1. Ausgangslage

Mit dem im Rahmen der Diplomarbeit von Fidel Hendry, HGU-Mitglied, im Bannalp-Karst durchgeführten Markierversuch vom Oktober 1999 konnte eine eindeutige Fliessverbindung vom Bannalp-Karst (Wolfenschiessen NW) zu der Chaltibachquelle in Grafenort (Engelberg OW) nachgewiesen werden (vgl. Beilage 1).

Im 2001 wurde im Auftrag der Luzern-Stans-Engelberg-Bahn (LSE) mit dem Neubau der Steilrampe, einem Eisenbahntunnel von Grafenort nach Engelberg, begonnen. Der Tunnel führt nach in den ersten Bauabschnitten weitgehend schlecht wasserdurchlässigen Formationen durch eine Zone mit verkarstungsfähigem Quintner-Kalk. Bereits beim ersten Kontakt mit dieser Zone ereignete sich im August 2002 der erste Karstwassereinbruch. Aus den Bohrlöchern schoss ein Wasserstrahl von bis zu 22 m! Im Juni 2003 brach unter dem Wasserdruck im Laufe der Schneeschmelze kurz vor dem Ende der Quintner-Kalk-Zone die Tunneldecke ein. Schätzungsweise 2’000 m³ Felsblöcke, Geröll und Schlamm wurden von den Wassermassen durch den 1,9 km langen Tunnel gespült. Der Murgang beschädigte die Tunnelanlagen massiv. In den nächsten Tagen flossen bis zu 1 m³/s Wasser aus dem Tunnel. Am 30. Juni 2003 konnten Mitglieder der Höhlenforscher-Gemeinschaft Unterwalden (HGU) den entstandenen Hohlraum über dem Tunnelprofil erstmals dokumentieren.

Die HGU hatte sich bei den Tunnelbauern bereits ein halbes Jahr vor dem ersten Wassereinbruch gemeldet und auf allfällige karsthydrologische Phänomene hingewiesen. Nach dem ersten Wassereinbruch wurde die HGU, die eine Arbeitsgemeinschaft mit einem Geologiebüro gebildet hat, mit einem umfassenden Quellmonitoring beauftragt, um die (Karst-)Quellen im Umfeld des Tunnels und im Einzugsgebiet zu beobachten. Diese Arbeiten sind heute noch im Gang.

Aufgrund verschiedener älterer geologischen und hydrogeologischen Untersuchungen sowie der im Rahmen des laufenden Monitorings gewonnen Erkenntnisse wird von der HGU bereits seit längerer Zeit vermutet, dass das in der LSE-Steilrampe austretende Karstwasser aus dem Gebiet des Griessen-Karstes stammt. Um diese Hypothese zu belegen, drängt sich ein Markierversuch auf. Aufgrund der vorgesehenen dichten Ausbauweise sollte der Bergwasserspiegel durch den neuen Tunnel nach Fertigstellung nicht mehr drainiert werden, weshalb die Bauherrschaft sich nicht verpflichtet fühlt, entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Die HGU hat beschlossen, die Abklärungen selber an die Hand zu nehmen. Mit den Untersuchungen sollen die Behörden und Wasserversorgungen sowie die Bevölkerung über die lokalen Karstwasserverhältnisse informiert werden. Bei zukünftigen Problem liefert der Markierversuch zusammen mit den während mehreren Jahren erhobenen Monitoringdaten die erforderlichen Grundlagen und kann auch als Beweissicherung dienen.

Leider sind die Laboruntersuchungen zum Nachweis der Farbstoffaustritte in Wasser- und Aktivkohleproben finanziell sehr aufwändig. Ohne Unterstützung einer Institution mit den entsprechenden Einrichtungen wäre das Projekt kaum realisierbar. Die gegen Ende 2003 geführten Gespräch mit dem Institut für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich verliefen sehr positiv. Die Arbeit wurde im Frühjahr 2004 als Diplomthema ausgeschrieben. Für die Arbeit interessierte sich Frau Emelyne Huck aus Strasbourg (F). Sie wird die entsprechenden Arbeiten unter Leitung und mit Unterstützung der HGU durchführen.

2. Untersuchungsgebiet

Das Untersuchungsgebiet besteht im Wesentlichen aus dem Bannalp- und dem Griessen-Karst sowie deren Randgebiete (Beilage 1). Es liegt zwischen der Ortschaft Oberrickenbach (Wolfenschiessen NW) und Engelberg (OW) und wird westlich durch das Aawasser begrenzt. Der östliche Rand wird durch die Bergkette Chaiserstuel - Ruchstock - Engelberger Rotstock - Wissigstock gebildet.

