Grundwasserneubildung an bewaldeten Festgesteinsstandorten
Land / Region: Deutschland
Projektanfang: 01.11.2018
Projektende: 31.07.2021
Projektstand: 31.07.2021
Hintergrund:
Die Abschätzung der Grundwasserneubildung in bewaldeten Festgesteinsstandorten ist generell schwierig, da einerseits die Sickerwassermengen, die sich maßgeblich aus den oberflächennahen Prozessen der Interzeption, Evaporation, Transpiration und weiteren Speicherkomponenten ergeben, und andererseits die hydraulischen Eigenschaften des Festgesteins oft nur unbefriedigend erfasst bzw. ermittelt werden können. Insbesondere die Erfassung des Wasserpfads durch das Wurzelwerk der Pflanzen und die modellhafte Beschreibung bzw. Parametrisierung dieses Prozesses ist bisher zumeist wenig zufriedenstellend. Darüber hinaus findet der Wasserspeicher im ungesättigten Festgestein bisher nur wenig Beachtung, obwohl ihm unter Umständen eine große Rolle bei der Dynamik der Grundwasserneubildung zukommt. Für die Abschätzung bzw. Prognose der Grundwasserneubildung über Modelle ist daher eine bessere Kenntnis der Prozesse und Speicher, bzw. deren modellhaften Beschreibung und Parametrisierung, notwendig.
Grundwasser aus Festgesteinen mit bewaldeten Einzugsgebieten spielt in Deutschland eine wichtige Rolle bei der Trinkwasserversorgung, da das Wasser vergleichsweise gering anthropogen belastet ist und beispielsweise in den Mittelgebirgslandschaften über Quellfassungen vielerorts die lokale Wasserversorgung abdeckt.
Es stehen folgende Fragen im Fokus:
- Wie verhält sich die Wasseraufnahme der Wurzeln in Abhängigkeit von den naturräumlichen Randbedingungen, z. B. Wetterverhältnisse, Bodenwassergehalt, Einfluss der Transpiration, Tiefe der Wasseraufnahme?
- Wie groß ist die reale Wasseraufnahme der Pflanzen in Abhängigkeit von diesen Randbedingungen?
- Wie groß ist die Grundwasserneubildung und wie ist ihre Dynamik?
Die Untersuchungen sind komplementär zum TOPSOIL Projekt zu sehen, das ausschließlich landwirtschaftliche Flächen untersucht. Als weitere Abgrenzung zum TOPSOIL Projekt liegt der Fokus hier auf dem ungesättigten Festgestein, das als Wasserspeicher bisher nur wenig Beachtung findet. Die hier vorgeschlagenen Untersuchungen werden in Kooperation mit der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt (NW-FVA) und dem Institut für Geoökologie der TU Braunschweig durchgeführt.
Geophysikalische Messeinrichtung
Quelle: BGR
Methoden:
Die Wasseraufnahme der Pflanzen unter realen Randbedingungen und der Pfad Boden-Grundwasser werden über eine künstliche Beregnung mit Wasser mit einer definierten Deuterium-Signatur quantitativ erfasst. Die Untersuchungen werden auf Flächen aus der Bodendauerbeobachtung der NW-FVA im Solling mit Buchen- und Fichtenbestand durchgeführt.
Im Boden erfolgt die Beprobung über Saugsonden und ergänzend über Bodenprobenahme und anschließender Bodenwasserextraktion. Kombiniert wird die Beprobung mit der Messung des Wassergehalts mittels Zeitbereichsreflektometrie-Sonde (TDR - Time Domain Reflectometry) und der Messung der Saugspannung mittels Tensiometer. Langjährige bodenphysikalische Messungen und Modellparameter für die beiden Standorte sind vorhanden, genauso wie die genannte Messtechnik. Der Pfad Boden-Pflanze wird durch Beprobung des Xylemwassers über die Stomata und der Messung des Xylemflusses erfasst. Unterstützend ist die in-situ Messung der Isotopensignatur in der Dampfphase des Bodens und in den Pflanzen geplant.
Die Erkundung des Pfads Boden-Grundwasser wird durch geophysikalische Messungen unterstützt. Dafür werden an den Standorten die Versickerungsprozesse durch hochauflösende elektrische Widerstandstomographie (ERT - Electrical Resistivity Tomography) beobachtet, sowohl während der künstlichen Bewässerung als auch unter natürlichen Bedingungen. Ziel der Untersuchungen ist die Bestimmung der Geschwindigkeit, mit der das Wasser durch die ungesättigte Zone fließt und die Ermittlung der Heterogenität der Fließwege. Um aus dem elektrischen Widerstand die Wassergehaltsänderungen und damit die Dynamik erschließen zu können, ist die im Projekt geplante Kombination von ERT mit TDR und Tensiometern entscheidend. Darüber hinaus werden aus Probenmaterial die petrophysikalischen Parameter bestimmt, um ein quantitative Aussage zu ermöglichen.
Projektbeiträge:
Partner:
- Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt (NW-FVA)
- Technische Universität Braunschweig, Institut für Geoökologie, Nachwuchsforschungsgruppe Wasserisotope Boden-Pflanze-Atmosphäre
