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Land/Region: Südliches Afrika

Projektanfang: 01.01.2013 , Projektende: 31.10.2017

Projektstand: 31.10.2017 , Beendet

English version 

Hintergrund 

Grundwasservorkommen sind in weiten Teilen des südlichen Afrikas die wichtigste Trinkwasserquelle für die lokale Bevölkerung. Neben tiefer liegenden Grundwasservorkommen sind oberflächennahe Vorkommen von besonderer Bedeutung, da sie von der Bevölkerung mit einfachen Mitteln und geringem finanziellen Aufwand erschlossen werden können, wie es beispielsweise handgegrabene Brunnen im Norden Namibias und im Süden Angolas zeigen. Das dort gelegene grenzüberschreitende Cuvelai-Etosha-Becken (CEB) ist ein grundwasserabhängiges Ökosystem. Der Wechsel von Regen- und Trockenzeit, periodisch auftretende Dürren und Überschwemmungen, aber auch klimatische Veränderungen, wie z. B. die Verschiebung von Beginn und Ende der Regenzeit, beeinflussen die Dynamik der Grundwasservorkommen und damit den Lebenszyklus von Pflanzen, Tieren und Menschen. Aber auch der zunehmende Bevölkerungsdruck hat einen direkten Einfluss auf die Grundwasservorkommen. Dennoch fehlen für diese vulnerablen Systeme oft grundlegende Kenntnisse über die Quantität und Dynamik ihrer Reserven.

Ziel des Forschungsprojektes war der Aufbau des "Southern African Science Service Centre for Climate Change and Adaptive Land Management" (SASSCAL). Das Projekt SASSCAL wurde 2010 als eine gemeinsame internationale Forschungsinitiative von Teams aus Angola, Botswana, Namibia, Südafrika, Sambia und Deutschland gegründet. Die vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Initiative hatte sich zum Ziel gesetzt, Lösungsansätze für die vielfältigen Herausforderungen des globalen Wandels zu erarbeiten sowie wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse und nachhaltigen sozioökonomischen Nutzen für das gesamte Südliche Afrika zu generieren. Dazu sollten problemorientierte und anwendungsbezogene Forschungsansätze in den Bereichen der Klimaanpassung und nachhaltiges Georessourcenmanagement umgesetzt werden. Die Interdisziplinarität zwischen den Bereichen der Hydrowissenschaften, Klima, Land- und Forstwirtschaft, Biodiversität und "Capacity Building" in den Partnerländern war dabei ein wesentlicher Schwerpunkt.

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) beteiligte sich im Rahmen des Projektes SASSCAL an den Aufgaben “Improving the understanding of groundwater related processes and establishing groundwater budgets for water management purposes” (Task 10) und “Support of the Establishment of an MSc Program of Applied and Environmental Geology at University of Namibia, Windhoek” (Task 82). Zusammen mit einem Partnerinstitut an der University of Namibia (UNAM) wurden umfangreiche Feldkampagnen durchgeführt, um die Wissensbasis über die physikalischen Prozesse der Grundwasserneubildung, die diese maßgeblich steuern, zu vertiefen und zu qualifizieren. Die Grundwasserneubildung kann in eine direkte (versickernde Niederschläge) und eine indirekte Komponente (verzögerte Versickerung in Oshanas, Senken oder sedimentären Flussbetten) unterschieden werden. Beide Komponenten werden stark von den physikalischen Eigenschaften der ungesättigten Zone beeinflusst, wie z. B. der Beschaffenheit der Sedimentschichten im Boden oder der Landbedeckung.

Im Rahmen der o. g. Aufgabe von Task 82 wurde in enger Zusammenarbeit mit der UNAM ein Masterstudiengang konzipiert und aufgebaut, der die Ausbildung des in den Partnerländern dringend benötigten Nachwuchses im Bereich Umwelt/Wasser ermöglicht. In einem integrierten Ansatz wurden die Studenten auch direkt in die Arbeiten von Task 10 eingebunden, um praktische Erfahrungen direkt vor Ort zu vermitteln. Master‐ und Promotionsstipendien aus Projekten der Partnerländer ergänzten diesen integrativen Ansatz.