Das Untersuchungsgebiet liegt im Bereich der Axen-Decke des helvetischen Überschiebungsgürtels. Lokal wird diese aus der heute südlich gelegenen Rimistock-Einheit und der bei der Alpenbildung darübergeschoben Walenstock-Einheit gebildet (Beilage 2). Beide Einheiten bilden grossräumige, nordvergent liegende Antiklinalstrukturen, deren Faltenachsen mit 5 – 10° gegen Westen einfallen. Die Axen-Decke ist im Untersuchungsgebiet vor allem aus Formationen jurasischen Alters aufgebaut. Jüngere Gesteine aus der Kreide und dem Eozän kommen fast nur im Axen-Südlappen der Rimistock-Einheit vor.

Der Griessen-Karst liegt in der Rimistock-Einheit, der Bannalp-Karst in der Walenstock-Einheit. Da die beiden Einheiten vorwiegend entlang inkompetenten Mergel-Formationen von ihrer ursprünglichen Basis abgeschert und auch übereinander geschoben wurden, sind sie weitgehend hydrogeologisch voneinander isoliert. Kleinere Fliessverbindungen vor allem entlang von Störzonen sind aber nicht auszuschliessen.

3. Zielsetzungen

Mit dem Markierversuch sollen folgende Zielsetzungen erreicht werden:

- Abklären der Entwässerung des Griessen-Karstes

- Aufzeigen von hydrogeologischen Fliessverbindungen zwischen Griessen- und Bannalp-Karst

- Abgrenzung des Einzugsgebietes der Karstwassereinbrüche im Tunnel der LSE-Steilrampe

- Karsthydrologische Modellierung in Verbindung mit dem seit 2002 laufenden Quellmonitoring

- Rückschlüsse für weitere Erforschung des Griessen- und Bannalp-Karstes

4. Hypothese

Das Einzugsgebiet des Bannalp-Karstes wird grösstenteils durch die Chaltibachquelle in Grafenort entwässert. Mit grosser Wahrscheinlichkeit tritt auch der in der Sätteliteifi eingegebene Farbstoff (1999 nicht untersucht), bei dieser Karstquelle aus. Hingegen wird der Griessen-Karst zum grössten Teil durch die entlang der nördlich von Engelberg gelegenen Talflanke austretenden Karstquellen entwässert. Eine vermutlich eher untergeordnete, aber tiefer gelegene Entwässerung führt über die nördlich der Rimistock angeschlossene Scheidegg-Stock-Einheit, in welcher auch die Quintner-Kalk-Zone der LSE-Steilrampe liegt, und von dort vermutlich zu einem grossen Teil direkt in den Grundwasserleiter des Aawasser-Tales.

5. Versuchsanordnung

a) Einspeisung

Die Markierstoffe werden Anfang Juni 2005 an vier bis fünf Stellen direkt in einen Höhlenbach oder in eine Schmelzwasserschwinde an der Erdoberfläche eingegeben. Da bei allen vorgesehenen Einspeisepunkte erfahrungsgemäss genügend Wasser vorhanden ist, ist keine Nachspülung erforderlich.

Code	Einspeisestelle	Farbstoff	Menge (ca.)
GRI-E1	Höchen Griessenbänder	Sulforhodamin B	1,5 kg
GRI-E2	Griessen-Firn	Uranin	2 kg
GRI-E3	Ängigriessen	?	?
BAN-E1	Gouffre Faisoifici	Naphtionat	7 kg
BAN-E2	Sätteliteifi	Eosin	1 kg

b) Beprobung

- Die Beprobung der möglichen Austrittsstellen erfolgt abgestimmt auf die obige Hypothese. Das heisst, die wichtigen bekannten Karstquellen vor allem auf Höhe der Talböden bei Engelberg und Grafenort werden einerseits durch Aktivkohle, andererseits in regelmässigen Abständen auch durch Wasserproben überwacht. Bei beobachtetem oder vermutetem Farbstoffaustritt kann die Beprobungsfrequenz erhöht werden. Die restlichen Quellen werden mit Aktivkohlesäckchen beprobt. Für schlecht zugängliche Quellen wird beim Schweizerischen Institut für Speläologie und Karstforschung (SISKA) die Verfügbarkeit der beiden Fluorimeter sowie bei der ETH Zürich des Autosamplers abgeklärt.

