Grundwasser Systeme
Die Arbeitsgruppe wird durch Dr. Christian Siebert geleitet und die Aktivitäten der Arbeitsgruppe konzentrieren sich auf die quantitative und qualitative Bewertung von Grundwasserressourcen, die Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasserkörpern und die Auswirkungen von klimatischen und sozio-ökonomischen Veränderungen auf die verfügbaren Wasserressourcen.Ziel unserer Gruppe ist es, durch die Kombination traditioneller und innovativer Monitoring-Technologien die entscheidenden Datensätze für die multiskalige Modellierung des Ist-Zustandes und der möglichen Entwicklung von (Grund-)Wasserressourcen in Deutschland und darüber hinaus in anderen europäischen und auch in semiariden Regionen bereitzustellen.
Wir sind überzeugt, dieses Ziel nur mittels Multidisziplinarität zu erreichen und sind offen für entsprechende Kooperationen und disziplin-übergreifende Forschungs- und Modellierungsansätze.
Hot Artesian Well in the Yarmouk Gorge, Jordan. (image: C. Siebert)Entwicklung eines Grundwasser-Ressourcenmodells für Deutschland
Vor dem Hintergrund globaler und klimatischer Veränderungen wird für die nachhaltige Entwicklung einer Regione ein fundiertes Wissen über vorhandene Grundwasserspeicher und über die zukünftige Verfügbarkeit von Grund- und Oberflächenwasserressourcen immer wichtiger. Die quantitativen und qualitativen Auswirkungen veränderter Bedingungen (z.B. erhöhte Wasserentnahmen, saisonale Überbeanspruchung) müssen auf lokaler bis regionaler Ebene vorhersehbar werden. Solche umfangreichen Fragen lassen sich mit sehr gut parametrisierten, realistischen Prozessmodellen angehen. Diese sollten alle Komponenten des terrestrischen Wasserkreislaufs und deren Zusammenspiel abbilden und in der Lage sein, Wasser-Ressourcensysteme über Einzugsgebietsgrenzen hinweg zu simulieren und deren mögliche Entwicklungspfade vorherzusagen.
Um dieses Ziel zu erreichen, erstellen wir ein regionales numerisches Grundwassermodell auf der Grundlage eines realitätsnahen hydrogeologischen 3D-Hydrofaziesmodell, das regionale Aquifere und Aquicluden umfasst, die für die derzeitige und künftige städtische, landwirtschaftliche und industrielle Wassernutzung relevant sind. Der hydrogeologische Arbeitsablauf zur Erstellung solcher regionalen Datensätze wurde innerhalb der Arbeitsgruppe entwickelt und wird zukünftig auf die großen Flusseinzugsgebiete von Donau, Rhein, Weser/Ems, Elbe und den nordostdeutschen Flüssen (Oder, Peene, etc.), die in die Ostsee münden, übetragen. Sie sollen schließlich zu einem nationalen OGS Modell zusammengefasst werden. Ein erstes erfolgreiches Modell wurde für das deutsche Donaueinzugsgebiet erstellt.
Diese Aktivitäten sind Teil eines größeren Projektteams aus Hydrogeologen, Hydrologen und Software-Ingenieuren. Das Team entwickelt ein numerisches Grundwasserressourcenmodell, das durch die Grundwasserneubildung zeitlich und räumlich variabel angetrieben wird. Die Neubildung wird mithilfe eines hydrologischen Modells aus Oberflächen- und Klimadaten sowie Klimaprojektionen für die Zukunft berechnet.
Die Modellierung ist Bestandteil der Plattformprojekte WatQ2E und Tim4Water.
Großskalige Grundwasser-Oberflächenwasser Interaktionen (die Elbe)
Der Zustrom von Grundwasser kann erhebliche Auswirkungen auf die Wasserqualität von Flusssystemen haben, insbesondere auf die Konzentration an Nährstoffen (N, P, DOC). Diffuse Nährstoffeinträge aus dem Grundwasser können erheblich zur Eutrophierung beitragen, eines der schwerwiegendsten Risiken für die Gesundheit der Ökosysteme in Flüssen und Ästuaren. Daher sind Kenntnisse darüber, wo, wann und wieviel Grundwasser einströmt, sowie die Dynamik und die Zusammensetzung solcher diffusen Einträge von großer Bedeutung für die Folgenabschätzung.Daneben bietet eine fundierte räumliche Zuordnung und Charakterisierung der Interaktionen (influent/effluent) eine sehr gute Möglichkeit, den räumlich und zeitlich variablen Zu- oder Abstrom von Wasser in, bzw. aus den Aquiferen in den umgebenden Einzugsgebieten zu verstehen. Das wiederum gibt einen Einblick in die Grundwassersysteme und die darin stattfindende Migration des Wassers.
