Ein satellitengestütztes numerisches Modell für regionalen submarinen Grundwasserabfluss am Beispiel von Java, Indonesien

Mithra Hajati1, Edwin Sutanudjaja2, Nils Moosdorf1
1 Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)
2 Universiteit Utrecht

P 9.12 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

Intensive anthropogene Landnutzung und Verstädterung kann auf tropischen Inseln zu hohen Schadstoffeinträgen durch Fluss- und Grundwasser in die Küstengewässer führen. Während Oberflächengewässer mit einfachen Methoden überwacht werden können, ist direkter Grundwasserabfluss ins Meer („Submariner Grundwasserabfluss“) aufwendiger zu messen und Monitoring-Daten liegen nur selten vor. Es gibt kaum verwertbare Daten über den Einfluss der Grundwasserstoffeinträge auf die Ökosysteme im küstennahen Meerwasser. Ein numerisches Modell wurde entwickelt um die Relevanz von submarinem Grundwasserabfluss und damit assoziierten Stickstoffeinträgen für Küstenregionen mit geringer Datenverfügbarkeit zu berechnen. Dieses Modell basiert ausschließlich auf frei verfügbaren Satellitendaten und ist damit für alle tropischen Regionen mit geringem oder keinem Grundwassermonitoring anwendbar. Das Model wird hier für die Insel Java präsentiert und diskutiert.

Für  das entwickelte Model wurde die Küste Javas in Küsteneinzugsgebiete aufgeteilt, (1) deren Fläche jeweils zwischen zwei größeren Flüssen, bzw. Flusseinzugsgebieten liegt. Es wird angenommen, dass der im Einzugsgebiet gefallene Niederschlag abzüglich der Evapotranspiration zur Grundwasserneubildung beiträgt und nur aufgrund von saisonalen Überschwemmungsereignissen zu Oberflächenabfluss wird. Der Großteil der Grundwasserneubildung in den Küsteneinzugsgebieten wird daher zu submarinem Grundwasserabfluss.

Die vadose Zone und der Grundwasserleiter werden vereinfacht als Speicher simuliert. Anhand dieser Speicher werden Grundwasserneubildung, kapillarer Aufstieg, Oberflächenabfluss und SGD berechnet. Diese Wasserflüsse von und zu den Speichern werden durch die jeweilige Rezessionskonstante bestimmt, die von den Einzugsgebietseigenschaften abhängt. Je größer die vadose Zone gewählt wird, desto größer wird der submarine Grundwasserabfluss, da weniger Wasser als Oberflächenabfluss abfließt. Der meiste Oberflächenabfluss findet sich in alluvialen Einzugsgebieten mit geringer Durchlässigkeit und Geländehöhe, den geringsten in Karsteinzugsgebieten mit hoher Durchlässigkeit und höherer Geländehöhe. Ebenfalls wirkt sich eine große horizontale Rezessionskonstante des Grundwasserleiters positiv auf SGD aus. Dieser Einfluss ist größer auf karstifizierte Einzugsgebiete als auf vulkanische und am geringsten auf Alluvialböden. SGD zeigt in den meisten Einzugsgebieten kaum Saisonalität. Diese ist ebenfalls abhängig vom Bodentyp und nimmt aber mit steigender Grundwasserneubildung und steigender horizontaler Rezessionskonstante zu.

Das entwickelte Modell ist das erste, das ausschließlich auf satellitengestützten Fernerkundungsdaten basiert und den zeitlichen Ablauf von submarinem terrestrischen Grundwasserabfluss auf regionaler Skala darstellen kann. Hiermit können ohne in-situ Daten Küstenabschnitte identifiziert werden, die durch hohe Grundwassereinträge anfällig für hohe anthropogene Stoffeinträge ins marine Ökosystem sind.