Neue Erkenntnisse zur Struktur der Karstentwässerung im aktiven Höhlensystem des Blautopfs; New insights into the structure of karst drainage in the active cave system of Blautopf

Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2013) 18:247–257DOI 10.1007/s00767-013-0239-z

FAC H B E I T R AG

Neue Erkenntnisse zur Struktur der Karstentwässerungim aktiven Höhlensystem des Blautopfs

Ute Lauber · Wolfgang Ufrecht · Nico Goldscheider

Eingang des Beitrages: 24.4.2013 / Eingang des überarbeiteten Beitrages: 7.8.2013 / Online veröffentlicht: 29.10.2013© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Zusammenfassung Der Blautopf, eine der größten Kar-stquellen Deutschlands, entwässert ein 165 km2 großesEinzugsgebiet auf der Schwäbischen Alb. Dort befindensich zwei große, aktive Karsthöhlen: das Blauhöhlensystem(10 km) und die Hessenhauhöhle (3,5 km). Aufgrund de-ren schwerer Zugänglichkeit war über die interne Entwäs-serungsstruktur dieses Karstsystems bisher nichts bekannt.Im Frühjahr 2012 wurde der erste Markierungsversuch mitTracereingaben direkt in die beiden Höhlenflüsse durchge-führt, um die Verbindung zwischen den Höhlen zu lokalisie-ren. Durch zwei weitere Eingaben an der Geländeoberflächesollte die Anbindung des Einzugsgebiets an die Höhlen er-kundet werden. Mittels Feldfluorimetern wurden die Tracer-Durchgangskurven im Höhlensystem beobachtet. So konnteein dendritischer Aufbau der unterirdischen Entwässerungnachgewiesen und für beide Höhlenflüsse eigene Teilein-zugsgebiete abgegrenzt werden, die jeweils etwa 50 % zurGesamtschüttung beitragen. Neue geologisch-tektonischeBefunde ermöglichten eine verbesserte hydrogeologischeModellvorstellung. Demnach liegt ein komplexes Karstsys-tem mit zwei Grundwasserstockwerken und hydraulischer

Dipl.-Geol. U. Lauber (B) · Prof. Dr. N. GoldscheiderInstitut für Angewandte Geowissenschaften, AbteilungHydrogeologie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT),Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe, DeutschlandE-Mail: [email protected]

Prof. Dr. N. GoldscheiderE-Mail: [email protected]

Prof. Dr. W. UfrechtKaiserstr. 45, 70599 Stuttgart, DeutschlandE-Mail: [email protected]

Kontinuität durch eine bisher als weitgehend trennend gel-tende Mergelformation hindurch vor.

New insights into the structure of karst drainage in theactive cave system of Blautopf spring, Germany

Abstract The Blautopf (“blue pot”), one of Germany’slargest karst springs, drains a catchment area of 165 km2 inthe Swabian Alb. There are two large, active caves: the BlueCave System (10 km) and the Hessenhau Cave (3.5 km).Because of the difficult accessibility, the internal drainagestructure had previously been unknown. The first tracer in-jections directly into cave streams were conducted in 2012to localize connections between the two caves. Two surfaceinjections in remote parts of the catchment were aimed atinvestigating drainage towards the caves. Field fluorometersallowed tracer monitoring in the caves. This demonstratedthe dendritic structure of the drainage network and identi-fied two sub-catchments that each contribute about 50 % tothe total discharge. New geologic-tectonic findings allowedan improved conceptual model, according to which the karstsystem consists of two aquifers with hydraulic continuityacross a marl aquitard previously considered as impervious.

Keywords Karst aquifer · Cave system · Karst conduit ·Tracer test · Karst network

Einführung

Eine der bekanntesten und wasserreichsten KarstquellenDeutschlands ist der Blautopf am südlichen Rand derSchwäbischen Alb (MQ: 2,3 m3/s, HHQ: 32,6 m3/s; Villin-ger 1978). Zahlreiche Sagen und Legenden handeln von derQuelle, die aufgrund der Tiefe des Quelltopfes lange Zeit

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als bodenlos galt. Die blaue Färbung wurde früher durchein Fass Tinte erklärt, das täglich ins Wasser geschüttetwird. Im 17. Jahrhundert wurde die Herkunft des Quell-wassers erstmals durch den ortsansässigen Pfarrer Mayer(1681) erforscht. Seine einfachen Markierungsversuche mitSpreu und Sägemehl führten zum Nachweis der hydrauli-schen Verbindung zwischen einer Versickerungsstelle aufder Albhochfläche und dem Blautopf. Seit 1952 wurden imEinzugsgebiet des Blautopfs über 65 Markierungsversuchedurchgeführt, meist mit Fluoreszenztracern (Villinger & Uf-recht 1989, Selg & Schwarz 2009). Auf der wasserarmenKarsthochfläche der Schwäbischen Alb sollten damit vor-rangig Fragen der Abwasserversickerung und der Nutzungvon Karstquellen zur Trinkwasserversorgung beantwortetwerden.

Hinter dem Blautopf verbirgt sich – wie lange Zeit ver-mutet – ein weitreichendes Höhlensystem, dessen einzi-ger natürlicher Zugang über den Quelltopf selbst besteht(Abb. 1). Erste Tauchgänge fanden seit 1957 statt; kurz dar-auf erfolgte die Vermessung der ersten 130 m stromauf-wärts des Höhleneingangs, der sich am Grund des 21 mtiefen Quelltopfs befindet. Zwischen 1961 und 2004 erkun-dete Jochen Hasenmayer u. a. mit einem von ihm gebautenU-Boot die Höhle über eine Länge von mehr als einem Kilo-meter. Aufbauend auf seinen Arbeiten wird das Höhlensys-tem seit 1997 durch die Arbeitsgemeinschaft (Arge) Blau-topf erforscht und vermessen (Kücha & Jantschke 2009, Ar-ge Blautopf 2011). Nach einer Tauchstrecke von 1.200 mbeginnt ab dem Mörikedom ein über dem Wasserspiegel lie-gender Höhlenteil. Entlang riesiger Hallen und Gänge, teilsauch enger Versturzzonen setzt sich das Höhlensystem wei-ter ins Quelleinzugsgebiet fort; stellenweise wird der un-terirdische Fluss (Ur-Blau) angetroffen. Seit 2010 ermög-licht eine Forschungsbohrung einen trockenen Zugang indas Höhlensystem.

