Etwa 25 % der Menschheit bezieht ihr Trinkwasser aus Karstgebieten. Gleichzeitig sind Karstaquifere besonders verletzlich gegenüber Verschmutzung. Schadstoffe einschließlich pathogener Mikroorganismen können rasch durch dünne Böden oder offene Spalten in den Untergrund eindringen und sich dort in einem Netzwerk aus Röhren und Höhlen ausbreiten.

Wir beschäftigen uns mit der hydrogeologischen Erforschung von Karstsystemen, wobei Monitoring, Tracerversuche und mathematische Modelle zum Einsatz kommen. Auf dieser Grundlage entwickeln wir Konzepte zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der Karstwasserressourcen.

Ein regionaler Schwerpunkt liegt auf alpinen Karstsystemen, die sich durch eine besonders hohe Komplexität und Dynamik auszeichnen, aber wir arbeiten auch in vielen anderen europäischen Regionen und sind federführend an der Erstellung einer Welt-Karstaquifer-Karte beteiligt.

Blockdiagramm zur Veranschaulichung der hydrogeologischen Funktion eines Karstgrundwasserleiters (Goldscheider & Drew 2007)

Die schlimmste Form der Wasserverschwendung ist Kontamination. Daher kommt dem Schutz des Grundwassers vor Schadstoffeinträgen eine große Bedeutung zu. Aus der Vielfalt der Schadstoffe sowie der Komplexität der Abbau- und Transportprozesse ergeben sich vielfältige wissenschaftliche Fragestellungen mit hoher Praxisrelevanz. Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt dabei auf partikelgebundenen und partikelförmigen Schadstoffen einschließlich pathogener Mikroorganismen.

In ariden Gebieten ist nicht nur die Wasserqualität sondern auch die Bereitstellung ausreichender Wassermengen eine große Herausforderung. Hier setzt das integrierte Wasserressourcen- Management (IWRM) an. Dabei geht es darum, alle verfügbaren Wasserressourcen, einschließlich Abwasser und Brackwasser, sowie alle möglichen Wassernutzungen – vom Trinkwasser bis zur Bewässerung – integriert zu betrachten und die Bewirtschaftung so zu optimieren und zu kombinieren, dass langfristig genügend Wasser in ausreichender Qualität zur Verfügung steht.

Herkunft-Pfad-Ziel-Modell für den Grundwasserschutz. Es wird zwischen dem allgemeinen Ressourcen-Schutz und dem Schutz einer speziellen Trinkwasserfassung (Quelle oder Brunnen) unterschieden (Goldscheider 2009).

Die Qualität hydrogeologischer Modelle und Prognosen steht und fällt mit der Qualität der im Gelände erhobenen Daten. Hierbei kommt Markierungsversuchen und hydraulischen Versuchstechniken wie Pumpversuchen eine wichtige Rolle zu. Markierungsversuche liefern Informationen über unterirdische Verbindungen, Verweilzeiten, Fließgeschwindigkeiten und Prozesse des Schadstofftransports. Pumpversuche ermöglichen die Bestimmung hydraulischer Parameter, wie Transmissivität und Speicherkoeffizient. Diese Techniken werden am Institut ständig weiterentwickelt und für vielfältige praktische und wissenschaftliche Fragestellungen angewandt.

Das primäre Ergebnis eines Markierungsversuchs ist eine Durchgangskurve, aus der viele relevante Transportparameter gewonnen werden können, wie beispielsweise mittlere Verweilzeit, lineare Fließgeschwindigkeit, Dispersion und Wiedererhalt (Goldscheider et al. 2008).