Projektgebiet

Das Untersuchungsgebiet der BGR war in der ersten Phase von SASSCAL auf das Cuvelai-Etosha-Becken (CEB) beschränkt. Dieses grenzüberschreitende Einzugsgebiet, das sich nahezu flächengleich über Angola und Namibia erstreckt, beheimatet etwa zwei Drittel der namibischen Bevölkerung (2,3 Mio. Einwohner) und weist einzigartige geologische und hydrologische Eigenschaften auf. Das als "Ovambo-Becken" bekannte Aquifersystem weicht vom oberirdischen Einzugsgebiet ab und bildete sich bereits im Tertiär, als der Okavango noch im Etosha-Becken endete (Miller et al., 2010). Durch vorangegangene Projekte der BGR war bereits eine gute Infrastruktur für die Forschung vorhanden (z. B. Bohrungen zum Grundwasser-Monitoring). Darüber hinaus lagen Ergebnisse aus geophysikalischen Untersuchungen vor, die zur Unterstützung der geplanten Aktivitäten genutzt werden konnten. Dies machte das CEB zu einem idealen Untersuchungsgebiet für wissenschaftliche Studien, die sich mit den komplexen Wechselwirkungen zwischen Aquifersystemen und Grundwasserneubildungsprozessen in der ungesättigten Bodenzone befassen.

Forschungsschwerpunkte

Der Schwerpunkt des Forschungsansatzes der BGR lag in der detaillierten Untersuchung der ungesättigten Zone, in der ein komplexes Zusammenspiel von Bodenart, Vegetation und raumzeitlicher Niederschlagsverteilung sehr heterogene Bedingungen für die Grundwasserneubildung bietet. Die Hauptfragen waren:

  • Wie und mit welchen Methoden kann durch eine Verbesserung der Datenbasis und -qualität ein genaueres Verständnis und eine Quantifizierung der Grundwasserressourcen für das Wasserressourcenmanagement erreicht werden?
  • Welche Methoden eignen sich am besten für eine Abschätzung der Grundwasserneubildung in ariden und semiariden Gebieten? Ist eine Regionalisierung möglich?
  • Können flache Grundwasservorkommen unter Berücksichtigung von Klima- und Landnutzungsänderungen nachhaltig für die Trinkwasserversorgung genutzt werden?
  • Kann die Grundwasserversorgung durch künstliche Grundwasseranreicherung unterstützt werden?

Zur Beantwortung dieser Fragen wurde eine Kombination aus verschiedenen Feld- und Labormethoden, Interpretation und Berechnung auf der Basis stabiler Wasserisotope (Deuterium und Sauerstoff-18), Fernerkundungsdaten und numerischer Modellierung eingesetzt. Bei insgesamt sieben Feldaufenthalten standen Bodenprobenahmen zur isotopenhydrologischen Charakterisierung und bodenhydraulischen Analyse, Tracerversuche, vegetationskundliche Untersuchungen sowie Klima-, Bodenfeuchte- und Grundwassermonitoring im Vordergrund. Basierend auf den im Gelände erhobenen Daten wurden Infiltrationsprozesse und Wasserbewegungen im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum unter verschiedenen Bedingungen (Boden, Klima, Vegetation) charakterisiert und Abschätzungen zur Grundwasserneubildung vorgenommen. Dabei kamen sowohl etablierte Methoden als auch Weiterentwicklungen bestehender Ansätze zum Einsatz. Die Ergebnisse dienten anschließend der Erstellung und Validierung numerischer Modelle zur Beschreibung grundwasserneubildungsrelevanter Prozesse für oberflächennahe und tiefere Grundwasserleiter. Mit den hier vorgestellten Arbeiten wurde erstmals eine fundierte Bewertung dieser Grundwasservorkommen ermöglicht und die Grundlage für ein nachhaltiges Wassermanagement geschaffen.