Parallel zur Erforschung des Blauhöhlensystems wurdenseit 2006 Grabungen an der nahegelegenen Hessenhaudoli-ne durchgeführt (Bohnert 2009). In einer Tiefe von 130 merreichten die Höhlenforscher der Arge Blaukarst einen un-terirdischen Fluss (Nord-Blau), der im Norden und Süden anSiphonen unter die Höhlendecke abtaucht. Schlechte Was-serqualität, starke Biofilmbildungen und intensiver Geruchließen auf hydraulische Verbindungen zur rund 7 km ent-fernten Kläranlage Laichingen schließen. Dort war über Jah-re hinweg – wie auf der Schwäbischen Alb üblich – das ge-klärte Abwasser in einer Karstspalte, dem Krempenschacht,versickert worden (Villinger & Ufrecht 1989).

Von oberflächennahen, ungespannten Karstsystemen istbekannt, dass sie in der Regel dendritisch aufgebaut sind(Palmer 1991, Gabrovsek et al. 2004, Worthington & Ford2009, Dreybrodt et al. 2010). Aufgrund der Lage beiderHöhlensysteme in direkter Nähe zum Blautopf wurde ei-ne hydraulische Verbindung vermutet, konnte aber bislang

nicht nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorliegendenStudie sollte diese Verbindung mithilfe von Fluoreszenztra-cern erkundet und lokalisiert werden. Im Gegensatz zu denzahlreichen vorangegangenen Tracerversuchen, bei denenEingabe und Beprobung jeweils an der Geländeoberflächebzw. am Blautopf erfolgten, lag der Fokus 2012 erstmals aufTracereingaben und Monitoring direkt in den Höhlen. Sol-che Markierungsversuche mit räumlich und zeitlich hoch-aufgelösten Durchgangskurven in aktiven Höhlensystemenliefern detaillierte Informationen über Entwässerungsstruk-turen, unterirdische Fließgeschwindigkeiten und hydrauli-sche Parameter des Karstaquifers (Goldscheider et al. 2008).Aufgrund der oft schweren Zugänglichkeit aktiver, wasser-führender Karströhren (Conduits) können solche Versuchenur in seltenen Fällen durchgeführt werden (Hauns et al.2001, Göppert & Goldscheider 2008). Begünstigt durch denkünstlichen Zugang war es 2012 erstmals möglich, Markie-rungsversuche im aktiven Höhlensystem des Blautopfs, al-so im Blauhöhlensystem und in der Hessenhauhöhle, durch-zuführen. Das Versuchsprogramm war wie folgt aufgebaut(Abb. 1):

• Zwei Tracer wurden direkt in die beiden Höhlenflüsseeingegeben, um die unterirdischen Fließwege im epi-phreatischen bis phreatischen Höhlensystem bis zumBlautopf verfolgen zu können: lokaler Versuch.

• Zwei weitere Tracer wurden in oberstromiger Verlänge-rung der Höhlensysteme in die vadose Zone eingegeben,um entlang unterirdischer Messpunkte in beiden Höhlen-systemen die Fließwege bis zum Blautopf zu lokalisieren:regionaler Versuch.

Neben der hydraulischen Verbindung der Höhlensystemesollten auch Teileinzugsgebiete der einzelnen Höhlensyste-me abgegrenzt werden, um so die bestehende hydrogeolo-gische Modellvorstellung des Quelleinzugsgebiets zu ver-feinern (Selg & Schwarz 2009, Bartenbach et al. 2009,Bartenbach & Ufrecht 2009, Ufrecht 2009, Geyer et al.2011). Dazu erfolgten die Tracereingaben in Zainingen amNordwestrand des Einzugsgebiets und in Laichingen im öst-lichen Teil.

Untersuchungsgebiet

Das Untersuchungsgebiet befindet sich auf der mittlerenSchwäbischen Alb, die das 165 km2 große Einzugsge-biet des Blautopfs beinhaltet (Abb. 1). Es wird aus ei-ner 400 m mächtigen Folge von Kalksteinen im Wechselmit Mergelkalk- und Mergelserien des Oberjuras aufge-baut. Mindestens ab der Unteren Felsenkalk-Formation sinddie Schichten von Schwammriffen durchzogen (Schwamm-oder Massenkalkfazies), die Bankung der Gesteine nimmthier zugunsten einer massigen Gesteinsausbildung ab

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Abb. 1 (a) Einzugsgebiet desBlautopfs mit EingabestellenE1–E4 (Pfeile) in beiden Höh-len (lokaler Versuch), und imentfernteren Quelleinzugsgebiet(regionaler Versuch); hinterlegtmit digitalem Höhenmodell,Höhen zwischen 450 m (grün)und 850 mNN (braun); Da-ten: LandesvermessungsamtBaden-Württemberg; (b) Karst-gebiete der Schwäbischen undFränkischen Alb (schraffiert)und Lage des Untersuchungsge-biets

Abb. 2 Stratigraphie des unte-ren und mittleren Oberjuras mitVerbreitung der Schwamm-Fa-zies im Gebiet der mittlerenSchwäbischen Alb