- Sämtliche ins Messnetz aufgenommenen Quellen werden auch auf ihre chemische Zusammensetzung analysiert. Ausgewählte Quellen werden auch auf Isotopen untersucht (Bestimmung der Höhenlage des Einzugsgebietes).

- Die Niederschlagsmengen werden durch die Messstelle der Landeshydrologie in Engelberg, im weiteren durch ein rudimentär eingerichtete und durch den Hüttenwart betriebene Messstelle bei der Rugghubelhütte SAC im Griessen-Karst bestimmt.

- Die Schüttung der wichtigsten Quellen wird anhand von Pegelablesungen und Eichungen mit der Salzverdünnungsmethode (Salinomadd des Geologiebüros Dr. von Moos AG, Zürich) aufgezeichnet.

- Die Grundwasservorkommen in Engelberg und Grafenort werden durch vorhandene und zwei bis vier neu geschlagenen Piezometerrohre beobachtet.

6. Auszuführende Arbeiten

Folgende wesentliche Arbeiten werden im Rahmen des Markierversuches in Anlehnung an die Praxishilfe „Einsatz künstlicher Tracer in der Hydrogeologie“ des Bundesamtes für Wasser und Geologie (BWG) von 2002 durchgeführt:

- Gefahrenkataster erstellen, Kontakt mit Wasserversorgungen und Gemeinden aufnehmen

- Markierversuch bei BWG melden

- Informationstätigkeit (Zeitungsberichte, SGH-Zeitschrift „Stalactite“, 2. Unterwaldner Karst- und Höhlentag vom 27./28. August 2005 in Engelberg)

- Genaue Einspeisepunkte bestimmen und einrichten

- Quellenkataster erstellen, Messstellen bestimmen und einrichten (Aktivkohlesäckchen verteilen, Pegel einrichten, Piezometer schlagen usw.)

- Messgeräte bestellen/reservieren

- Seit 2002 betriebenes karsthydrologisches Monitoring weiterführen (Schüttungen der grösseren Karstquellen auf Höhe der Talböden, Grundwasserspiegel in Engelberg und Grafenort)

- Farbstoffe besorgen und vorbereiten (Vortransport auf Ende Juni 2005)

- Probenahmeplan erstellen und Proben entnehmen (Koordination mit Wasserversorgungen), Probenaufbewahrung und –transport organisieren

- Einspeisung koordinieren und durchführen

- Überwachung der Messstellen

- Laborarbeiten im hydrogeologischen Labor der ETH Zürich (HPLC, Fluoreszenzspektrometer)

- Auswertung, Berichterstattung

7. Aufwand

a) Für HGU anfallende Drittkosten

Farbstoffe, Aktivkohle	Fr. 1500.-
Piezometer (2 - 4 Rohre, 1 Zoll Durchmesser)	Fr. 1200.-
Kochsalz (für Durchflussmessungen mit Salzverdünnungsmethode)	Fr. 200.-
Diverse Kleinmaterialien (Einrichtung Bachpegel- und Niederschlagsmessstellen, Stoff für Kohlesäckchen, Spesen am Einspeisetag usw.)	Fr. 300.-
TOTAL	Fr. 3200.-

Die Labor- und Analysekosten werden vom Institut für Ingenieur- und Hydrogeologie der ETH Zürich im Rahmen der Diplomarbeit von Emelyne Huck finanziert. Die Probenahmeflaschen werden ebenfalls zur Verfügung gestellt.

b) Arbeitsaufwand HGU (Grobschätzung)

Begleitung Diplomarbeit	10 AT
Vorbereitungsarbeiten	50 AT
Markierversuch (inkl. Beprobung)	40 AT
Laborarbeiten	5 AT
Auswertung, Berichterstattung, Information	30 AT
TOTAL	135 AT

AT = Arbeitstage (Personen einzeln gerechnet)

8. Zeitplan

Karsthydrologisches Monitoring	April bis August 2005
Vorbereitungsarbeiten für Markierversuch	bis Ende Juni 2005
Einspeisung	Anfang Juli 2005
Beprobung	Juli/August 2005
Auswertung/Berichterstattung	Laufend nach Probenahme bis Frühling 2006

Stans, 30. März 2005/fh

Beilagen

- Beilage 1: Übersichtskarte „HGU. Markierversuch 2005“ vom 30. März 2005, Massstab 1:40’000

- Beilage 2: Powerpoint-Präsentation „Markierversuch Griess-/Bannalp-Karst 2004/05“ für HGU-GV 2005 vom 26. Februar 2005