Extreme Bodenfeuchte ließ das Hochwasser entstehen

Veröffentlicht: Juni 16, 2013 von fluthelfer in Zentrale der Deutschen Fluthilfe

 

Die Regenmengen in Mai und Juni brachen nur selten Rekordmarken. Die Werte der Bodenfeuchte dagegen schon. Wenn sie Extremhochwasser entstehen lassen, sollte man auch den Untergrund genauer anschauen. Von Roland Knauer

Extreme Bodenfeuchte ließ das Hochwasser entstehen

Niederschläge versickern langsam im Boden, bis sie an eine Sperrschicht kommen und Grundwasser bilden

Die Karte der Bodenfeuchte vom 26. Mai 2013 hätte eigentlich schon alles sagen können. Sie zeigte das, was zur Hochwasserkatastrophe in den vergangenen Wochen geführt hat: ein breites, dunkelblaues Band, das sich von der deutschen Ostseeküste durch die Mitte des Landes bis zur Donau zog. Auch der bayerische Alpenrand war tiefblau eingefärbt.

Tiefblau, das bedeutet auf der Karte des Deutschen Wetterdienstes „extrem feucht“. Auf vierzig Prozent der Landesfläche war die Bodenfeuchte Ende Mai so hoch, wie es noch nie zuvor gemessen wurde. Viele Bauern fluchten damals noch, weil sie ihre nassen Äcker nicht bearbeiten konnten und Ernteausfälle befürchteten. Doch das war im Nachhinein noch das kleinere Problem.

Hochwasser-Experten sorgten sich bereits, dass weit Schlimmeres droht: Genau an diesem letzten Mai-Wochenende hatte der Himmel über vielen der ohnehin bereits extrem feuchten Regionen seine Schleusen geöffnet – und aus den Wolken fiel Regen, Regen und Regen. Da die obersten Bodenschichten durch die vorherigen ergiebigen Niederschläge bereits gut gefüllt waren, begannen sie rasch überzulaufen. Wenn Wasser aber nicht mehr versickern kann, bleibt es an der Oberfläche. Rinnsale, Bäche, Tümpel, Teiche und Flüsse schwellen an, braune Fluten schießen talwärts. Der Rest ist bekannt: Orte wie Passau, Deggendorf und Regensburg, Halle und Magdeburg erlebten ein Hochwasser wie nie zuvor in ihrer Geschichte.

Bodenfeuchte mit Rekordmarken

Die Regenmengen an sich, die Ende Mai und Anfang Juni niedergingen, brachen nur selten Rekordmarken. Die Werte der Bodenfeuchte dagegen schon. Wenn diese Kombination ein Extremhochwasser entstehen lässt, sollte man sich neben Deichen, Überflutungsbecken und Klima auch den Untergrund genauer anschauen, betont das Deutsche Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam. „Schließlich wissen wir über das Wasser im Boden noch eher wenig“, erklärt GFZ-Forscher Andreas Güntner.

Das liegt unter anderem am Untergrund selbst, der völlig unterschiedlich sein kann. Im Osten Deutschlands haben die Eiszeiten zum Beispiel reichlich Sand abgeladen. Zwischen den Körnern aber gibt es große Hohlräume, die rund 40 Prozent des Raumes unter der Oberfläche einnehmen.

Nicht viel anders sieht es im Löss aus, der weiter im Westen – etwa in der Magdeburger Börde – liegt. Dieser Boden enthält zwar ähnlich viele Hohlräume, hält aber das Wasser erheblich besser zurück als der überdimensionale Sandkasten im Osten, durch den das Nass zügig in die Tiefe sickert. Völlig anders ist die Situation dagegen im Granit oder Gneis des Erzgebirges. In diesem kompakten Gestein gibt es zwar Risse und Spalten, die aber zusammen nur wenige Prozent Hohlräume bilden. Niederschläge finden dort also viel weniger Raum als im Löss oder Sand weiter im Norden. Da es aber eine ganze Reihe weiterer Böden mit oft recht verschiedenen Eigenschaften gibt, verhält sich auch das Wasser jeweils anders.