(Abb. 2). Die wechselnde Lithologie bedingt eine hydro-stratigraphische Gliederung in zwei Grundwasserstockwer-ke (unten: Wohlgeschichtete Kalk-Formation, oben: Untereund Obere Felsenkalk-Formation) die jeweils von gering-durchlässigen Gesteinen unterlagert werden (Impressamer-gel- und Lacunosamergel-Formation). Beide Stockwerkeunterliegen der Verkarstung, allerdings sind die Wohlge-schichteten Kalke nur im exponierten Bereich nahe derOberjura-Schichtstufe, dem Albtrauf, stark verkarstet. Mitdem Einfallen der Schichten nach Süden verringert sich dieVerkarstung dieser Formation, die im Bereich des Blautopfsetwa 100 m unter dem Vorflutniveau liegt. In der klassi-

schen Vorstellung trennen die 35 bis 55 m mächtigen Lacu-nosamergel die beiden Karstgrundwasserstockwerke, wobeijedoch potenziell vertikale Wegsamkeiten an Störungen be-stehen. Neuere Befunde lassen vermuten, dass die aus hö-heren Schichten bekannte Schwammfazies stratigraphischtiefer und damit bis in die Lacunosamergel hineinreicht. Da-durch ist die Gesteinsfolge stärker geklüftet, in exponierterPosition auch verkarstet und folglich besser vertikal durch-lässig (Selg & Schwarz 2009, Bartenbach & Ufrecht 2009,Regierungspräsidium Tübingen 2009), sodass die vertikaleStockwerksgliederung ganz aufgehoben sein kann. Im süd-lichen Teil des Blautopf-Einzugsgebiets, wo die Schichten


deutlich nach Süden abtauchen und unter dem Urdonautalliegen, dürfte die hydraulische Trennwirkung wieder weit-gehend intakt sein.

Seit der Kreide wurde das Gebiet durch mehrere Verkars-tungsphasen geprägt. Zunächst kam es während der Krei-de und dem Alttertiär in einer Phase tektonischer Ruhe un-ter dem vorherrschenden tropischen Klima vorwiegend zueinem flächigen Gesteinsabtrag. Eine tiefgründige Verkars-tung setzte erst im Obermiozän infolge der tektonischen He-bung ein. Sie führte zur Bildung zahlreicher Dolinen, Höh-len und Trockentäler (Ufrecht 2011). Die Entwicklung derKarsthydrographie und die Ausbildung horizontaler Höh-lenabschnitte (Höhlenniveaus) sind dabei von der Eintie-fungsgeschichte der Fließgewässer abhängig, die als regio-nale Vorfluter wirken. Diese Zusammenhänge sind im Ge-biet der mittleren Alb mit dem Einzugsgebiet des Blautopfsund dem am Südrand des Karstgebiets verlaufenden Tal derUrdonau gut untersucht (Ufrecht 2009, 2011). Ab dem Plio-zän, v. a. aber während des Pleistozäns hat sich die Urdonaubis zu 200 m tief in die Massenkalke des Oberjuras eingetieftund dadurch das Potenzial für eine tiefgründige Verkarstunggeschaffen.

Die ober- und unterirdischen Karstformen wurden durchHöhlenforscher gut dokumentiert. Im Umfeld des Blautopf-Einzugsgebiets sind über 150 Vertikal- und Horizontalhöh-len erforscht und vermessen worden. Herausragende Objek-te sind das knapp über 10 km lange Blauhöhlensystem unddie 3,5 km lange Hessenhauhöhle (Abb. 3).

Versuchsaufbau

Beim lokalen Versuch wurden am 21.04.2012 in den Höh-lenfluss der Hessenhauhöhle (Nord-Blau) 100 g Uranin ein-gegeben (E1, Abb. 1 und 4b). Fast gleichzeitig erfolgte dieEingabe von 200 g Sulphorhodamin G in die Ur-Blau imBlauhöhlensystem (E2 in Abb. 1 und 4a). Es wurde Ura-nin AP (C.I. 45350; AppliChem GmbH, Deutschland) undORCO ACID Sulphorhodamin G (C.I. 45220; Organic Dye-stuffs Corp., USA) verwendet.

Beim regionalen Versuch wurden eine Woche später er-neut Uranin und Sulphorhodamin G verwendet, da diesdie optimale Tracer-Kombination für den Nachweis mittelsFeld-Fluorimeter ist. Zum Zeitpunkt der zweiten Eingabewaren die Konzentrationen aus dem ersten Versuch bereitsbis unter die Nachweisgrenze abgesunken. Am 28.04.2012wurden in eine Karstspalte (Krempenschacht, E3) bei derKläranlage Laichingen 1.500 g Uranin eingegeben, etwa10 km vom Blautopf entfernt (Abb. 1). Dort wurde früherdas geklärte Abwasser der Kläranlage eingebracht. Zur Vor-und Nachspülung der Eingabe wurde über eine Woche lang1 bis 10 l/s Wasser eingeleitet. Am gleichen Tag erfolgtedie Eingabe von 2.000 g Sulphorhodamin G in eine Doline

am Ortsrand von Zainingen, rund 19 km vom Blautopf ent-fernt (E4). Hier wurde mit insgesamt 78 m3 Leitungswas-ser nachgespült. Alle Eingaben wurden impulsartig durch-geführt, die Vorlösung der Tracer erfolgte jeweils in einemKanister mit 10 bzw. 20 l Wasser.

