Wieviel Wasser kann ein Einzugsgebiet auch ohne Regen noch abgeben? Dafür wird der Begriff Total Drainable Water Storage (TDWS) eingeführt: Er bezeichnet das Wasser, das in Böden, Grundwasser und Schnee gespeichert ist und langsam in Flüsse fließt, Trockenperioden überbrückt und Ökosysteme schützt. Da die GRACE-Satelliten zwar Wasserspeicherung messen, aber keine konkrete Angabe gemacht werden kann, welches Wasser aktiv zum Abfluss beiträgt, werden Modelle genutzt, um Speicherkapazität und Flussabfluss zusammenzuführen. Durch die Verknüpfung eines Landspeicher-Modells mit einem Flusssystem-Modell lässt sich der Abfluss am Auslauf eines Einzugsgebiets als Funktion der Speicherveränderungen darstellen. Global wird das Konzept TDWS auf verschiedene Flussgebiete übertragen und als äquivalente Wasserhöhe (EWH) dargestellt, um die räumliche Verteilung der speicherbaren Süßwassermenge zu veranschaulichen. Die Verteilung variiert je nach Klima, Bodeneigenschaften und Landschaft.
Alireza Sobouti, Mohammad Tourian und Nicolaas Sneeuw, Universität Stuttgart
Wie viel Wasser kann ein Einzugsgebiet abgeben, wenn es nicht regnet?
Stellen Sie sich eine Welt vor, in der kein Regen fällt, wenn Tage zu Wochen und Wochen zu Monaten werden - wie viel Wasser kann dann noch aus einem Flussgebiet abfließen? In einem solchen Szenario würde der Fluss noch eine Weile weiterfließen, gespeist von verborgenen Reserven, die in Böden, Grundwasser und Schnee gespeichert sind.
Dieser langsame und stille Abfluss ist es, der Flüsse auch nach dem Regen am Leben erhält, Ökosysteme unterstützt und Trockenperioden abfedert. Es ist dieser abfließbare Anteil des gespeicherten Wassers, den wir als „Total Drainable Water Storage“ (TDWS) bezeichnen – das Wasser, das nach und nach aus einem Einzugsgebiet abfließen und den Fluss noch lange nach Ende der Niederschläge aufrechterhalten kann.
Wir können Wasser aus dem Weltraum sehen
Während Satellitenmissionen wie GRACE und GRACE-FO unsere Fähigkeit, Schwankungen der gesamten Wasserspeicherung aus dem Weltraum zu beobachten, revolutioniert haben, können sie nicht direkt bestimmen, wie viel von diesem Wasser aktiv mit dem Abflusssystem verbunden ist. Sie messen alle Veränderungen der Wassermasse, unabhängig davon, ob dieses Wasser im Boden gebunden ist, unterirdisch gespeichert wird oder aktiv zum Flussabfluss beiträgt. Daher bleibt eine wichtige Frage offen: Wie viel des beobachteten Wassers steht tatsächlich zur Verfügung, um Flüsse über einen längeren Zeitraum zu versorgen? Um dies zu beantworten, müssen wir über reine Beobachtungen hinausgehen.
Verknüpfung von Wasserspeicherung und Flussabfluss
© Sobouti, Tourian, and Sneeuw
Um zu verstehen, wie viel gespeichertes Wasser Flüsse versorgen kann, ist es notwendig, die Wasserspeicherung an Land mit dem Wasserabfluss durch Flüsse zu verknüpfen. Das ESA-Erdsystemmodell beschreibt, wie Wasser im Land gespeichert wird und wie sich dies im Laufe der Zeit verändert. Parallel dazu simuliert das LISFLOOD-Modell die Verteilung und Bewegung von Wasser in einem Flusssystem, wodurch wir den Abfluss am Ausgang eines Einzugsgebiets ermitteln können. Der Zusammenhang zwischen Anomalien der Wasserspeicherung und dem Abfluss basiert auf einer einfachen Idee: Die Wassermenge, die aus einem Einzugsgebiet abfließt, ist proportional zu den Veränderungen der Wasserspeicherung.
Diese Beziehung lässt sich veranschaulichen, indem man die Anomalien der Wasserspeicherung mit dem Abfluss im Zeitverlauf anhand langfristiger Monatsdurchschnitte vergleicht (siehe Abb. 1). Wenn der Abfluss gegen die Speicheranomalien aufgetragen wird, liegen die Punkte nicht auf einer einzigen Linie, sondern bilden eine Schleife, was die verzögerte Reaktion des Abflusses auf Veränderungen der Speicherung widerspiegelt. Nach Berücksichtigung dieser Zeitverzögerung wird die Beziehung deutlicher und fast linear. Jeder Punkt in der Abbildung zeigt, wie viel Wasser im Einzugsgebiet gespeichert ist und wie viel als Abfluss abfließt. Wie erwartet führt ein höherer Speicherstand zu einem höheren Abfluss. Verlängert man diese Beziehung in Richtung niedrigerer Speicherstände, zeigt sich der Punkt, an dem der Abfluss null wird, was bedeutet, dass das Einzugsgebiet den Flussabfluss nicht mehr aufrechterhalten kann. Die Position dieses Punktes gibt an, wie viel Wasser aus dem Einzugsgebiet abfließen kann, bevor der Abfluss zum Stillstand kommt. Wir definieren dies als TDWS.
Ein globales Bild des TDWS
© Sobouti, Tourian, and Sneeuw
Wir erweitern diese Analyse nun mithilfe des ESA-Erdsystemmodells auf die globale Ebene. Durch Anwendung desselben Ansatzes auf verschiedene Flussgebiete schätzen wir die globale Verteilung der gesamten entwässerbaren Wasserspeicherkapazität (TDWS), dargestellt als äquivalente Wasserhöhe (EWH). In dieser Form liefert das TDWS einen nützlichen Näherungswert für die räumliche Verteilung der gesamten Süßwasserressourcen. Die Ergebnisse zeigen, dass das TDWS nicht gleichmäßig über die Erde verteilt ist, sondern zwischen KlimaIm Unterschied zum Wetter, das sich auf tagesaktuelle oder sehr kurzfristige Ereignisse bezieht, meint Klima einen mittleren Zustand in der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von 30 bis 40 Jahren hinweg. Beobachtet werden dabei alle Vorgänge...zonen und Regionen variiert. Diese Variabilität unterstreicht den Einfluss hydroklimatischer Bedingungen, Bodeneigenschaften und Landschaftsmerkmale darauf, wie Wasser gespeichert und freigesetzt wird.
Literaturhinweise
- Tourian, M. J., Papa, F., Elmi, O., Sneeuw, N., Kitambo, B., Tshimanga, R. M., ... & Calmant, S. (2023). Current availability and distribution of Congo Basin’s freshwater resources. Communications Earth & Environment, 4(1), 174.
- Tourian, M. J., J. T. Reager, and N. Sneeuw. “The total drainable water storage of the Amazon river basin: A first estimate using GRACE.” Water Resources Research 54.5 (2018): 3290-3312.
- Dobslaw, H., Bergmann-Wolf, I., Dill, R., Forootan, E., Klemann, V., Kusche, J., & Sasgen, I. (2015). The updated ESA Earth System Model for future gravity mission simulation studies. Journal of Geodesy, 89(5), 505-513.
- Riegger, J., & Tourian, M. J. (2014). Characterization of runoff‐storage relationships by satellite gravimetry and remote sensing. Water Resources Research, 50(4), 3444-3466.