Sacramento Valley: Grundwasserleiter verliert dauerhaft Speicherkapazität

Risse in ausgedörrten Böden sind lediglich ein sichtbares, wenn auch erschreckendes Zeichen für Dürre.

Um die Folgen lang anhaltender, durch den Klimawandel verschärfter Dürren vollständig zu erfassen, müssen Forschende verstehen, was tief im Untergrund geschieht – in den Grundwasserleitern der Welt.

Diese schwammartigen Süßwasserspeicher versorgen Gemeinden, die Landwirtschaft und Ökosysteme an der Oberfläche mit Wasser. Fällt jedoch zu wenig Regen, um sie wieder aufzufüllen, oder wird ihnen zu viel Wasser entnommen, könnten sich Grundwasserleiter möglicherweise nicht erholen.

Das Grundwasserleitersystem im Sacramento Valley steht durch die jüngsten Dürren unter Druck. Es liefert einen Teil des Wassers für Kaliforniens Central Valley, wo zusammen mit dem südlich gelegenen San Joaquin Valley etwa ein Viertel der Lebensmittelversorgung der USA erzeugt wird.

Neuen Daten zufolge ist die Kapazität dieses Grundwasserleiters durch die schnelle und regelmäßige Entnahme von Süßwasser in den vergangenen Jahren inzwischen dauerhaft gesunken.

Wie die Studie in PNAS zeigt, war die Bodensenkung über dem Grundwasserleiter – das Absinken der Schichten, die zuvor durch den unterirdischen Wasserspeicher gestützt wurden – schnell und großflächig genug, um auf eine irreversible Veränderung hinzuweisen.

„Alle verfügbaren Messungen deuten darauf hin, dass die beschleunigte Bodensenkung ab 2021 hauptsächlich auf eine unelastische Verdichtung infolge der Grundwasserentnahme zurückzuführen ist“, schreiben die Forschenden in ihrer Arbeit.

„Im Durchschnitt kehrt die Bodenoberfläche nicht zu ihrem Zustand vor 2021 zurück, selbst wenn sich die Grundwasserstände durch die saisonale Neubildung Ende 2021 erholen, was auf eine irreversible Verformung hindeutet.“

Grundwasserentnahme und irreversible Verdichtung

Der Druck in Grundwasserleitern beeinflusst das darüberliegende Land. Wird Wasser abgepumpt, kann die Verdichtung oberflächennaher Schichten beim natürlichen Wiederauffüllen des Grundwasserleiters reversibel (elastisch) oder irreversibel (unelastisch) sein.

Im zweiten Fall sind der Wasserverlust und die anschließende Bodensenkung zu groß, als dass sich die geologische Schichtung wieder erholen könnte.

Dadurch sinkt die Kapazität des Grundwasserleiters dauerhaft, was seine künftige Wasserlieferfähigkeit beeinträchtigt.

Nach der Auswertung von Ausmaß, Zeitpunkt und räumlicher Verteilung der Verformungen im Sacramento Valley gehen die Forschenden davon aus, dass die unelastische Verdichtung dort zum vorherrschenden Mechanismus geworden ist.

„Eine derart schnelle und ausgedehnte Bodensenkung weist auf eine schwere unelastische Verdichtung und einen Verlust an Speicherkapazität des darunterliegenden Grundwasserleitersystems hin, was eine ernste Bedrohung für Kaliforniens Wasserressourcen und Infrastruktur darstellt“, schreibt das Team.

Für diese Schlussfolgerung analysierte das Team Daten von Satelliten mit Navigationssystemen und Radarinstrumenten. So erhielten die Forschenden einen umfassenderen und präziseren Blick darauf, wie sich der Boden über die Jahre verformte – mit einer Genauigkeit bis auf Millimeterebene.

Entscheidend war, dass die Satellitendaten eine Verdichtung des Grundwasserleiters erfassten, die allein anhand von Grundwassermessungen nicht erkannt worden wäre.

Satellitendaten zeigen drastische Bodensenkung im Sacramento Valley

Von 2016 bis 2020 zeigten die Daten, dass sich das Bodenniveau überwiegend wieder seiner früheren Lage annäherte.

Nach 2021 sank der Boden in einigen Gebieten jedoch um bis zu 50 Zentimeter pro Jahr. Das ist ein Vielfaches der reversiblen Werte aus den Jahren zuvor, die bei etwa 2 Zentimetern pro Jahr lagen.

„Indem unsere Analyse diesen abrupten Übergang auf regionaler Ebene abbildet, zeigt sie das Potenzial weltraumgestützter Überwachung für die frühzeitige Erkennung einer Übernutzung von Grundwasser und des daraus resultierenden Verlusts an Speicherkapazität von Grundwasserleitern weltweit“, schreiben die Forschenden.

Sie schätzen, dass der jährliche Verlust an Wasserspeicherraum ab 2021 auf bis zu 0,2 Kubikkilometer anstieg – rund das Fünffache gegenüber den vorangegangenen Jahren.

Das entspricht einem Kapazitätsverlust von etwa 30 Prozent des jährlichen Wasserverbrauchs von Los Angeles: Der geschrumpfte Grundwasserleiter wird künftig nicht mehr so viel Wasser speichern können.

Frühwarnung durch satellitengestützte Überwachung

Bessere Daten können weder die globale Erwärmung umkehren noch Dürren seltener machen, doch sie können das Wassermanagement verbessern.

In diesem Fall erfassten Satelliten eine bedeutende Veränderung, die ein Netz aus mehr als 2.500 Grundwassermessstellen nicht sichtbar machte – allerdings zu spät, um noch etwas dagegen zu unternehmen.

„Eine Echtzeitüberwachung von Oberflächenverschiebungen mittels Satellitengeodäsie, die ein integriertes Maß für die innere Verformung über die gesamte Sedimentsäule liefert, hätte die frühzeitige Erkennung dieses abrupten Übergangs ermöglichen und den Verlust von Speicherkapazität durch rechtzeitige Gegenmaßnahmen möglicherweise verringern können“, schreiben die Forschenden.

„Die Entwicklung einer solchen Fähigkeit ist besonders in Regionen entscheidend, in denen eine Überwachung vor Ort nicht praktikabel ist, Grundwasserressourcen jedoch zunehmend wichtiger werden.“

Die Forschung wurde in PNAS veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Clare Watson redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, doch auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.