Da Blauhöhlensystem und Hessenhauhöhle nur mit sehrgroßem Aufwand begangen werden können, stützt sich derNachweis der Tracer dort vor allem auf Feldfluorimeter-Messungen und Aktivkohlesäckchen (Abb. 3). Zur konti-nuierlichen Messung wurden Feldfluorimeter (GGUN-FL43, 334 und 335, Albillia, Schweiz) an zwei Stellen imBlauhöhlensystem (Halle des verlorenen Flusses und Mö-rikedom) und am Blautopf eingesetzt (Abb. 4c und d).Die Aktivkohle-Säckchen wurden alle ein bis zwei Wochengewechselt. Zusätzlich wurden so oft wie möglich durchdie Höhlenforscher Wasserproben im Höhlensystem genom-men, teils sogar durch mehrtägige Untertage-Biwaks. Ei-ne besonders intensive manuelle Beprobung fand am Blau-topf statt. Stündliche Daten zur Quellschüttung wurden vomLandesamt für Umwelt (LUBW) zur Verfügung gestellt.Die Aktivkohle sowie die Wasserproben wurden mit ei-nem Fluoreszenzspektrometer (LS 55, Perkin-Elmer) imSynchro-Scan-Verfahren analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Im folgenden Teil wird im Wesentlichen auf die Ergebnis-se der Wasserproben und Feldfluorimeter eingegangen. Da-bei liegt der Fokus auf der geologischen und hydrogeolo-gischen Interpretation, repräsentativ für die Versuchsergeb-nisse wird eine der zahlreichen Durchgangskurven gezeigt.Weitere Ergebnisse sind tabellarisch dargestellt (Abb. 5).Soweit nicht anders beschrieben wurden diese Ergebnissedurch die Aktivkohle-Analysen bestätigt.

Ein positiver Nachweis von Uranin aus der Hessenhau-höhle (E1) erfolgte im Blauhöhlensystem am Mörikedomund am Blautopf (Abb. 3). Die Durchgangskurven an bei-den Messstellen zeigen einen deutlichen Peak und ein kur-zes Tailing. Im Mörikedom trat die Maximalkonzentrationvon 1,9 µg/l nach 32 h auf. Am Blautopf wurde 49 h nachder Eingabe die Maximalkonzentration von 1,1 µg/l doku-mentiert (Abb. 5b und c). Die dominierende Abstandsge-schwindigkeit zwischen Eingabestelle und Blautopf beträgtdemnach 65 m/h bzw. 111 m/h unter Berücksichtigung einerTortuosität von 1,7. Dieser Wert wurde über das Verhältnisvon realer Ganglänge zu linearer Entfernung zwischen Mö-rikedom und Blautopf ermittelt. Während des Versuchs lagdie Quellschüttung bei durchschnittlich 1.320 l/s. Die Rück-gewinnung von Uranin beträgt 52 % und ist für eine direkteEingabe in ein aktives Höhlengerinne vergleichsweise ge-ring.

Die Durchgangskurven am Mörikedom und am Blautopfsind nahezu identisch und weisen jeweils nur einen Peak auf.


Abb. 3 (a) Grundrissplan der Hessenhauhöhle mit Probennahme-stellen und Messpunkten zum Nachweis der Markierungsstoffe. Ver-messung: Arge Blaukarst, Zeichnung: J. Bohnert. (b) Grundrissplandes Blauhöhlensystems mit Probennahmestellen und Messpunkten

während der Tracerversuche. Vermessung und Plandarstellung: Ar-ge Blautopf sowie Arge Höhle und Karst Grabenstetten, Zeichnung:H. Jantschke und F. Mammel

Abb. 4 (a) Eingabe (E2) vonSulphorhodamin G, (b) Eingabe(E1) von Uranin, (c) Einbau desFeldfluorimeters und (d) Mess-stelle „Halle des verlorenenFlusses“ im Blauhöhlensystem.Aufnahmen von A. Kücha, ArgeBlautopf (a, c, d) und A. Scho-ber, Arge Blaukarst (b)

Am Blautopf wurde eine etwas geringere Maximalkonzen-tration aber eine breitere Durchgangskurve als am Mörike-dom gemessen, was auf Dispersion zurückgeführt werdenkann. Es gibt also keinerlei Hinweise auf mehrere sich über-lagernde Fließwege, die zu einem Multi-Peak-Effekt führenwürden. Die Ergebnisse zeigen damit, dass nur eine einzi-

ge hydraulisch relevante Verbindung zwischen den beidenHöhlensystemen existiert – wohl in Form einer gut ausgebil-deten Karströhre. Wie durch die topographischen Vermes-sungen der Höhlenforscher bekannt ist, existiert am Mörike-dom ein phreatischer Höhlenast (Abb. 3b). Dieser sogenann-te Speleonautenweg zweigt vom Blauhöhlensystem in Rich-


Abb. 5 (a) Dendritischer Aufbau im Quelleinzugsgebiet des Blau-topfs. Die beiden neu nachgewiesenen Teileinzugsgebiete tragen je-weils rund 50 % zur Gesamtschüttung bei; HHH: Hessenhauhöhle,

BHS: Blauhöhlensystem. (b) Durchgangskurve von Uranin der Ein-gabe E1 in den Höhlenfluss (Nord-Blau) am Blautopf; (c) tabellarischeÜbersicht der Ergebnisse von den Eingaben E1 bis E4 am Blautopf

tung Nordosten ab, also Richtung Hessenhauhöhle, konnteaber bislang nur rund 300 m verfolgt werden. Er ist Teilder markierungstechnisch nachgewiesenen Verbindung zurHessenhauhöhle.

Das Quelleinzugsgebiet des Blautopfs gilt als annäherndnatürliches Lysimeter (Armbuster & Selg 2006). Als Ur-sache für die vergleichsweise geringe Rückgewinnung vonUranin werden dennoch weitere Fließwege in Betracht ge-zogen – tiefe Fließsysteme unter der Vorflut hindurch, Über-tritte in die quartäre Talfüllung des Urdonautals und/oderFließwege entlang alter Entwässerungsstrukturen in das Ein-zugsgebiet der Kleinen Lauter. Dort wurden geringe Spu-ren von Uranin in Aktivkohle nachgewiesen (<0,5 µg/l imEluat).

