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Marburg Auf der Spur der unterirdischen Flut
Marburg Auf der Spur der unterirdischen Flut
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21:00 18.12.2021
Per Hanganschnitt ist es möglich, das ansonsten unsichtbare unterirdische Fließwasser im Gebirge sichtbar zu machen. Die wissenschaftliche Analyse von Wasserabflüssen ist unter anderem wichtig für die Wasserwirtschaft sowie die Erforschung von Hochwasser-Ereignissen.
Per Hanganschnitt ist es möglich, das ansonsten unsichtbare unterirdische Fließwasser im Gebirge sichtbar zu machen. Die wissenschaftliche Analyse von Wasserabflüssen ist unter anderem wichtig für die Wasserwirtschaft sowie die Erforschung von Hochwasser-Ereignissen. Quelle: Stefan Achleitner
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Marburg

Auf die Spur von schnellen unterirdischen Wasserbewegungen in Mittel- und Hochgebirgen begibt sich eine Forschungsgruppe unter der Leitung des Marburger Geographie-Professors Peter Chifflard in den kommenden vier Jahren. Gefördert wird die Gruppe von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit insgesamt über 4,8 Millionen Euro. Dabei geht es um Wasser, das sich nach Regenfällen in bis zu zwei Metern Tiefe im Boden zwischen der Oberfläche und dem Grundwasser sammelt und dann in diesen Bodenschichten talabwärts fließt. Dieser „Subsurface Stormflow“ (SSF) entsteht in erster Linie an Berghängen, in denen das Grundgestein oder eine weniger durchlässige Bodenschicht von einer durchlässigen Bodenschicht überlagert wird, erläutert Chifflard.

Obwohl es zu dem Forschungsthema schon seit den 70er-Jahren eine Reihe von Publikationen gibt, ist dieses Fließwasser-Phänomen flächendeckend noch weitgehend unerforscht.

Das liegt unter anderem an dem nicht ganz leichten Zugang: Die Fließbewegungen im Boden spielen sich für die Augen verborgen im Boden ab, und das zudem nur bei bestimmten Wetterereignissen wie beispielsweise Starkregen und in sehr knappen Zeitfenstern. So muss die Forschung zu speziellen Hilfsmitteln greifen: beispielsweise indem ein Hang mit Hilfe von Baggern „angeschnitten“ wird, so dass man Einblicke in mögliche Fließbewegungen erhält.

Wo und warum entstehen Überschwemmungen? Das bessere Verständnis des schnell im Untergrund fließenden Wassers könnte auch mehr Erkenntnisse zur Entstehung von Hochwasser-Ereignissen beitragen, erläutert Chifflard. So ergaben die Auswertungen des Jahrhunderthochwassers 2013 durch die Forscher, dass es in den großen Flüssen zu zwei Wellen kam. Nach der ersten großen Welle seien im Prinzip die Rückhalteflächen schon an der Kapazitätsgrenze gewesen. Der schnelle unterirdische Zwischenabfluss könnte dann für das Aufkommen der in den nachträglich erstellten Modellkurven beobachteten „nachlaufenden Welle“ gesorgt haben.

Prinzipiell könne er auch als einer von mehreren Faktoren für die Entstehung des verheerenden Eifel-Hochwassers im Sommer dieses Jahres beteiligt gewesen sein, erläutert Professor Chifflard im Gespräch mit der OP. Die genauere Aufarbeitung der Daten stehe allerdings noch aus. „Bisher warnen wir vor Hochwasser vor allem aufgrund der Pegelstände der Flüsse“, erklärt der Marburger Wissenschaftler. Ein genaueres Verständnis, welche Böden besonders von solchen Phänomenen betroffen sein könnten, könnte aber eventuell auch zu einem zeitigeren Hochwasser-Frühwarnsystem beitragen. Dazu müssten dann aber auch bestimmte Schwellenwerte festgelegt werden, die in dieser Forschungsgruppe ermittelt werden.

Aber auch weitere für Wasserwirtschaft und Ökosystem-Management wichtige Fragen hängen davon ab: Wie wird die Wasserqualität vor Ort durch die Abflüsse aus den Böden bestimmt?; wie gelangen unterirdische Nähr- und Schadstoffe von landwirtschaftlich genutzten Flächen in einen Bach?; wohin genau fließt das Wasser, wenn es regnet?

Bisher fehlen vor allem systematische Studien, die sich nicht nur auf wenige Standorte und Ereignisse stützen. Ziel der Forschungsgruppe ist es jetzt, Funktionsprinzipien aufzudecken sowie methodische Verfahren experimentell und modelltechnisch bereitzustellen.

Gleich in vier Regionen bauen die Forscherinnen und Forscher von acht Universitäten aus Deutschland, Österreich und der Schweiz jetzt ihre Messstationen und Gerätschaften auf: im Erzgebirge, im Sauerland bei Olpe (Obere Brachtpe), im Südschwarzwald (Hexental) sowie in den Tuxer Alpen bei Innsbruck im Padastertal.

Überall sollen dieselben Methoden verwendet werden, um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erreichen. Es ist eine Kombination von Methoden aus der Geophysik, der Biologie, Bodenkunde, Hydrologie und Geographie.

500 Grundwasser-Beobachtungsrohre

So werden „Trenches“ (Einschnitte in die Hänge) dazu verwendet, genauere Informationen über die sonst unsichtbaren unterirdischen Fließwege zu erfahren.

Auch 500 Grundwasser-Beobachtungsrohre werden in dem Forschungsvorhaben eingesetzt.

Zudem sind Beregnungs-Versuche geplant, bei denen mit Hilfe von Bewässerungsanlagen künstlicher Regen erzeugt wird, der dann in den Boden eindringt und somit den SSF an definierten Hängen auslöst.

Ganz neu ist der Einsatz von „Umwelt-DNA“-Methoden, um Genaueres über den Transport des Wassers und seine Wege im Boden zu erfahren. Zusätzlich soll künstliche Mikroorganismen-DNA in den Boden eingebracht werden, so dass genaue Herkunftswerte des Fließwassers identifiziert werden können.

Alle Daten, die in rund zweieinhalb Jahren zusammengetragen werden, sollen schließlich in die Erarbeitung von hydrologischen Modellen einfließen. Wenn die Zwischenergebnisse sich am Ende der Förderperiode als vielversprechend erweisen, dann könnte es eine Verlängerung der Finanzierung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) um weitere vier Jahre geben.

Peter Chifflard

Professor Peter Chifflard ist gemeinsam mit Dr. Theresa Blume vom Deutschen GeoForschungsZentrum (Potsdam) Sprecher des Forschungsverbunds zum „Subsurface Stormflow“ (SSF). Der 49-Jährige stammt aus Bayern und wechselte nach dem Geographiestudium in Augsburg und Regensburg an die Ruhr-Universität Bochum, wo er auch seine Doktorarbeit abschloss. Darin ging es mit Hilfe von experimentellen Studien im Sauerland um den „Einfluss des Reliefs, der Hangsedimente und der Bodenvorfeuchte auf die Abflussbildung im Mittelgebirge“. Ab 2013 war Chifflard zunächst Juniorprofessor am Fach Geographie der Uni Marburg und seit 2019 ist er dort Professor für Boden- und Hydrogeographie. 

Von Manfred Hitzeroth

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