Ergebnisse

  • Auf stabilen Wasserisotopen basierende Methoden können dazu beitragen, die für die Grundwasserneubildung relevanten Prozesse an der Grenzfläche Boden-Pflanze-Atmosphäre detailliert zu untersuchen und besser zu verstehen.
  • Die Messung stabiler Wasserisotope im Bodenwasser, die im Rahmen des Projektes entwickelt und erstmals in einem semiariden Gebiet angewendet wurde, ermöglicht die Erfassung von Wassertransportprozessen in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
  • Isotopenhydrologische Tracermethoden erlauben die Abschätzung wichtiger Größen, die zur Parametrisierung numerischer Modelle benötigt werden (z. B. Wurzeltiefe und Wurzeldichteverteilung), sowie die direkte Quantifizierung der potentiellen Grundwasserneubildung auf jährlicher Basis.
  • Die Grundwasserneubildung in oberflächennahen Grundwasserleitern ist heterogen und stark von der betrachteten Geländeform abhängig.
  • Die geschätzten Grundwasserneubildungsraten für die untersuchten Landformen betragen
    • zwischen 9 mm/a und 20 mm/a im langjährigen Mittel für bewachsene Standorte in tiefgründigen Sandgebieten; allerdings mit starken jährlichen Schwankungen (z. B. 2013–14: 29 mm/a, 2014–15: 0 mm/a, 2015–16: 4 mm/a),
    • zwischen 20 mm/a und 77 mm/a im langjährigen Mittel in vegetationsfreien, tief sandigen Gebieten und ephemeren Flussbetten und
    • 3 bis 4 mm/a im langjährigen Mittel in Deflationsbecken (lokale Senken im Nordosten des CEB).
  • Über Iishana (saisonal überflutete Gebiete im Zentrum des CEB) findet mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Grundwasserneubildung statt.
  • Der tiefliegende Aquifer Ohangwena-2 (KOH-II) besitzt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein rezentes Grundwasserneubildungsgebiet im angolanischen Hochland.
Foto vom BGR Feld-Forschungscamp "Eenhana Forest" im östlichen Teil vom Cuvelai-Etosha-Becken
BGR Feld-Forschungscamp "Eenhana Forest" im östlichen Teil des Cuvelai-Etosha-Beckens.

Schlussfolgerungen

  • Die größte potentielle Grundwasserneubildung findet auf vegetationsfreien, tiefgründig sandigen Standorten statt (ephemere Flussbetten, Sanddünen, vegetationsfreie Flächen).
  • Lokal auftretende‚ schwebende Grundwasserleiter bieten Potenzial für eine nachhaltige Nutzung und gezielte Grundwasseranreicherung. Aufgrund ihrer guten Erschließbarkeit, der schnellen Regenerierbarkeit der Wasserressourcen (z. B. durch nur eine Regenzeit) und des Vorkommens von Wasser guter Qualität (keine Versalzungsproblematik) können diese Aquifere zu einem wichtigen Bestandteil der ländlichen Wasserversorgung ausgebaut werden. Dies erfordert jedoch als nächsten Schritt eine flächendeckende Erkundung mittels Geophysik sowie weitere wissenschaftliche Untersuchungen auf regionaler Ebene.
  • Der tiefliegende Aquifer Ohangwena-2 (KOH-II) kann als eine wichtige strategische Wasserressource zur Überbrückung längerer Dürreperioden dienen. Ein erweitertes Monitoring und Forschungsarbeiten zum genauen Grundwasseralter und zur Neubildungsrate von KOH-II sind erforderlich.
  • Trotz der Unsicherheiten bilden die geschätzten Neubildungsraten die Grundlage für eine Regionalisierung der Grundwasserneubildung über die ungesättigte Zone auf der Basis unterschiedlicher Landformen.

Die Projekte Grundwasser für den Norden Namibias und Kalahari ergänzten die Expertise des BGR-Teams in diesem Gebiet (Lindenmaier et al., 2012).