Der Nachweis von Sulphorhodamin G (E2) erfolgte inder Halle des verlorenen Flusses, im Mörikedom und amBlautopf (Abb. 3b). In der Halle des verlorenen Flusses tra-ten die maximalen Konzentrationen nach 2 h 15 min auf undbetrugen rund 50 µg/l. Im Mörikedom erfolgte der maxi-male Tracerdurchgang nach 15 h mit Konzentrationen von6,0 µg/l. Am Blautopf wurde das Maximum von 4,0 µg/lnach 31 h erreicht (Abb. 5c). Die Entfernung zur Eingabe-stelle in der Ur-Blau beträgt Luftlinie 2,5 km, sodass die do-minierenden Abstandsgeschwindigkeiten linear 86 m/h bzw.mit Berücksichtigung der Tortuosität 147 m/h betragen. DieQuellschüttung lag bei durchschnittlich 1.240 l/s, die Rück-gewinnung beträgt 79 %.

Die Durchgangskurve weist ein etwas längeres Tailingauf, das vermutlich auf Verzögerungen in den zahlreichenVersturzzonen im Blauhöhlensystem zurückzuführen ist.

Auch hier deutet der singuläre Peak auf einen Hauptfließ-weg entlang des Blauhöhlensystems von Ur-Blau über Hal-le des verlorenen Flusses und Mörikedom zum Blautopf hin(Abb. 3b). Die Rückgewinnung resultiert aus Sorptionspro-zessen oder potenziell vorhandenen weiteren Fließwegen,die noch diskutiert werden.

Beim regionalen Versuch wurde das Uranin aus Laichin-gen (E3) sowohl in der Hessenhauhöhle als auch in der Blau-höhle am Mörikedom sowie am Blautopf nachgewiesen. ImMörikedom setzte der Durchgang nach 134 h ein; die ma-ximal gemessenen Konzentrationen von 11,5 µg/l wurdennach 155 h gemessen. Am Blautopf wurden erste Spurennach 153 h gemessen; die maximalen Konzentrationen wa-ren mit 10,3 µg/l nach 177 h erreicht (Abb. 5c). Die do-minierende Abstandsgeschwindigkeit beträgt linear 55 m/h.Bei einer mittleren Quellschüttung von 1.040 l/s wurde eineRückgewinnung von 63 % berechnet, die ebenfalls auf wei-tere Fließwege hindeutet. An der Quelle der Kleinen Lautererfolgte über die Aktivkohle kein Tracernachweis.

Mit dem positiven Nachweis in der Hessenhauhöhle wur-de die hydraulische Verbindung zur Kläranlage Laichingenbelegt. Obwohl der Tracer durch die mindestens 100 mmächtige ungesättigte Zone gesickert ist, weist die Durch-gangskurve einen annähernd symmetrischen Peak mit kurz-em Tailing auf – ähnlich wie bei der Eingabe in die Nord-Blau (E1, Abb. 5b). Generell wäre bei einer Eingabe ander Geländeoberfläche ein längeres Tailing zu erwarten, auf-grund des verzögerten Transports in ungesättigten Klüftenund Schichtfugen. Der markierte Fließweg befindet sichjedoch im Bereich eines gut ausgebildeten Karstschachts,


durch künstliches Einleiten von Wasser wurde die Was-serwegsamkeit über die Jahre hinweg wahrscheinlich zu-sätzlich erhöht. Entlang dieser stark verkarsteten Zone sinddie Fließgeschwindigkeiten bis zum Karstgrundwasser da-her offensichtlich sehr hoch, und der Einfluss der ungesät-tigten Zone ist entsprechend gering. Auf weiten Bereichender Albhochfläche überwiegt dagegen die flächige und dif-fuse Infiltration. Sickerwässer werden dort lange in der va-dosen Zone zwischengespeichert. Der Anteil dieser lang-samen Abflusskomponente wurde über Wasserbilanzen unddie Abflussdynamik ermittelt und liegt im Quelleinzugsge-biet des Blautopfs zwischen 90 und 95 % (Selg et al. 2006,Geyer et al. 2011).

Das in Zainingen in die Doline eingegebene Sulphorho-damin G (E4) wurde ausschließlich im Blauhöhlensystemnachgewiesen – in der Halle des verlorenen Flusses, im Mö-rikedom und am Blautopf (Abb. 3b). Die Ergebnisse dieserEingabe sind nur bedingt auszuwerten. Die Durchgangskur-ve zeigt an allen drei Messstellen zwei Peaks, und die Ma-ximalkonzentrationen sind mit weniger als 0,2 µg/l sehr ge-ring. Am Blautopf wurden erste Spuren des Tracers nach355 h gemessen. Das erste Maximum von 0,15 µg/l wur-de nach 405 h erreicht, das zweite Maximum nach etwa555 h. Die dominierende Abstandsgeschwindigkeit (ersterPeak) beträgt linear 46 m/h. Die Quellschüttung ist währenddes Versuchs auf 975 l/s zurückgegangen, die Rückgewin-nung des Tracers ist sehr gering und liegt bei 5 %.

Bei einem Tracerversuch 1986 in derselben Eingabestellebei Zainingen wurde eine Durchgangskurve mit einem deut-lichen Peak und einem raschen Tailing beobachtet (Villinger& Ufrecht 1989). Die Quellschüttung lag damals deutlichhöher, bei 3.400 l/s, und die Rückgewinnung betrug 90 %.Während des aktuellen Versuchs bei insgesamt niedrige-ren Abflussbedingungen kam es zwischenzeitlich zu Nieder-schlägen und zu einem Anstieg der Quellschüttung. Der ge-ringe Wiedererhalt und die doppelten Peaks sind daher ver-mutlich auf Rückhalt und Remobilisierung in der ungesät-tigten Zone zurückzuführen. Daher wird nur der erste Peakin der weiteren Interpretation berücksichtigt.

