Grundwasserveränderungen genauer verfolgen

Für die Landwirtschaft ebenso wie für die Trinkwasserversorgung in vielen Regionen ist das Wissen um die unterirdische Wasserspeicherung von existenzieller Bedeutung. Diese Speicher werden von Niederschlägen und versickernden Gewässern aufgefüllt und speisen ihrerseits Flüsse und Seen und lassen in trockenen Jahreszeiten Flüsse fließen.

Messungen allerdings gestalten sich schwierig, weil man nur schwer in die Erde schauen und entweder nur Punktwerte – über Bohrlöcher und Brunnen – ermitteln kann oder auf Berechnungen aus Niederschlags- und Abflussdaten angewiesen ist.

Seit 2002 gibt es eine weitere Methode, Grundwasserveränderungen zu messen: Über die Satellitenmissionen GRACE (von 2002 bis 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018) kann die Änderung der Wassermenge in und auf der Erde anhand seines Schwerefeldsignals ermittelt werden. Doch auch dieses Verfahren hat seine Tücken.

Erstens sagt die Massenveränderung, die die GRACE-FO-Satelliten messen, nichts über das „Stockwerk“ aus, in dem sich die Masse befindet: Entleeren sich Seen an der Oberfläche? Sinkt der Pegel von Flüssen? Oder fließt aus tieferen Schichten Wasser ab?

Zweitens liefern die GRACE-FO-Satelliten Daten für vergleichsweise große Flächen von mehreren zehntausend Quadratkilometern. Genauer lassen sich die Schwerefelddaten derzeit nicht auflösen.

In einer neuen Studie zeigen Forschende des Deutschen GeoForschungsZentrums und eine Kollegin aus den USA, wie sich unterschiedliche Verfahren geschickt kombinieren lassen, um auch für kleine Flusseinzugsgebiete zuverlässige Grundwasserdaten zu erhalten.

Sie haben dazu Monsun-Niederschlags-Daten und den saisonalen Wasserspeicher in nahezu 250 Flusseinzugsgebieten in Asien untersucht. Die Größe der einzelnen Gebiete variiert von eintausend bis zu einer Million Quadratkilometern. Die Studie deckt nahezu ganz Asien ab.

Der Wasserhaushalt auf unserer Erde ist von drei Hauptvariablen geprägt: Niederschlag, Oberflächenabfluss und Verdunstung. Die Differenz dessen geht in verschiedene Speicher, z.B. in das Grundwasser, oder fließt daraus ab. Zeitreihen von Messstationen an Flüssen (Hydrographen) nach anhaltendem Niederschlägen zeigen typische abfallende Kurven (sogenannte Rezessionskurven), welche das Leerlaufen der Wasserspeicher widerspiegeln. Aus diesen Kurven lassen sich die Grundwasserschwankungen abschätzen.

Eine andere Methode ist die Gegenüberstellung von Niederschlags- und Abflusswerten durch die Zeitverzögerung des Abflusses; die zeitweise Zwischenspeicherung ergibt eine so genannte P-Q-Hysterese. P steht dabei für Niederschlag (engl. precipitation) und Q für den Abfluss. Die Fläche oder Größe der Hysterese-Schleife kann als Maß für die Zwischenspeicherung dienen.

Die Studie in Earth and Planetary Science Letters zeigt nun, dass die P-Q-Hysterese und die Schwerefelddaten der GRACE-Missionen stark zusammenhängen. Beide bilden demnach saisonale Grundwasserveränderungen sehr gut ab. In der Konsequenz heißt das, dass man mit einer Kombination aus Niederschlags- und Abflussdaten sowie GRACE-Schwerefelddaten auch das Grundwasser in Einzugsgebieten erfassen kann, die nur rund 1000 Quadratkilometer groß sind.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X20303599?via%3Dih…

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Originalstudie: Amanda H. Schmidt, Stefan Lüdtke, Christoff Andermann: Multiple measures of monsoon-controlled water storage in Asia; Earth and Planetary Science Letters. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116415