Sperrschicht aus dichtem Ton

Natürlich sickert der Niederschlag nicht unendlich in die Tiefe. Über kurz oder lang trifft das Wasser meist auf eine Sperrschicht, die zum Beispiel aus dichtem Ton bestehen kann. Dort staut sich der sickernde Niederschlag und füllt die Hohlräume im darüberliegenden Boden auf. „Grundwasser“ nennen Hydrologen die Schicht im Untergrund, in der praktisch die gesamte Luft durch die Flüssigkeit ersetzt wurde. Direkt darüber liegt meist eine Zone, in der sich Luft und Wasser die Hohlräume teilen.

Wie dick diese Grundwasserschicht ist und wie tief sie liegt, hängt nicht nur von der Art des Untergrunds und einer Sperrschicht ab. In Sandwüsten mit wenig Niederschlägen und lockeren Böden etwa steht das Grundwasser manchmal erst in einigen Hundert Meter Tiefe. Dort müssen die Menschen sehr tiefe Brunnen bohren, um an Wasser zu kommen.

Meist stammt das Nass dort unten aus längst vergangenen Epochen mit höheren Niederschlägen, und es dauert Tausende von Jahren, bis die spärlichen Regenfälle heutzutage einmal entnommenes Wasser ersetzen. In Oasen wiederum steht das Grundwasser viel höher, weil zum Beispiel eine Sperrschicht das Versickern bald verhindert.

Grundwasser in wenigen Meter Tiefe

Regnet es dagegen wie in Mitteleuropa reichlich, steht das Grundwasser schon in wenigen Meter Tiefe. In besonders niederschlagsreichen Gebieten wie an der Westküste Norwegens oder im Süden Chiles reicht es manchmal bis direkt an die Oberfläche. Strömt nun ein Fluss aus solchen feuchten Regionen in eine Sandwüste, versickert sein Wasser dort rasch, und der Strom verschwindet im Untergrund.

Manche Ströme wie der Nil tragen aber viel Ton-Schlamm mit sich, der sich langsam aber sicher im Flusstal ablagert und es mit der Zeit abdichtet. Da Hochwasser diese Sperrschicht auch in den normalerweise trocken liegenden Uferbereichen deponiert, steht auch dort das Grundwasser in Zeiten mit normalem Pegel recht hoch und verhilft dem Niltal so schon seit Jahrtausenden zu guten Ackerböden.

Auch die dort wachsenden Pflanzen beeinflussen das Wasser im Untergrund erheblich, weil sie mit ihren Wurzeln die Flüssigkeit nach oben ziehen. Ein Teil dieses Wassers verdunstet über die Blätter und geht so den Böden verloren.

Zapfstelle in tiefem Grund

In Mitteleuropa holen Nutzpflanzen ihre Flüssigkeit allerdings kaum einmal direkt aus dem Grundwasser, weil ihre Wurzeln gar nicht bis dort hinunterreichen. Anders aber sieht es oft in Wäldern aus, weil die Wurzeln einiger Bäume noch in einigen Meter Tiefe das Grundwasser anzapfen können.

Tun sie das aber wirklich? Um das herauszubekommen, testen GFZ-Forscher Andreas Güntner und seine Kollegen zurzeit eine Sauerstoff-Isotopen-Methode. Dieses Element besteht in der Natur aus unterschiedlichen Atom-Sorten, deren leichtere O-16 heißt, während O-18 deutlich schwerer ist. Aus dem Untergrund verschwindet erfahrungsgemäß das leichte Isotop erheblich schneller.

Messen die Forscher diese Sauerstoff-Isotope nun in den Flüssigkeitsadern der Bäume und in den Bodenschichten, können sie sehen, aus welchen Tiefen das Gehölz gerade Wasser holt. Da die meisten Gewächse Mitteleuropas in der wärmeren Saison erheblich mehr „trinken“, schwankt der Verbrauch des Wassers im Untergrund mit der Jahreszeit.