Durch den regionalen Versuch wird deutlich, dass die bei-den Höhlensysteme jeweils ein eigenes Teileinzugsgebietentwässern: Teileinzugsgebiet I zeigt eine Entwässerungvon Laichingen (E3) über die Hessenhauhöhle und den Mö-rikedom zum Blautopf (Abb. 5); Teileinzugsgebiet II drai-niert von Zainingen (E4) über das gesamte Blauhöhlensys-tem zum Blautopf (Abb. 5a). Am Mörikedom, etwa 700 mvor dem Quellaustritt, münden die beiden Fließsysteme in-einander, erstmals belegt durch den lokalen Versuch. Ähn-liche Beobachtungen mit drei bzw. vier Teileinzugsgebie-ten sind aus der Milandre-Höhle im Schweizer Jura bekannt(Perrin et al. 2007). Das Einzugsgebiet der Höhlenflüsse derMammoth Cave (USA) lässt sich ebenfalls in mehrere Tei-leinzugsgebiete untergliedern (Meiman et al. 2001).

Diese Existenz der beiden Teileinzugsgebiete wird auchdurch Abflussmessungen zu Beginn der Markierungsversu-che bestätigt. In der Hessenhauhöhle wurde am 14.04.2012ein Abfluss von 770 l/s bestimmt, in der Halle des verlorenenFlusses im Blauhöhlensystem wurden 690 l/s gemessen. DieQuellschüttung lag zu diesem Zeitpunkt bei rund 1.300 l/s.Demnach tragen beide Höhlenäste jeweils etwa 50 % zumGesamtabfluss des Blautopfes bei. Aus der Wasserbilanz er-gibt sich im Vergleich zur Quellschüttung ein Wasserüber-schuss von rund 10 % in den Höhlensystemen. Diese Dif-ferenz ist zwar mit Messunsicherheiten der Abflussmessun-gen behaftet, allerdings existieren zum Blautopf hin vermut-lich noch weitere Zuflüsse, die bei der Bilanzierung nichtberücksichtigt werden konnten.

Die Ergebnisse der Abflussmessungen und der Tracer-versuche lassen in Kombination mit der Kartierung derHöhlenforscher auf den hierarchischen Aufbau des unter-irdischen Entwässerungssystems schließen (Abb. 5a). ÜberSpalten und Klüfte sickert das Wasser durch die meistmehr als 100 m mächtige ungesättigte Zone, bis es die(epi-)phreatische Zone erreicht. Anschließend folgt dasWasser dem hydraulischen Gradienten zum Blautopf, wobeies entlang von netzwerkartig angeordneten, korrosiv gewei-teten Trennflächen vorwiegend in der epiphreatischen Zonefließt. Mit zunehmender Wasserführung weiten sich die be-vorzugten Fließwege durch verstärkte Lösungsprozesse undes kommt zur Entwicklung von Hauptästen der Entwässe-rung (Abb. 5a). Aufgrund der gemessenen Wassermengensind für den quellnahen Bereich zwei Hauptäste nachgewie-sen, die Hessenhauhöhle und das Blauhöhlensystem. In ei-ner Entfernung von 700 m Luftlinie zum Blautopf, am Möri-kedom, führen die Höhlensysteme zusammen und bilden ei-ne einzige, große, vollständig wassererfüllte Karströhre biszum Blautopf. Dort windet sich der Höhlenverlauf stark understreckt sich auf eine reale Länge von 1.200 m; die Tortuo-sität liegt demnach bei 1,7 (Abb. 3b). Der Höhlenabschnittist phreatisch, da das Vorflutniveau des Ur-Donautals ehe-mals tiefer lag und durch die Verlagerung des Flusslaufes abder Riß-Kaltzeit aufgeschottert wurde und dadurch das aus-fließende Wasser rückstaut (Villinger 1987). Die Auslaufhö-he bestimmt zudem das kleine Stauwehr am Quelltopf.

Die lithostratigraphischen, strukturgeologischen, speläo-logischen und hydrogeologischen Informationen über dasBlautopf-Einzugsgebiet bilden die Grundlage einer verbes-serten Modellvorstellung, die in Abbildung 6a in Formeines Längsschnitts präsentiert wird. Die Darstellung derGrundwasseroberfläche beruht auf einer weiträumigen undmit Unsicherheiten behafteten Interpolation von Grundwas-serstandsdaten und Quellauslaufhöhen (Regierungspräsidi-um Tübingen 2009). Der Schnitt zeigt, dass die beidenEingabestellen für die regionalen Markierungsversuche imZentrum (Laichingen) bzw. Randbereich (Zainingen) einestektonischen Hochgebiets liegen, welches das zentrale bis


nördliche Blautopf-Einzugsgebiet etwa in Richtung SW-NE durchzieht (Ufrecht 2009). Große Teile des unterirdi-schen Abflusses müssen also diese tektonische Hochstruk-tur queren, um nach Süden zum Blautopf zu gelangen. Ge-mäß dem Verschnitt von Schichtlagerung und Grundwas-seroberfläche müssen die tektonisch hoch liegenden Gebie-te zunächst in den Wohlgeschichteten Kalken nach Südenentwässern, um dann etwa im zentralen Teil bis südlichenDrittel des Einzugsgebiets, wo die Schichten steiler nachSüden einfallen, wieder das Obere Karststockwerk zu errei-chen. Damit muss Karstwasser, das in der Nordhälfte desBlautopf-Einzugsgebiets neugebildet wird, zweimal die La-cunosamergel durchdringen, zuerst als Sickerwasser in derungesättigten Zone und später als auf die Vorflut zugerich-teter Karstwasserstrom über die beiden epiphreatischen bisphreatischen Höhlenflüsse. Für den Großteil des Blautopf-Einzugsgebiets bilden also erst die Impressamergel die hy-drogeologisch wirksame Verkarstungsbasis.

