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Satellitendaten helfen, Grundwasserleiter besser zu kartieren
Unsichtbare Wasserwege: Wie leicht Grundwasser durch Gestein strömen kann, lässt sich bislang nur mit großem Aufwand kartieren. Eine neue Auswertung von Satellitenmessungen macht nun Unterschiede in einem Grundwasserleiter in Nevada sichtbar. Ein einziges Radarbild lieferte dabei mehr Informationen über die Durchlässigkeit des Untergrunds als mehrere zeitlich aufgelöste GPS-Messreihen.
Austin (U.S.A.). Grundwasser bewegt sich durch Poren, Spalten und Schichten im Gestein. Wie schnell es fließen kann, hängt von dessen Durchlässigkeit ab. Doch diese sogenannte Permeabilität ändert sich oft schon auf kurzen Strecken erheblich. Für die Wasserwirtschaft ist es daher wichtig zu wissen, wo sich gut durchlässige Zonen oder geologische Barrieren befinden.
Das Problem: Bohrungen und Messbrunnen liefern nur punktuelle Einblicke in den Untergrund. Gleichzeitig kann das Abpumpen von Grundwasser den Boden darüber geringfügig absinken lassen. Solche Landabsenkungen lassen sich aus dem All erfassen. Ob sie zugleich die verborgenen Fließwege mit ausreichender räumlicher Genauigkeit verraten, ist jedoch eine schwierige Rechenaufgabe.
Forscher der University of Texas at Austin (UT Austin) um Prof. Marc A. Hesse haben dafür Satellitenaufnahmen und Bodenmessungen mit einem physikalisch-statistischen Modell kombiniert. Sie untersuchten, welche Rückschlüsse die verschiedenen Daten auf die Durchlässigkeit eines Grundwasserleiters zulassen und wie unsicher die daraus errechneten Karten sind.
Als Prüfstand diente ein rund 400 Meter mächtiger Grundwasserleiter südöstlich der Stadt Mesquite in Nevada. Dort wurde im Jahr 2003 über mehrere Monate Wasser aus einem kommunalen Brunnen gepumpt. Zehn hochpräzise GPS-Stationen registrierten die dabei auftretenden Bodenbewegungen. Hinzu kam ein Radarbild des damaligen Envisat-Satelliten, das Verformungen während des Pumpversuchs erfasste.
Die Wissenschaftler nutzten ein dreidimensionales Modell, das Veränderungen des Wasserdrucks mit den Verformungen des durchströmten Gesteins verbindet. Anschließend berechneten sie rückwärts, welche räumliche Verteilung der Permeabilität die gemessenen Bewegungen erklären kann. Ein sogenannter Bayes-Ansatz berücksichtigt dabei nicht nur die wahrscheinlichste Lösung, sondern auch, wie stark die Messdaten verschiedene mögliche Untergrundmodelle eingrenzen.
Die Erstautorin Amal Alghamdi, die die Untersuchung während ihrer Zeit an der UT Austin durchgeführt hat, beschreibt den Ausgangspunkt der Arbeit so:
„Die spannende Frage war, wie weit wir aus dieser Reaktion der Erdoberfläche zurückrechnen können, um etwas über das zu erfahren, was wir unter der Erde nicht direkt sehen können“, erklärt Amal Alghamdi.
Die Auswertung lieferte eine klare Antwort: Das räumlich zusammenhängende Radarbild schränkte die möglichen Verteilungen der Durchlässigkeit deutlich stärker ein als die GPS-Zeitreihen allein. Eine statistische Maßzahl für den Informationsgewinn lag beim Radar bei 110, bei den GPS-Daten dagegen bei 41. Die gemeinsame Auswertung beider Datensätze erhöhte den Wert auf 121.
Mit Radarinformationen konnte das Team auch weiter vom Brunnen entfernte Bereiche detaillierter abbilden. Das Modell deutet unter anderem auf einen besonders durchlässigen Wasserweg südwestlich der Förderstelle sowie auf mehrere Zonen mit geringer Durchlässigkeit hin. Die Kombination mit GPS-Messungen erweiterte die Gebiete mit vergleichsweise gut eingegrenzten Schätzungen und ließ im Südosten eine weitere mögliche Durchflusszone erkennen.