Wie zirkuliert Wasser im Untergrund? Dieses Wissen ist unerlässlich!

Die von Marco Dentz (IDAEA-CSIC) koordinierte Initiative verbindet Höhlenkartierung, Experimente und digitale Modelle, um die Wasserströmung und den Schadstofftransport in Karstsystemen weltweit zu verstehen.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels treten heftige Stürme, Dürren und Überschwemmungen immer häufiger auf. Diese Extremereignisse wirken sich nicht nur auf die Erdoberfläche aus, sondern verändern auch die unterirdischen Grundwasservorkommen, auf die Millionen von Menschen als Trinkwasserquelle angewiesen sind. Trotz ihrer entscheidenden Rolle im Wasserkreislauf ist jedoch noch immer wenig darüber bekannt, wie Wasser unter der Erde zirkuliert.

Das europäische Projekt Karst, das durch einen renommierten Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) finanziert und vom Forscher Marco Dentz vom Institut für Umweltbewertung und Wasserforschung (IDAEA-CSIC) koordiniert wird, widmet sich dieser großen Herausforderung: der Modellierung und Charakterisierung unterirdischer Höhlensysteme weltweit, um Wasserströmungen und den Transport von Schadstoffen vorherzusagen. Das Projekt begann im Jahr 2023 und hat nach dreijähriger Arbeit bereits bedeutende Fortschritte erzielt, darunter den Aufbau der weltweit größten Datenbank für Höhlennetzwerke. Mit noch drei Jahren vor sich strebt das Forschungsteam an, seine Modelle zu verfeinern, um die Bewegung von Wasser und Schadstoffen vorherzusagen und auf diese Weise die tatsächlichen Auswirkungen von Überschwemmungen oder Verschüttungen zu bewerten.

Grundwasser und Schadstoffausbreitung verstehen

Karstsysteme sind Kalksteinhöhlen, die durch die Auflösung von Karstgestein (Kalkstein, Gips, Dolomit) entstehen und hochverzweigte, ausgedehnte Höhlennetzwerke bilden. Schätzungen zufolge bedecken sie etwa 10 % der Erdoberfläche, was sie zu einem wesentlichen Bestandteil der globalen Hydrologie macht. Aufgrund der Eigenschaften von Kalkstein wird Wasser nicht gespeichert, sondern fließt schnell durch die Hohlräume. Daher reagieren diese Systeme sehr empfindlich auf Veränderungen des Wasservolumens. So kann es beispielsweise bei starken Regenfällen leicht zu Überschwemmungen kommen, während sie in Dürreperioden vollständig austrocknen können.

Um zu verstehen, wie Wasser durch diese unterirdischen Systeme fließt, wurden bislang die klassischen Gesetze der Strömungsphysik herangezogen. Diese Modelle geben jedoch die tatsächliche Komplexität nicht angemessen wieder.

„Eine Höhle ist kein glattes und perfekt symmetrisches Rohr. Ihre Wände sind rau, zerklüftet und weisen Hohlräume auf, in denen sich Wasserstrudel bilden oder Wasser vorübergehend gespeichert werden kann“, erklärt Marco Dentz, Forscher am IDAEA und Koordinator von Karst.

Daher bestand der erste Schritt des Projekts darin, zu verstehen, was im Inneren eines Karsthöhlenkanals vor sich geht. Um diese komplexen Geometrien zu untersuchen, führte das Team LiDAR-Scans (laserbasierte Technologie) in 16 Höhlen in Europa durch, um hochdetaillierte digitale 3D-Modelle ihres Inneren zu erstellen.

Anhand dieser Scans entwickelten die Forscher numerische Simulationen der Wasserströmung und des Stofftransports. Außerdem fertigten sie physische, im 3D-Druck hergestellte Nachbildungen an, von denen einige mehr als zwei Meter lang sind und die die tatsächliche Struktur der Höhle originalgetreu wiedergeben. Diese Nachbildungen werden genutzt, um Strömungs- und Transportversuche im Labormaßstab durchzuführen.

Dort beobachten Wissenschaftler, wie Wasser unter kontrollierten Bedingungen zirkuliert, und vergleichen die Ergebnisse mit mathematischen Simulationen. Ziel ist es, die physikalischen Gesetze zu ermitteln, die die Bewegung von Wasser und gelösten Stoffen – wie Mineralien oder Schadstoffe – in echten Karstkanälen beschreiben.

