Unterirdisch verbunden

Topographisch skizzierte Wassereinzugsgebiete sind eine räumliche Einheit, die sich an den Formen der Erdoberfläche orientieren. In ihnen wird ersichtlich, wie menschliche Aktivitäten und der Klimawandel die verfügbaren Mengen an Wasser beeinflussen. Das Wissen über diese Einheiten ist grundlegend für eine nachhaltige Wasserwirtschaft. Aufgrund unterirdischer Verbindungen sammeln einige Einzugsgebiete jedoch Wasser aus Arealen jenseits ihrer topographischen Grenzen an, während andere aufgrund von unterirdischen Abflüssen effektiv viel kleiner sind als ihre Oberflächentopographie vermuten lässt. Gegenwärtig berücksichtigen die meisten hydrologischen Modellierungsstrategien diese Grundwasserverbindungen nicht, sondern gehen davon aus, dass die Einzugsgebiete jeweils unabhängig von ihrer Umgebung sind. Deshalb haben Dr. Yan Liu und Juniorprofessor Dr. Andreas Hartmann von der Professur für Hydrologische Modellierung und Wasserressourcen der Universität Freiburg mit einem Team von Forschenden der Universität in Bristol/England und der Universität Princeton/USA den Effective Catchment Index (ECI) eingeführt. Mit dieser neuen Metrik konnten sie bei der Analyse eines globalen Datensatzes feststellen, wie topographische und tatsächliche Einzugsgebiete voneinander abweichen. Die Ergebnisse hat das Team in der Zeitschrift „Environmental Research Letters“ veröffentlicht.

Das Team um Liu und Hartmann konnte mit dem ECI nachweisen, dass die Annahme einer geschlossenen Wasserbilanz, also dass sich zum Beispiel der Pegel eines Flusses nur durch Niederschlag und Verdunstung innerhalb des Einzugsgebiets verändert, für eine beträchtliche Anzahl von Arealen auf der ganzen Welt nicht zutrifft: Jedes dritte untersuchte Einzugsgebiet weist eine effektive Fläche auf, die sogar größer als das Doppelte oder kleiner als die Hälfte seines topographischen Einzugsgebiets ist. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkannten, dass diese Areale außerhalb ihrer topographischen Grenzen durch wasserwirtschaftliche Aktivitäten wie das Abpumpen von Grundwasser sowie zum Beispiel durch Entwaldung oder Wiederaufforstung beeinflusst werden, oder Areale außerhalb ihrer Grenzen beeinflussen.

Mit ihrer Analyse zeigen die Forschenden, dass der von ihnen neu definierte ECI geeignet ist, um zu untersuchen, wie sich eine Dürre durch den Wasseraustausch über topographische Grenzen hinweg ausbreiten kann. Ebenso ist er in der Analyse der Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den grenzüberschreitenden Wasseraustausch verwendbar. „So haben wir gesehen“, erklärt Hartmann, „wo wir die unterirdischen Vernetzungen über topographische Grenzen weiter untersuchen müssen, um ein nachhaltiges Wassermanagement zu unterstützen.“

Diese Forschung wird durch das Emmy-Noether-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts von Andreas Hartmann „Globale Abschätzung von Wassermangel in Karstregionen in Zeiten des globalen Wandels " gefördert. Das Global Runoff Data Centre (GRDC) lieferte einen Teil der Abflussdaten für den globalen Einzugsgebietsdatensatz.

Originalpublikation:
Liu, Y., Wagener, T., Beck, H.E., Hartmann, A. (2020): What is the hydrologically effective area of a catchment? In: Environmental Research Letters. DOI: 10.1088/1748-9326/aba7e5

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