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Karst aquifers are characterized by highly conductive conduit flow paths embedded in a less conductive fissured and fractured matrix resulting in strong permeability contrasts with structured heterogeneity and anisotropy. Groundwater storage occurs predominantly in the fissured matrix. Hence, most karst models assume quasi steady-state flow in conduits neglecting conduit associated drainable storage (CADS). The concept of CADS considers storage volumes, where karst water is not part of the active flow system but rather hydraulically connected to conduits (for example karstic voids and large fractures). The disregard of conduit storage can be inappropriate when direct water abstraction from karst conduits occurs, e.g. large scale pumping. In such cases, CADS may be relevant. Furthermore, the typical fixed head boundary condition at the karst outlet can be inadequate for water abstraction scenarios because unhampered water inflow is possible. The objective of this paper is to analyze the significance of CADS and flow-limited boundary conditions on the hydraulic behavior of karst aquifers in water abstraction scenarios. To this end, the numerical hybrid model MODFLOW-2005 Conduit Flow Process Mode 1 (CFPM1) is enhanced to account for CADS. Additionally, a fixed-head limited-flow (FHLQ) boundary condition is added that limits inflow from constant head boundaries to a user-defined threshold. The affect and proper functioning of these modifications is demonstrated by simplified model studies. Both enhancements, CAD storage and the FHLQ boundary, are shown to be useful for water abstraction scenarios within karst aquifers. An idealized representation of a large-scale pumping test in a karst conduit is used to demonstrate that the enhanced CFPM1 is potentially able to adequately represent water abstraction processes in both the conduits and the matrix of real karst systems.

Identifying principles of water movement in the shallow subsurface is crucial for adequate process-based hydrological models. Hillslopes are the essential interface for water movement in catchments. The shallow subsurface on slopes typically consists of different layers with varying characteristics. The aim of this study was to draw conclusions about the infiltration behaviour, to identify water flow pathways and derive some general interpretations for the validity of the water movement on a hillslope with periglacial slope deposits (cover beds), where the layers differ in their sedimentological and hydrological properties. Especially the described varying influence of the basal layer (LB) as an impeding layer on the one hand and as a remarkable pathway for rapid subsurface stormflow on the other. We used a time lapse 3-D electrical resistivity tomography (ERT) approach combined with punctual hydrometric data to trace the spreading and the progression of an irrigation plume in layered slope deposits during two irrigation experiments. This multi-technical approach enables us to connect the high spatial resolution of the 3-D ERT with the high temporal resolution of the hydrometric devices. Infiltration through the uppermost layer was dominated by preferential flow, whereas the water flow in the deeper layers was mainly matrix flow. Subsurface stormflow due to impeding characteristic of the underlying layer occurs in form of organic layer interflow and at the interface to the first basal layer (LB1). However, the main driving factor for subsurface stormflow is the formation of a capillary barrier at the interface to the second basal layer (LB2). The capillary barrier prevents water from entering the deeper layer under unsaturated conditions and diverts the seepage water according to the slope inclination. With higher saturation, the capillary barrier breaks down and water reaches the highly conductive deeper layer. This highlights the importance of the capillary barrier effect for the prevention or activation of different flow pathways under variable hydrological conditions.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.