Die weltweit größte Höhlendatenbank

Eines der wichtigsten Ergebnisse des Karst-Projekts war bislang die Erhebung von Daten zu Karstsystemen weltweit in Zusammenarbeit mit Höhlenforschervereinen und Höhlenforschern, um deren Topologie zu beschreiben: wie sich die Höhlengänge miteinander verbinden, wie stark sie verzweigt sind und welche Abmessungen sie aufweisen.

Anhand dieser Daten entsteht derzeit die weltweit umfassendste Datenbank zu Karsthöhlensystemen. Diese Arbeit ermöglicht es Forschern, anhand von Merkmalen wie Durchmesser, Struktur oder Linearität gemeinsame Muster zu erkennen, um Systemtypen zu klassifizieren und synthetische Modelle mit realistischen Eigenschaften zu erstellen.

Die Datenbank umfasst derzeit 172 Höhlensysteme, davon 15 in Spanien. Sie werden in vier morphologische Hauptkategorien eingeteilt: verzweigte Höhlen, labyrinthartige Höhlen, anastomotische Höhlen (in denen sich die Gänge wiederholt teilen und wieder vereinen) und Höhlen mit schwammartigen Formen. Die Morphologie hängt vom geologischen Kontext ab, von der Gesteinsart, in der sich die Höhle bildet, davon, ob sie an der Küste oder in den Bergen liegt, sowie davon, ob es sich um eine hypogene Höhle (gebildet durch aus der Tiefe aufsteigendes Wasser) oder eine epigene Höhle (gebildet durch von der Oberfläche eindringendes Wasser) handelt. Die Analyse der Struktur hilft dabei, den Ursprung von Höhlensystemen zu entschlüsseln, und erleichtert die numerische Simulation und damit die Vorhersage des Wasserflusses durch diese Systeme.

Dank des Einsatzes von Deep-Learning-Modellen rekonstruiert das Forschungsteam zudem unbekannte Teile von Höhlensystemen, die für Menschen unzugänglich sind.

Bewertung und Rückverfolgung von Kontaminationen

Die hohe Fließgeschwindigkeit des Wassers in Karstsystemen macht diese Grundwasserleiter besonders anfällig. Bei starken Regenfällen können sie schnell gesättigt werden und Überschwemmungen verursachen. Ebenso kann sich eine verschüttete Schadstoffmenge innerhalb von Stunden oder Tagen bis zu einem Trinkwasserbrunnen ausbreiten.

Einer der bekanntesten Fälle ist die Walkerton-Tragödie, die sich im Jahr 2000 in Kanada ereignete. Nach starken Regenfällen kontaminierte das Bakterium Escherichia coli aus landwirtschaftlichem Dünger mehrere Trinkwasserbrunnen. Da das Schutzsystem unterschätzte, wie schnell sich der Schadstoff durch den Karstgrundwasserleiter ausbreiten konnte, erkrankten mehr als 2.300 Menschen und sieben starben.

Um ähnliche Situationen zu vermeiden, ist ein genaues Verständnis der unterirdischen Wasserströmungen erforderlich. In diesem Zusammenhang entwickelt das Karst-Projekt auch Werkzeuge für die forensische Hydrogeologie: eine Disziplin, die numerische Modelle der unterirdischen Strömungen nutzt, um die Herkunft, den Weg und die Auswirkungen eines Schadstoffs zu rekonstruieren. Ein Beispiel aus der Praxis für diese Art der Analyse ist der im Film Erin Brockovich dargestellte Fall, in dem gezeigt wurde, wie hochgiftiges sechswertiges Chrom von einem Industriebetrieb in die Grundwasserbrunnen gelangte, die die Stadt Hinkley in Kalifornien versorgten, wodurch viele Einwohner an verschiedenen Krebsarten, Fortpflanzungsstörungen und anderen schwerwiegenden Erkrankungen litten.

Das Karst-Projekt zeigt, wie Grundlagenforschung in der Strömungsphysik und mathematische Modellierung zu einem zentralen und direkten Instrument werden können, um Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserressourcen im aktuellen Klimawandelszenario zu bewältigen.

Quelle: IDAEA - CSIC