Im August 2018 litt die Elbe unter extrem niedrigen Abflussmengen, eine Folge der anhaltenden Trockenheit seit Februar des Jahres. Der außergewöhnlich niedrige Abfluss der Elbe legte eine Untersuchung nahe, um den Beitrag des Grundwassers zum Fluss zwischen der tschechischen Grenze bei Schöna und Havelberg, 425 km flussabwärts, zu verstehen. Ziel war es, Hotspots und Mengen von Austauschwasser zu ermitteln und die Grundwasserleiter bsser zu charakterisieren. Daher wurden im August 2018 alle 2 Fluss-Kilometer Wasserproben für gelöste anorganische und organische Stoffe sowie stabile und Radioisotope entnommen. Die gleichen Untersuchungen wurden einige Zeit später in den größten zuströmenden Wasserläufen, den Grundwasserquellen und -brunnen sowie aus Abwässern von Kläranlagen entlang der Elbe durchgeführt.
Die Datensätze werden im Rahmen der Doktorarbeit von Julia Zill ausgewertet.
Langzeiteffekte der 2018-2020 Dürre im Harz
Die ausgeprägte Trockenheit zwischen 2018 und 2020 in Verbindung mit Schädlingsbefall setzte den Mokolturwäldern des Harzes besonders schwer zu, was zu einer nahezu flächenhaften Rodung der Baumbestände führte. Wir erwarten, dass die flächenhafte Entwaldung zu einer veränderten Oberflächenhydrologie, zur Erhöhung der Erosion, zu veränderten ökologischen Zuständen in Oberflächengewässern und zu Änderungen der Menge und Zusammensetzung der Grundwasserneubildung führen kann.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Christian Siebert or Stefan Geyer
Impression from Brocken Mountain and the City of Schierke (Mrz. 2022). (image: C. Siebert)
Helmholtz AI-Projekt: AI-QUIFER
Die derzeitige Belastung der weltweiten Süßwasserversorgung, insbesondere in dicht besiedelten Küstenregionen, wird sich durch den fortschreitenden Klimawandel, den damit verbundenen Meerwasseranstieg und das Bevölkerungswachstum noch erheblich verschärfen (siehe Abb. unten). Eine künftige nachhaltige Wasserversorgung der Küstenregionen wird von unserem Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Grundwasser und Ozean in Küsten-Aquifersystemen abhängen.
Durch den Meerwasseranstieg bewegt sich die Süß-/Salzwasser-Grenze (SSG) In vielen Küstenregionen landwärts, was eine potenzielle Bedrohung der Wassersicherheit durch das Eindringen von Salzwasser bedeutet. In einigen Regionen der Welt kann sich die SSG im Untergrund jedoch auch einige Zehner Kilometer seewärts auf dem Schelf befinden, was auf das Vorhandensein von küstennahem, süßem oder brackischen Grundwasser (offshore freshened groundwater OFG) hinweist und eine geringere Bedrohung für den Küstenaquifer bedeuten kann.
Im Rahmen dieses Kooperationsprojekts zwischen GEOMAR, dem Helmholtz-Zentrum für Meeresforschung Kiel und dem UFZ Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung wollen wir weltweit verfügbare Geodaten zu Oberflächenmerkmalen (z. B. digitale Höhenmodelle, Landoberflächenmodelle, Schelfbathymetrie und GRACE-Datensätze) in Verbindung mit Klimadaten und hydrogeologischer Modellierung nutzen, um die weitgehend unbekannte Lage der Salzwasser-Süßwasser-Grenzschicht im Untergrund vorherzusagen. Wir erwarten, dass wir ein Instrument zur Verfügung stellen können, das es uns ermöglicht, globale Wahrscheinlichkeitskarten der Lage der SSG entlang der Küstenlinien zu erstellen (ein Proxy für OFG), die an zukünftige Klimaszenarien angepasst werden können.
Der Gewinn aus der Entwicklung einer kostengünstigen und effizienten Methode zur Vorhersage von OFG und dessen Ausdehnung wäre ein großer Fortschritt für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Küstengewässer und hätte Auswirkungen auf zukünftige Explorations- und Bohrstrategien.
Für weitere Informationen zum Projekt wenden Sie sich bitte an Christian Siebert und Infos zu OFG finden Sie auch
hier