Löcher im Boden

Aber auch wenn ein Wald abgeholzt wird und keine Pflanzen auf dem Kahlschlag wachsen, verschwindet Grundwasser aus dem Boden. Steht es nicht weit unter der Oberfläche, steigt es über schmale Poren und Risse im Boden, von Kapillarkräften angetrieben, nach oben und verdunstet in der Sonne. Da zusätzlich in sehr vielen Weltgegenden auch die Niederschläge von Monat zu Monat und oft auch von Jahr zu Jahr erheblich variieren, bilden sich unterschiedliche Mengen von Grundwasser, und eine Bilanz des Geschehens fällt schwer.

Um zu erfahren, was in der Tiefe mit dem Wasser passiert, bohren Hydrologen daher Löcher in den Boden und installieren in verschiedenen Tiefen Messgeräte. Da Wasser normalerweise elektrischen Strom besser als Gestein leitet, können solche Sonden mit elektrischen Impulsen bestimmen, wie viel Wasser im Untergrund steckt. Solche Messungen sind recht aufwendig, genaue Werte über das Wasser im Untergrund gibt es daher nur von wenigen Stellen.

Einen Überblick verschaffen sich der GFZ-Forscher Andreas Güntner und seine Kollegen mithilfe des Satellitenpaares „Grace“, das seit 2002 die Erde umkreist. Dieses Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen Weltraumorganisation Nasa, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des GFZ misst die Schwerkraft der Erde über bestimmten Regionen extrem genau.

Schwerkraft ändert sich

Da diese Anziehungskraft von der Masse der gemessenen Region abhängt, wächst die Schwerkraft ein klein wenig, wenn mehr Wasser im Boden steckt. Misst „Grace“ daher Änderungen der Erdschwerebeschleunigung einer Region, verrät das einiges über das Grundwasser.

Allerdings muss das Satellitenpaar dazu sehr genau messen, weil Unterschiede im Wassergehalt in den oberen Bodenschichten bei einer Tiefe bis zum Erdmittelpunkt von rund 6000 Kilometern kaum ins Gewicht fallen. „Tatsächlich ändert sich die bei rund 9,8 Metern pro Sekunde2 liegende Erdschwerebeschleunigung nur ab der siebten Stelle hinter dem Komma“, erklärt Andreas Güntner. Das schafft „Grace“ zwar, doch das Satellitenpaar misst immer gleich eine Region von gut hunderttausend Quadratkilometern, die also größer als Österreich ist.

Trockenperioden dezimieren Wasservorräte

In so großen Gebieten aber lassen auch andere Einflüsse die Schwerkraft messbar schwanken: Zum Beispiel schaufeln die Gezeiten im Sechs-Stunden-Rhythmus riesige Wassermengen in Meeresbuchten und wieder heraus, oder mit dem Luftdruck ändert sich auch die Masse der Atmosphäre über diesem Gebiet, die ebenfalls die Schwerkraft verändert. „Solche Schwankungen müssen wir natürlich aus den Daten herausrechnen, um Veränderungen des Grundwassers messen zu können“, sagt Güntner.

Das klappt inzwischen sehr gut, demonstrieren James Famiglietti von der University of California und Matthew Rodell von der Nasa in „Science“: Auf einer Karte der USA zeigen sie, wie das Grundwasser im kalifornischen Längstal abnimmt, weil dort die künstliche Bewässerung riesiger Flächen große Mengen verbraucht. In anderen Gebieten, wie in Teilen von Texas und Alabama, dezimieren lang anhaltende Trockenperioden die Wasservorräte in der Tiefe.

Mit den Daten von „Grace“ möchte Güntner auch die Grundwassersituation in Mitteleuropa für die Extremhochwasser 2002 und 2013 unter die Lupe nehmen, um die Rolle des Bodens besser einschätzen zu können. In Zukunft kommt dann vielleicht schon das Nachfolgersatellitenpaar zum Zuge, das GFZ, DLR und Nasa 2017 starten wollen.

Die Geheimnisse des Grundwassers in der Tiefe sollen künftig nicht nur am Boden, sondern auch hoch über der Erde gelüftet werden.

Quelle: welt.de

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