Sowohl die Grundwasserhöhe als auch die Verteilung von Stoffen im Grundwasser sind das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels vieler Einflussfaktoren und stellen ein hochkomplexes, räumlich und zeitlich stark variables Muster dar. Neben meteorologischen Faktoren (Niederschlag, Verdunstung), chemisch-physikalischen Eigenschaften des Grundwasserleiters und der überdeckenden Schichten sowie Transport- und Reaktionsprozessen im Grundwasser selbst spielen anthropogene Einflüsse wie Grundwasserentnahmen, Bewässerung oder allgemein Landnutzung eine Rolle. Obwohl die Anzahl der Messstellen, an denen Grundwasserhöhe und -qualität bestimmt werden, zunächst hoch erscheint, ist das Ergebnis immer auch von der räumlichen Lage der beprobten Messstellen sowie dem Zeitpunkt der Probenahme beeinflusst. Eine Übertragbarkeit auf nicht beprobte Bereich oder Zeiträume ist daher oft schwierig. Darüber hinaus stellen die Messung bzw. Probenahme und Analytik einen erheblichen Aufwand und Kostenfaktor dar.

Obwohl Grundwasserfluss und Stofftransport im Grundwasser weitgehend bekannten chemisch-physikalischen Prozessen folgen ist eine Modellierung mit analytischen oder numerischen Modellen im regionalen oder überregionalen Maßstag in einer sinnvollen räumlichen Auflösung bisher schwierig. Räumliche und zeitliche Beurteilungen und damit verbundene Handlungsempfehlungen oder Maßnahmen basieren daher aktuell weitgehend auf der Regionalisierung von punktuellen Messdaten bzw. der Auswertung von zeitlichen Trends.

KI-Anwendungen, insbesondere Neuronale Netze bzw. Deep Learning Verfahren, wie sie in anderen Disziplinen häufig zur Mustererkennung eingesetzt werden, bieten hier einen deutlichen Mehrwert gegenüber den etablierten Verfahren. Als datenbasierte Modelle sind sie in der Lage, komplexe Zusammenhänge aus einer großen Datenmenge zu extrahieren und zu übertragen.

Die Abteilung Hydrogeologie verfügt über ein langjährige Expertise in der Anwendung von KI im Grundwasserbereich, darunter Projekte zur räumlichen Vorhersage der Grundwasserqualität, zur zeitlichen Vorhersage von Grundwasserständen und zur Messnetzoptimierung.

Ebenenweise vollständig verbundenes Feed-Forward-Netzwerk mit vier Schichten, einer
Eingabeschicht, zwei verdeckten Schichten und einer Ausgabeschicht (Liesch, 2006).

Grundwasser ist nicht nur eine wertvolle Wasserressource für die menschliche Nutzung sondern steht auch in vielfältiger Weise im Austausch mit Oberflächengewässern, terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Die nachhaltige Nutzung und der Schutz der Grundwasserressourcen erfordert intakte Ökosysteme. Auch Grundwasserleiter selbst sind Ökosysteme und bieten Lebensraum für zahlreiche Organismen. Ein Schwerpunkt unserer Forschung ist die Hydrogeologie grundwasserabhängiger aquatischer Ökosysteme und der dort ablaufenden hydrologischen und biogeochemischen Prozesse, mit dem Ziel, diese Systeme besser zu verstehen und zu schützen.

Zusammenhang zwischen Grundwasser-Fließsystemen und grundwasserabhängigen Ökosystemen (Bertrand, Goldscheider et al. 2012)

Immer mehr Menschen leben in Städten. Die urbane Hydrogeologie gewinnt daher ständig an Bedeutung. Hierbei geht es u.a. um die Trinkwasserversorgung der Stadtbevölkerung, die allerdings oft aus entfernten Quellen stammt, da urbane Grundwässer meist stark kontaminiert sind.

Neben den Problemen rund ums urbane Grundwasser sind in den letzten Jahren zunehmend auch die Chancen in den Fokus gerückt: Aufgrund des urbanen Wärmeinseleffekts eignen sich urbane Grundwässer besonders gut zur thermischen Grundwassernutzung. Ein interessanter Spezialfall der urbanen Hydrogeologie sind Thermal- und Mineralwasservorkommen in Großstädten.

Hydrogeologische Karte und Profil des Mineral- und Thermalwassersystems von Stuttgart. Die Quellen befinden sich im Zentrum einer Großstadt und sind daher vielen potentiellen Gefahren ausgesetzt (Goldscheider et al. 2010).