrößenanalyse ein vielversprechender
Ansatz für eine schnelle Beurteilung der organischen Verschmutzung ist, insbesondere im
Vergleich zu zeitaufwendigen konventionellen bakteriellen Bestimmungsmethoden.
Die in Kapitel 3 beschriebene Studie zeigte, dass die proteinähnliche Fluoreszenz ein
vielversprechendes Werkzeug für ein Echtzeit-Kontaminationsanzeigesystem ist. Da die
Transporteigenschaften und das Transportverhalten von Tryptophan und Huminstoffen noch
unzureichend bekannt sind, konzentriert sich Kapitel 4 auf das Transportverhalten von
Tryptophan und huminstoffähnlichen Stoffen.
In der in Kapitel 4 beschriebenen Studie wurde ein vergleichender Tracerversuch in einem
Epikarstsystem durchgeführt, um die Transporteigenschaften und das Verhalten von Tryptophan
und Huminsäuren zu untersuchen. Diese beiden Tracer wurden mit dem konservativen Tracer
Uranin verglichen. Die Fluoreszenzmessungen wurden mit einem Online-Feldfluorimeter und im
Labor durchgeführt. Die erhaltenen Durchgangskurven und die Modellierungsergebnisse zeigen,
dass 1) das Online-Feldfluorimeter für Echtzeit-Fluoreszenzmessungen aller drei Tracer geeignet
ist; 2) die Transportparameter von Uranin, Tryptophan und Huminsäuren in den schnellen
Fließwegen des Karstsystems vergleichbar sind; 3) dass in den langsameren und längeren
Fließpfaden, im Vergleich zu Uranin und Tryptophan, die Transportgeschwindigkeiten von
Huminsäuren langsamer und die Verweilzeiten entsprechend höher sind; 4) die erhaltenen
Durchgangskurven zusätzliche Informationen über das untersuchte Karstsystem liefern.
Zusammenfassend zeigen diese Experimente, dass das Transportverhalten von Uranin und
Tryptophan vergleichbar ist während Huminsäuren langsamer und verzögert transportiert werden.
Diese Erkenntnisse erlauben eine bessere und quantitative Interpretation von Ergebnissen wenn
diese Substanzen als natürliche Fäkal- und Kontaminationsanzeiger verwendet werden.
Klimawandel und Starkregenereignisse sind besondere Herausforderungen bei der
Bewirtschaftung alpiner Karstgrundwasserleiter. In der in Kapitel 5 beschriebenen Studie werden
die Ergebnisse von Untersuchungen eines hochalpinen Karstsystems im UNESCOBiosphärenreservat
Großes Walsertal in Österreich vorgestellt, das über ein klar definiertes
hydrogeologisches Einzugsgebiet verfügt und von nur einem Quellsystem entwässert wird. Die
Ergebnisse zeigen, dass 1) das untersuchte System ein hochdynamischer Karst-Aquifer mit
ausgeprägten Reaktionen auf Niederschlagsereignisse von Schüttung und elektrischer
Leitfähigkeit ist; 2) die geschätzte transiente atmosphärische CO2-Senke für das untersuchte
Karstsystem ca. 270 t/a beträgt; 3) die berechnete Denudationsrate für die auftretenden
Karbonatgesteine im Untersuchungsgebiet zwischen 23 und 47 mm/1000a beträgt und 4) das
Niederschlags- Abflussverhalten und die innere Strömungsdynamik des untersuchten
Karstsystems erfolgreich mit dem Softwarepaket KarstMod simuliert werden kann. Die
Modellierungsergebnisse zeigen die Bedeutung der Matrix als Speicher, insbesondere in
Niedrigwasserperioden. Gerade im Hinblick auf den Klimawandel kann diese Forschung einen
Beitrag zum besseren Verständnis und Management der alpinen Karstaquifere leisten und
initiieren.
In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Wasserqualität und Wasserquantität im
Zusammenhang mit Karstaquiferen im Lechquellengebirge in Vorarlberg, Österreich, vorgestellt.
Der Untersuchungsansatz und die erzielten Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis der
jeweiligen Karstsysteme und liefern eine wertvolle Grundlage für die zukünftige Nutzung dieser
Aquifere für die Trinkwasserversorgung.

Karst aquifers are important water resources for drinking water supply, especially in alpine
regions. Recent studies estimate that over 800 Mio. people worldwide rely on drinking water from
karst areas. In view of the increasing water demand in many parts of the world, karst aquifers
offer an enormous potential for future water supply. Karst springs often show a high variability
in water quantity and quality because of the special characteristics of karst aquifers. Karst aquifers
reveal a strong hydraulic anisotropy and heterogeneity and are therefore highly vulnerable to
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contamination. To use these kind of water resources, adapted management strategies and
especially a detailed knowledge of the functioning of the respective aquifer is of special
importance. In view of the increasing water demand and climate change, a profound
understanding of the hydrogeological conditions is essential.
Within this thesis, alpine karst aquifers were investigated in order to develop conceptual models
for the different aquifers to gain a better knowledge of the functioning of these aquifers for their
use for water supply.
