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Lexikon der Geographie: Karsthydrologie

Karsthydrologie, Karsthydrogeologie, spezielle Hydrologie von Karstlandschaften, in denen es trotz positiver Wasserbilanz nicht zur Bildung von Fließgewässern kommt und eine unterirdische Entwässerung der Region erfolgt. Voraussetzung dafür sind anstehende Karstgesteine und ein Gradient zwischen Karstgesteinsregionen und umgebenden oder angrenzenden Regionen mit oberflächlicher Entwässerung. Diese werden als Vorflutergebiete bezeichnet und die Gewässer dieser Regionen als Vorfluter. Es wird unterschieden zwischen seichtem Karst, wobei der Vorfluter eine tiefere Lage als die verkarstungsfähigen Gesteinsschichten hat, und tiefem Karst, bei dem verkarstungsfähige Gesteinsschichten tiefer als der Vorfluter anstehen.
Primär bilden sich im Gebirgskörper Kluftwasserleiter, die aber in der Zeitfunktion durch Lösungsvorgänge zu hydrographisch wegsamen Röhrensystemen erweitert werden. Diese bilden ebenfalls in der Zeitfunktion ein hierarchisches System mit Konzentration der Wasserzirkulation auf Hauptröhrensysteme und wenige Quellaustrittsstellen im Niveau des Vorfluters. Die hydrographisch wegsamen Röhrensysteme bewirken ein Trockenfallen der Hochregion. Das Niederschlagswasser sickert diffus ein oder verschwindet nach kurzen Fließstrecken über Böden oder lokal unreineren Karstgesteinen (Flyschzonen, Mergellinsen) zentriert in großen offenen Schlucklöchern (Ponoren). Flüsse aus Nichtkarstgesteinsregionen (Fremdflüsse, allochthone Flüsse) verlieren über Karstgesteinsuntergrund Wasser, fallen an Flussschwinden trocken, oder verschwinden in Blindtälern an Ponoren vollständig im Untergrund. Nur sehr wasserreichen Fremdflüssen, meist auch bis fast zum Vorfluterniveau eingetieft, gelingt es, in einem Canyon die Karstgesteinsregion zu durchqueren (z.B. Donaudurchbruch durch die Schwäbische Alb, Gorges du Tarn, Gorges du Verdon).
Innerhalb des Gebirges beträgt der wasseraufnahmefähige Hohlraum (Aquifer) nur ca. 1% der Karstgesteine, durch die Größe der Karstgebiete und das Zuführen von ca. 50% des jeweiligen Niederschlags zum Karstwasser gibt es in humiden Regionen hohe Neuwasserbildungsraten. Es bilden sich im Gesteinskörper zwei hydrographisch unterschiedliche Zonen aus. Vom Vorfluter ausgehend erfolgt ein Rückstau in den Karstwasserleitern, wobei aber in den einzelnen Röhren kein einheitlicher Wasserspiegel vorliegt, es entsteht eine Piezometeroberfläche. Alle Röhrensysteme im Bereich dieses Rückstaues und unterhalb des Rückstauniveaus sind stets wassergefüllt. Dies ist die phreatische Zone mit langsamer Wasserbewegung (0,5-5 m/Jahr) und Druckfließen. Oberhalb des Rückstauniveaus ist die vadose Zone. Hier sind die Röhrensysteme nur zeitweise wassergefüllt, gravitatives Fließen mit raschen Wasserbewegungen (1-500 m/ Stunde) sind charakteristisch. Der oberflächennahe Bereich der vadosen Zone, auch als subkutane Zone bezeichnet, wird in jüngeren Arbeiten als Epikarst bezeichnet, ohne dass aber Abgrenzungskriterien vorgegeben sind. Die Wasserbewegungen, die Verweildauer des einsickernden Wassers und die Lösungsprozesse im Epikarst sind nach jüngsten Forschungen und Modellierungen entscheidend für das unterirdische hydrographische Netz und über dieses wesentlich für die Grundwasserneubildung, die Kalklösung und auch für das Verteilungsmuster von Oberflächenformen. Die Modelle sind mathematisch abgesichert, bedürfen aber in vielen Teilen noch der Verifizierung mit den Naturgegebenheiten.
Der phreatisch-vadose Grenzbereich ist in seiner Höhenlage nicht konstant, durch starken und raschen Zufluss bei ergiebigen Niederschlägen oder Schneeschmelze von der Oberfläche erfolgt ein Anstieg der phreatischen Zone zeitweise um bis zu hundert Meter. Der phreatisch-vadose Grenzbereich gilt als die Zone, in der sich Karstwässer mit unterschiedlichen Kalkgehalten mischen. Hier kommt es durch Mischungskorrosion zu verstärkter Lösung der Karstgesteine und damit zur Bildung eines Höhlenniveaus (Höhle).
Der Wasseraustritt aus dem Gebirgskörper erfolgt konzentriert an stark schüttenden (bis zu einigen Tausend Liter/Sekunde) aber auch stark schwankenden (Min. zu Max. bis 1:100) Quellen. Ganzjährig schüttende Quellen werden zur Wasserversorgung und in semihumiden Gebieten auch für Bewässerungskulturen (Bewässerung) genutzt. Als Vauclusequellen werden Quellen bezeichnet, die infolge eines Einzugsgebietes mit großem Gradient tief aus dem phreatischen Bereich aufsteigend schütten. Bei zeitweisem Anstieg der phreatischen Zone erfolgen auch temporär Wasseraustritte an höher über dem Vorfluter gelegenen Hangpositionen (Hungerbrunnen, Bröller, Speilöcher). Es gibt auch Gesteinsöffnungen, die bei hohem Karstwasserstand als Quellen wirken, bei tieferem Karstwasserstand aber Ponorfunktion aufweisen (Estavellen). Bei raschen Änderungen des Vorfluters (postglazialer Meeresspiegelanstieg oder periglaziale Talverschüttungen während der letzten Kaltzeit) bleibt die Karsthydrographie noch eine zeitlang auf das alte Vorfluterniveau eingestellt. Die Folge sind submarine Quellen im Küstenbereich und Quelltöpfe in periglazial aufgeschotterten Talböden (z.B. Blautopf). An den Karstquellen und im Verlauf des aus einer Karstquelle gespeisten Fließgewässers kommt es an Hindernissen infolge CO2-Entgasung zur Abscheidung von Kalktuff.
Ein Sonderfall zur Karsthydrologie ist der "Karst barré", eine Karstgesteinsregion, die von unlöslichen Gesteinen umgeben ist und trotz Gradient der Gesamtregion zum Umland überwiegend phreatische Bedingungen aufweist (Kalkmulden des Rheinischen Schiefergebirges).
Störungen der Karsthydrographie gibt es lokal durch petrographische Faktoren, wenn durch Lösungsrückstände bei unreinen Karstgesteinen die Lösungsröhren kolmatiert werden. Klimatische Gegebenheiten können die Karsthydrographie für Abschnitte der Erdgeschichte außer Funktion setzen. Permafrost verschließt die Einsickerungsmöglichkeiten oder nahezu vegetationsfreie Trockengebiete mit Starkregenereignissen lassen den hohen Wasseranfall trotz entwickelter unterirdischer Röhrensysteme oberflächlich abfließen. Trockentäler sind Zeugen solcher Ereignisse in der erdgeschichtlichen Vergangenheit, sie sind als Erosionsformen durch Fließgewässer entstanden, aber unter den heutigen klimatischen Bedingungen trockengefallen.

KP

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
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Stephan Meyer

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