ERT-Tomographie zur Untersuchung der Grundwasserneubildung an bewaldeten Festgesteinsstandorten

Beitrag zum Projekt:

• Grundwasserneubildung an bewaldeten Festgesteinsstandorten

Grundwasser aus Festgesteinen mit bewaldeten Einzugsgebieten spielt in Deutschland eine wichtige Rolle bei der Trinkwasserversorgung, da das Wasser vergleichsweise gering anthropogen belastet ist und beispielsweise in den Mittelgebirgslandschaften über Quellfassungen vielerorts die lokale Wasserversorgung abdeckt. Durch den Klimawandel ist die „Zukunft des Waldes“ bedroht, damit auch diese Grundwasserressource. An die geänderten Klimabedingungen angepasste Baumarten müssen gefunden werden, welche die Ökosystemfunktion der Wälder erhalten und damit auch deren Funktion für die Grundwasserneubildung. Zur Auswahl geeigneter Baumarten ist die räumlich und zeitlich heterogene und dynamische Wasserverfügbarkeit ein zentraler Parameter.

ERT-Messung im Solling Quelle: BGR

Zur Erkundung des räumlich und zeitlich variablen Wassergehaltes des Bodens im Fichtenwald (Picea albis) und des Pfads Boden-Grundwasser werden hochauflösende elektrische Widerstandstomographie (ERT - Electrical Resistivity Tomography) Messungen durchgeführt. Primär werden die natürlichen Prozesse beobachtet, aber es wird auch ein künstlicher Bewässerungsversuch mit einem Isotopentracer durchgeführt.

Die geoelektrischen Array-Messungen beinhalten 3421 einzelne Dipolmessungen. Eine Arraymessung dauert ca. 40 min und wird alle 8 Stunden wiederholt. Das Messarray ist 17 m lang und 7 m breit und die Abstände der Elektroden betragen 0.5 und 1.0 m. Die Messungen werden invertiert und die spezifischen Widerstände als proximale Parameter für den sich ändernden Wassergehalt im Untergrund interpretiert. Im Arraybereich standen drei Fichten, eine musste im Projektverlauf bereits gefällt werden.

Die ERT Messungen werden ergänzt durch lokale TDR Messungen nahe einer Fichte, Beobachtungen des Xylem-Flusses an den Fichten im Arraybereich, Messungen der Wasserbilanzparameter (Niederschlag, Verdunstung, Temperatur, Kronentraufe) und Modellierungen des Wasserhaushaltes.

Die seit März 2019 im Fichtenstand im Solling in Kooperation mit der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt durchgeführten geoelektrischen Messungen zeigen ein räumlich und zeitlich heterogenes Bild des spezifischen Widerstandes (Abb. 1).
Auffällig ist eine Zone erniedrigter spezifischer Widerstände um die zentrale Fichte, die anderen Fichten im Arraybereich zeigen keine solch markante Anomalie. Unter den Fichten sind in den oberen 0.5 m die spezifischen Widerstände zumeist niedriger als in einiger Entfernung zu den Fichten, wo Blaubeeren (Vaccinium myrtillus) wachsen.

Abb. 1: Verteilung des spezifischen Widerstandes im ERT-Array Gebiet (Aufsicht am 8.10.2019). Die Fichtenstandorte sind mit schwarzen Rechtecken markiert, im linken oberen Viertel wachsen Blaubeeren Quelle: BGR

Der zeitliche Verlauf der spezifischen Widerstände in den verschiedenen Tiefen bis ca. 1 m Tiefe und in geringerer und größerer Entfernung zu den Fichten unterscheidet sich deutlich (Abbildungen 2 und 3). Die Dauerbeobachtung schließt das sehr trockene Frühjahr 2020 ein, wo außerordentlich hohe spezifische Widerstände im Wurzelbereich der Fichten festgestellt wurden. In 0.6 m Tiefe werden im sehr trockenen Frühjahr 2020 die höchsten spezifischen Widerstände festgestellt, die niedrige Wassergehalte anzeigen. Erst durch stärkere Niederschläge im Juni erhöht sich der Wasserhalt in den oberen 0.5 m des Bodens wieder, wo sich die Wurzeln der Fichten befinden.

Eine Erniedrigung der spezifischen Widerstände unterhalb des Wurzelbereichs der Fichten (tiefer als 0.5 m) wird als Hinweis auf Versickerungsprozesse zum Grundwasser hin interpretiert. Nach der vorläufigen Interpretation werden solche Prozesse vornehmlich im Winter, aber auch zu anderen Zeiten lokal nach größeren Niederschlägen beobachtet.