In Anbetracht dieser hydrogeologischen Situation ist derrasche Tracerdurchgang nur durch eine starke Verkarstungbis in das tiefere Grundwasserstockwerk bzw. eine hoheDurchlässigkeit der Lacunosamergel zu erklären, vermut-lich entlang von Klüften. Darüber hinaus muss die Durch-lässigkeit so groß sein, dass sich keine zwei Fließsystemeentwickeln (über und unter den Lacunosamergeln) (Abb. 6aund b). Innerhalb der Lacunosamergel kommt es zu kei-nem nachweisbaren Rückhalt der Tracer, weder in verti-kaler Richtung durch die ungesättigte Zone noch in hori-zontaler Richtung durch die epiphreatische und phreatischeZone. Auch dort scheint nur ein hydraulisch wirksamer prä-ferentieller Fließweg zu existieren, der zu einem Tracer-durchgang mit nur einem deutlichen Peak an allen Mess-stellen führt (abgesehen von den nicht eindeutigen Ergebnis-sen aus Zainingen). Ein Abstrom in einem stark verzweigtenKarstnetzwerk würde zu einer Durchgangskurve mit zahlrei-chen Peaks und/oder langem Tailing führen (Goldscheideret al. 2008). Die Einflüsse der ungesättigten Zone können indiesem Fall als gering betrachtet werden. Der Anteil am ge-samten Fließweg ist mit 130 m bei einer Gesamtstrecke von10 km sehr gering. Zudem ist für beide Eingabestellen ei-ne starke Verkarstung der ungesättigten Zone erwiesen. Jah-relanges Einleiten von geklärtem Abwasser kann die Was-serwegsamkeit zusätzlich erhöht haben, u. A. durch Auswa-schungen von Sedimenten aus dem Epikarst.

Mithilfe der Wasserbilanz kann gezeigt werden, dassKarstwasser maximal in der Menge des Bilanzfehlers von13 % der mittleren Schüttung (Armbuster & Selg 2006),das sind etwa 300 l/s, den Bilanzraum durch Unterströ-men der Vorflut in den Wohlgeschichteten Kalken verlas-sen kann und/oder direkt am Blautopf vom Oberen Grund-wasserstockwerk aus (Untere Felsenkalk-Formation) in diequartäre Talfüllung des Urdonautals übergeht. Dabei ist die

Wasserbilanz unter anderem durch Verwendung des Boden-wasserhaushaltsmodells mit Unsicherheiten behaftet, die et-wa in der gleichen Größenordnung wie der Bilanzfehler lie-gen (Mttl. v. M. Selg). Auch wurde im abstromig gelegenenBrunnen Gerhausen im Probennahmezeitraum kein Uraninnachgewiesen – die potenziellen Fließzeiten des Tracers imPorengrundwasserleiter wären aber wesentlich länger. Zueinem ähnlichen Ergebnis wie die Wasserbilanz von Arm-buster & Selg (2006) führen auch die Abflussmessungenim Höhlensystem, die eine Differenz von 10 % zwischenden Teilabflüssen im Höhlensystem zum Gesamtabfluss amBlautopf zeigen. Auch die unterschiedliche Rückgewinnungder Tracer, die zwischen 52 und 79 % liegt, ist ein Indizfür die Existenz weiterer Fließwege und einen Verlust vonWasser im Bilanzraum. Möglicherweise tritt ein Teil desWassers aber auch entlang von „alten“ Fließwegen in dasQuelleinzugsgebiet der Kleinen Lauter über. Diese sind ausder Entwicklungsgeschichte des Gebiets bekannt (Ufrecht2009), wurden teilweise bei Markierungsversuche nachge-wiesen (Villinger & Ufrecht 1989) und können u. U. je nachAbflussbedingungen reaktiviert werden.

Bei den vorangegangenen 65 Tracerversuchen im Quel-leinzugsgebiet mit Eingaben an der Karstoberfläche und Be-probung am Blautopf haben 21 Versuche zu einem Durch-gang am Blautopf geführt. Dabei wurden maximale Ab-standsgeschwindigkeiten zwischen 67 und 350 m/h fest-gestellt; der Mittelwert beträgt 131 m/h (Selg & Schwarz2009). Die dominierenden Abstandsgeschwindigkeiten lie-gen im Mittel bei 110 m/h, mit Schwankungen zwischen62 und 310 m/h. Im Vergleich zu diesen Tracerversuchenwurden 2012 trotz direkter Eingabe in die Höhlenflüsse diebislang niedrigsten Abstandsgeschwindigkeiten festgestellt;die Werte lagen zwischen 47 und 73 m/h. Dabei sind dieFließgeschwindigkeiten stark von den hydrologischen Be-dingungen abhängig. Zum direkten Vergleich wurden Er-gebnisse von Tracereingaben in E3 bei Laichingen verwen-det (Abb. 6b), die bei Niedrigwasser mit einer Schüttungvon 1.050 l/s (2012) und bei vergleichsweise hoher Schüt-tung mit 3.800 l/s durchgeführt wurden (Villinger & Ufrecht1989) und die Konzentrationen normiert (Cnorm = C/M). Ei-ne weitere Eingabe in Laichingen zu einem Spitzenabflussvon 12.500 l/s ist nicht auswertbar, da keine vollständigeDurchgangskurve vorliegt. Es zeigt sich, dass die Abstands-geschwindigkeiten bei rund 3,5 mal höheren Abflüssen amBlautopf (3.800 l/s) rund 3 mal höher sind als bei Niedrig-wasser (1.050 l/s). Ein höherer Abfluss und damit ein größe-res Karstwasservolumen führen zu einer stärkeren Verdün-nung des Tracers; die normierte Maximalkonzentration be-trägt rund 3 · 10−6 m−3. Dagegen sind die normierten Ma-ximalkonzentrationen bei Niedrigwassern mit 7 · 10−6 m−3

deutlich höher (Abb. 6b). Dieser Unterschied um den Fak-tor 2,5 ist auf das geringere Wasservolumen zurückzufüh-ren, das bei Niedrigwasser zu einer geringeren Verdün-


