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Hydrogeologie

BMBF: Dürrefrühwarnsysteme für Karbonataquifer (GRaCCe)

Quantifizierung der Dürre-Resilienz von Grundwasserressourcen in Karbonatgrundwasserleitern

Karbonat-Aquifere sind weltweit verbreitet und beinhalten wichtige Wasserressourcen. Aufgrund ihrer hohen hydraulischen Leitfähigkeit, ihres geringen Speicherkoeffizienten und damit verbundenen geringen Speicherkapazität reagieren sie empfindlich auf hydrogeologische Ereignisse.

Das in der wasserungesättigten Zone gespeicherte Wasservolumen kann beträchtlich sein, besonders wenn dicke vadose Zonen vorhanden sind. Da Wasserknappheit aufgrund des Klimawandels immer häufiger auftritt, ist das Verständnis und die Vorhersage der Infiltrationsdynamik hochrelevant.

Außerdem kann ein intelligentes Management des in der vadosen Zone gespeicherten Wassers die Auswirkungen von Trockenperioden auf die Wasserressourcen und damit die Intensität von Dürren reduzieren.

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Ziele

Das Forschungsprojekt GRaCCE konzentriert sich auf die Quantifizierung und Vorhersage von kurz- und langfristigen Dürren unter mediterranem Klima. Das Projekt kombiniert:

  • hydrogeophysikalische Messungen an einem Feldstandort in Rüdersdorf (Brandenburg) zur Identifizierung optimaler Monitoringtechniken zur Quantifizierung von Wasserflüssen in der ungesättigten Zone von Karstaquiferen,
  • Anpassung von Transferfunktionen zur Berechnung der Grundwasserneubildung im Doppel-Kontinuum von Karstaquiferen,
  • Anwendung der Transferfunktionen auf Daten vom Western Mountain Aquifer in Israel und den palästinensischen Gebieten zur schnellen Vorhersage von zukünftigen Grundwasserneubildungsereignissen und Dürren,
  • Einbindung der Transferfunktion in das Dürre-Frühwarnsystem und Unterstützung vom Grundwassermanagement.

Fließwege in der vadosen Zone

© Paul Hepach

Abbildung 1: Infiltrationsverhalten von Wasser entlang bevorzugter Fließwege in der vadosen Zone.

Transferfunktion

© Paul Hepach

Abbildung 2: Darstellung der relevanten Komponenten der vadosen Zone für die die Transferfunktion bestimmt wird (links) und der Transferfunktion und der verschiedenen Verteilungsfunktionen im Frequenzbereich.

Die Transferfunktion beschreibt die vadose Zone als „black box“. Dabei besteht die Transferfunktion aus Informationen über den Input (Niederschlag) und Output (Grundwasserneubildung), aus deren Power Spectral Density (PSD) die Transferfunktion im Frequenzbereich bestimmt wird. Mit Hilfe der Transferfunktion können in der Folge Niederschlagsignale in Grundwasserneubildungen umgewandelt werden, und die mittleren Fließgeschwindigkeiten sowie das gespeicherte Wasservolumen bestimmt werden.

Da die Transferfunktionen im Projekt GRaCCE in Karbonataquiferen angewendet werden, müssen die unterschiedlichen Sickergeschwindigkeiten entlang der Klüfte und Interaktion mit der Matrix berücksichtigt werden. Dies geschieht durch eine Dreiteilung der Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Verteilungsfunktionen. Die Normalverteilung, das „white noise signal“, repräsentiert die schnelle Grundwasserneubildung entlang von Klüften, wohingegen die Gammaverteilung für die Interaktion der Klüften mit der Matrix und die Exponentialverteilung für die langsame Fließkomponente in der Matrix steht.

Entwicklung eines Frühwarnsystems für Dürren

© Paul Hepach

Abbildung 3: Arbeitspakete aller Projektpartner zur Entwicklung eines Dürre Frühwarnsystems und deren Anwendung auf eine Klimaprojektion bis 2070.

Projektdetails

Projektkoordination

Universität von Göttingen
TU Berlin
Leiter: Prof. Dr. Irina Engelhardt

Weitere nationale Partner

Helmholtz Centre for Environmental Research - UFZ
VisDat geodatentechnologie GmbH

Internationale Partner

Ben-Gurion University of the Negev, IL
Hydrological Service Israel, IL
MEKOROT Co Ltd., IL
Hydro-Engineering Consultancy, PS
Palestinian Water Authority, PS
Palestinian Hydrology Group for Water and Environmental Resources Development, PS
Al al-Bayt Universität, JO

Fördermittel

Das Projekt wird vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Middle East Regional Water Technology Cooperation Program (MOST) gefördert.

Funding code:

Projektdauer: 2021-2024