Extensive field studies and hydrochemical analysis were carried out and resulted in a
hydrogeological conceptual model for the karst aquifer system drained by the Marulbachquelle
(MBQ), which is presented in chapter 2. In this study, hydrogeochemical investigations
characterized the water of a spring draining a complex carbonate-gypsum karst system. The
reaction of the spring to a rainfall event was examined to identify the relevant hydrological
processes controlling the hydrochemistry of the spring, and to understand water-rock interactions
and conduit-matrix exchange. Comparisons of ion ratios show that both carbonate and gypsum
rocks influence the water chemistry of the spring. A conceptual model of the spring behavior
during low-flow and high-flow conditions, including conduit-matrix interaction, was developed
which can explain the observations. Results of this study demonstrated that 1) during low-flow
conditions, the spring is characterized by high sulfate content, while after rainfall events, the water
chemistry is dominated by bicarbonate; 2) a change in water chemistry is associated with a
significant shift from low-flow to high-flow conditions; and 3) conduit-matrix exchange is an
important factor as shown by the discharge-sulfate relationship and clearly influences the
behavior of the spring and the matrix acts as water storage.
The study in chapter 2 gives general information about the functioning of the aquifer but no
information about the contamination dynamics. Therefore, the second study of this thesis
(chapter 3) focuses on the characterization of the contamination dynamics and the development
of a real-time warning system for organic and bacterial contamination.
A fluorescence-based multi-parameter approach was used to characterize the dynamics of organic
carbon, faecal bacteria, and particles at three alpine karst springs. At the first system, peak A
fluorescence and total organic carbon (TOC) were strongly correlated, indicating that a large part
of the organic matter is related to humic-like substances. Protein-like fluorescence and
cultivation-based determinations of coliform bacteria also had a significant correlation, indicating
that protein-like fluorescence is directly related to faecal pollution. Additionally, there was a
strong correlation between small particle fractions, a secondary turbidity peak and bacteria. At
one of these springs, discharge was constant despite the reaction of all other parameters to a
rainfall event. The results of this study demonstrated that 1) all three springs showed fast and
marked responses of all investigated water-quality parameters after rain events; 2) a constant
discharge does not necessarily mean constant water quality; 3) at high contamination levels,
protein-like fluorescence is a good indicator of bacterial contamination, while at low
contamination levels no correlation between protein-like fluorescence and bacterial values was
detected; and 4) a combination of fluorescence measurements and particle-size analysis is a
promising approach for a rapid assessment of organic contamination, especially relative to timeconsuming
conventional bacterial determination methods.
The study described in chapter 3 showed that protein-like fluorescence is a promising tool for a
real-time contamination indication system. As the transport properties and transport behaviour of
tryptophan and humic substances are still insufficiently known, chapter 4 focuses on the transport
behaviour of tryptophan and humic-like substances.
In the study described in chapter 4, a comparative tracer test in a karst experimental site was
conducted to investigate the transport properties and behavior of tryptophan and humic acid.
These two tracers were compared with the conservative tracer uranine. Fluorescence
measurements were conducted with an online field fluorometer and in the laboratory. The
obtained breakthrough curves (BTCs) and the modeling results demonstrate that 1) the online
field fluorometer is suitable for real-time fluorescence measurements of all three tracers; 2) the
transport parameters obtained for uranine, tryptophan and humic acid are comparable in the fast
flow areas of the karst system 3) the transport velocities of humic acid are slower and the resulting
residence times are accordingly higher, compared to uranine and tryptophan in the slower and
longer flow paths; 4) the obtained BTCs reveal additional information about the investigated karst
system. As a conclusion, the experiments show that the transport properties of tryptophan are
similar to those of uranine while humic acid is partly transported slower and with retardation.
These findings allow a better and quantitative interpretation of the results when these substances
are used as a natural faecal and contamination indicators.
Climate change and heavy rainfall events are special challenges in managing alpine karst aquifers
which possess an enormous potential for future drinking water supply. In the study described in
chapter 5, we present the results of investigations of a high alpine karst system in the UNESCO
Biosphere Reserve Großes Walsertal in Austria, which has a clearly defined catchment and is
drained by only one spring system. The results show that 1) the investigated system is a highly
dynamic karst aquifer with distinct reactions to rainfall events in discharge and electrical
conductivity; 2) the estimated transient atmospheric CO2 sink for the investigated karst system is
about 270 t/a; 3) the calculated denudation rate for the outcropping carbonate rocks in the
investigation area is between 23 and 47 mm/1000a and 4) the rainfall discharge behavior and the
internal flow dynamics can be successfully simulated using the modelling package KarstMod.
The modelling results indicate the importance of matrix storage in determining the discharge
behavior of the spring, especially during low-flow periods. Especially with regard to climate
change, this research can contribute and initiate a better understanding and management of alpine
karst aquifers.
This thesis presents different water quality and water quantity aspects related to karst aquifers in
the Lechquellen Mountains in Vorarlberg, Austria. The investigation approach and the obtained
results lead to a better understanding of the karst systems and deliver a valuable base for the use
of these aquifers for drinking water supply.