Abb. 6 (a) Geologischer und hydrogeologischer Längsschnitt desBlautopf-Einzugsgebiets mit neuen Erkenntnissen zur Karstentwässe-rung. Das Profil verläuft entlang des vermuteten Fließwegs von Einga-bestelle E3 bei Laichingen über die Hessenhauhöhle zum Blauhöhlen-system und Blautopf; (b) Vergleich der Ergebnisse von Eingabestelle

E3 bei Laichingen (grüne Markierung): Maximale Abstandsgeschwin-digkeiten (v) in Abhängigkeit von der Quellschüttung (Q), annäherndlineare Beziehung durch Q = v · A (A = wasserdurchflossener Quer-schnitt) und der Einfluss auf Fließzeit und Verdünnung des Tracers


nung führt. Dies wirkt sich entsprechend auf den potenziel-len Schadstoffeintrag ins Karstsystem aus. Auch aus ande-ren Karstgebieten sind ähnliche Zusammenhänge bekannt.Pronk et al. (2007, 2009) zeigten für das Karstsystem inYverdon, Schweiz, dass die Fließzeiten um den Faktor 10schwankten, während die Maximalkonzentrationen nur umden Faktor 1,5 variierten – mit höchsten Konzentrationen beiNiedrigwasser, aufgrund der geringeren Verdünnung. VonGöppert & Goldscheider (2008) wurde der gegenteilige Ef-fekt in einem vadosen bis epiphreatischen Karstsystem be-obachtet: bei Hochwasser wurden höhere Maximalkonzen-trationen festgestellt, die auf höhere Abstandsgeschwindig-keiten und damit schmalere Durchgangskurven zurückge-führt werden konnten.

Zusammenfassung und Schussfolgerungen

Im Höhlensystem des Blautopfs (Blauhöhlensystem undHessenhauhöhle) konnten durch Tracereingaben bzw. Mo-nitoring direkt in den schwer zugänglichen Höhlenflüssenerstmals detaillierte Informationen über die interne Ent-wässerungsstruktur dieses Karstsystems erhalten werden.Das Quelleinzugsgebiet des Blautopfs wird demnach auszwei Teileinzugsgebieten aufgebaut. Das nördliche Teilge-biet entwässert zur Hessenhauhöhle, das südliche zum Blau-höhlensystem. Erst am Mörikedom, also etwa 700 m ober-halb der Quelle, münden beide Systeme ineinander. In Ver-bindung mit Abflussmessungen, die in den Höhlen gemachtwurden, konnte der Anteil der beiden Höhlenäste zur Ge-samtschüttung des Blautopfs mit jeweils rund 50 % quanti-fiziert werden. Die Kombination von geologischen Profil-schnitten und Informationen zur Lage der Grundwassero-berfläche zeigen eine komplexe unterirdische Entwässerung.Entgegen der bisherigen Modellvorstellung müssen sowohlin den beiden Karstgrundwasserstockwerken als auch in denbislang als sehr gering durchlässig geltenden Lacunosamer-geln sehr gut durchlässige Fließwege ausgebildet sein. Diesgeht aus den Durchgangskurven hervor, die mit ihrem Ein-zelpeak und ihrem kurzen Tailing eher mit den Durchgangs-kurven der Eingaben in die Höhlenflüsse zu vergleichensind.

Tracerversuche in aktiven Höhlensystemen ermöglichenes, wichtige Informationen über Fließeigenschaften in dervadosen, epiphreatischen und phreatischen Zone zu gewin-nen. Im Quelleinzugsgebiet des Blautopfs wurden bei denTracereingaben in die Höhlenflüsse die bislang niedrigstenAbstandsgeschwindigkeiten festgestellt. Dies ist einerseitsdarauf zurückzuführen, dass die Versuche bei Niedrigwasserdurchgeführt wurden. Andererseits konnte festgestellt wer-den, dass der phreatische Höhlenabschnitt aufgrund des ge-ringen hydraulischen Gradienten als Staubereich fungiert, indem sehr geringe Abstandsgeschwindigkeiten dominieren.

Durch die Tracereingabe in den Krempenschacht bei Lai-chingen konnte die hydraulische Verbindung zwischen derKläranlage und dem Blautopf nachgewiesen werden. Wieder Versuch gezeigt hat, werden potenzielle Schadstoffeüber die stark verkarsteten Bereiche schnell ins Grundwas-ser eingetragen und je nach Abflussbedingungen im Karst-system verdünnt. Es konnte gezeigt werden, dass die Maxi-malkonzentrationen bei Niedrigwasser besonders hoch sind,aufgrund der geringeren Verdünnung. Dies wirkt sich auchauf Schadstoffeinträge aus, die im Vergleich zu Hochwas-serbedingungen zwar länger im System verweilen, dafüraber in höheren Konzentrationen am Blautopf wieder aus-treten. Tracerversuche bei unterschiedlichen Abflussbedin-gungen liefern somit zusätzliche Informationen über dasKarstsystem, die für die Erschließung von Karstgrundwas-serleitern zur Trinkwasserversorgung, aber auch zum Schutzder Karstwasserressourcen vor Schadstoffeinträgen wichtigsind.

Danksagung Wir danken den Höhlenforschern der Arge Blautopfund Blaukarst – insbesondere den Projektleitern Andreas Kücha undJürgen Bohnert –, den Gemeinden Zainingen und Laichingen, der StadtBlaubeuren, der freiwilligen Feuerwehr Blaubeuren, der Landesan-stalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württembergund dem Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg für ihre Unterstützung. Das Projekt wurde durch die Um-weltstiftung Hofbräu Stuttgart finanziell unterstützt.

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Neue Erkenntnisse zur Struktur der Karstentwässerung im aktiven Höhlensystem des Blautopfs; New insights into the structure of karst drainage in the active cave system of Blautopf