Ausgewählte Aktivitäten

Weiterführende Literatur

Paper

  • BEYER, M., GAJ, M., HAMUTOKO, J., KÖNIGER, P., WANKE, H. & HIMMELSBACH, T. (2015): Estimation of groundwater recharge via deuterium labelling in the semi-arid Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. – Isotopes in Environmental and Health Studies, 51(4): 533–552. DOI: 10.1080/10256016.2015.1076407
  • BEYER, M., GAJ, M., KÖNIGER, P., HAMUTOKO, J.T., WANKE, H., WALLNER, M. & HIMMELSBACH, T. (2018): Isotopenhydrologische Methoden (2H, 18O) zur Bestimmung der Grundwasserneubildung in Trockengebieten: Potenzial und Grenzen. – Grundwasser 23(1): 73–90. DOI: 10.1007/s00767-017-0381-0
  • BEYER, M., KÖNIGER, P., GAJ, M., HAMUTOKO, J.T., WANKE, H. & HIMMELSBACH, T. (2015): A Deuterium-based labeling technique for the investigation of rooting depths, water uptake dynamics and unsaturated zone water transport in semiarid environments. – Journal of Hydrology, 533: 627–643. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2015.12.037
  • GAJ, M., BEYER, M., KÖNIGER, P., WANKE, H., HAMUTOKO, J. & HIMMELSBACH, T. (2016): In situ unsaturated zone water stable isotope (2H and 18O) measuements in semi-arid environments: a soil water balance. – Hydrology and Earth System Sciences, 20: 715–731. DOI: 10.5194/hess-20-715-2016
  • GAJ, M., KAUFHOLD, S., KÖNIGER, P., BEYER, M., WEILER, M. & HIMMELSBACH, T. (2017): Mineral mediated isotope fractionation of soil water. – Rapid Commununications in Mass Spectrometry, 31(3): 269–280. DOI: 10.1002/rcm.7787
  • HAMUTOKO, J.T., WANKE, H., KÖNIGER, P., BEYER, M., GAJ, M. (2017): Hydrogeochemical and isotope study of perched aquifers in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. – Isotopes in Environmental and Health Studies, 53(4): 382–399. DOI: 10.1080/10256016.2016.1273913
  • HIMMELSBACH, T. (2017): Tiefe, semi-fossile Grundwasserleiter im südlichen Afrika: Hydrogeologische Untersuchungen im Norden von Namibia. – GMIT – Geowissenschaftlichen Mitteilungen, 67: 7–18. ISSN: 1616-3931.
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  • KÖNIGER, P, GAJ, M., BEYER, M. & HIMMELSBACH, T. (2016): Review on soil water isotope-based groundwater recharge estimations. – Hydrological Processes, 30: 2817–2834. DOI: 10.1002/hyp.10775
  • WALLNER, M., HOUBEN, G., LOHE, C., QUINGER, M., HIMMELSBACH, T. (2017): Inverse modeling and uncertainty analysis of potential groundwater recharge to the confined semi-fossil Ohangwena II Aquifer, Namibia. – Hydrogeology Journal, 25: 2303–2321. DOI: 10.1007/s10040-017-1615-z

Fachbericht

LINDENMAIER, F., DILL, H.G., DOHRMANN, R., FENNER, J., GERSDORF, U., KAUFHOLD, S., KRINGEL, R., LUDWIG, R,, MILLER, R.McG., NICK, A., NOELL, U. & WALZER, A. (2012): Results of Analysis from Drill Holes on the Cubango Megafan. – Technical report prepared for the Kalahari Research Project "Development and Dating of Duricrusts as Base for a Paleogeographic and Hydrogeological Model of the Cuvelai-Etosha Basin in North Namibia". 50 S.; Hannover.
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Präsentationen

  • BEYER M. et al. (2017): Drought-induced anomalies of soil water stable isotopes enable identification of deep root water uptake. – German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Hannover, Deutschland.
  • BEYER M. et al. (2017): Ecohydrological feedbacks in water-limited environments: combining drought-induced changes of soil water stable isotopes and labeling experiments. – International workshop on “Isotope-based studies of water partitioning and plant-soil interactions in forested and agricultural environments”, Florence, Italien.
  • BEYER M. et al. (2015): Deuterium (2H) as applied tracer in the vadose zone: experiences from semiarid Namibia. – German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Heidelberg, Deutschland.
  • BEYER M. et al. (2014): Artificial deuterium labeling for a quantification of groundwater recharge in semi-arid regions. – German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, München, Deutschland.
    Download (PDF, 63KB, Datei ist barrierefrei/barrierearm)
  • GAJ, M. et al. (2015): Limits and potentials determining stable water isotopes using in-situ measurements and soil water extractions. – German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Heidelberg, Deutschland.
    Download (PDF, 48KB, Datei ist barrierefrei/barrierearm)
  • GAJ, M. et al. (2014): Isotopic enrichment of stable isotopes (2H and 18O) in the soil-plant-atmosphere continuum: Implications for seasonal water uptake and evaporation patterns in a semi-arid environment. – IAH-International Congress, Marrakech, Marokko.
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  • KÖNIGER, P. et al. (2014): Soil water stable isotope based groundwater recharge estimations: Examples from humid and semiarid areas. – IAH-International Congress, Marrakech, Marokko.
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Poster

  • BEYER, M. et al. (2017): Constraining water uptake depths in semiarid environments using water stable isotopes. – EGU General Assembly, Wien, Österreich.
  • BEYER M. et al. (2016): Inferring root water uptake depths from water stable isotopes at different system states: Combining natural abundances and labeling experiments. – Joint European Stable Isotopes User group Meeting (JESIUM), Ghent, Belgien.
  • BEYER, M. et al. (2014): Deuterium labeling of soil water movement in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. EGU General Assembly, Wien, Österreich.
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  • GAJ, M. et al. (2016): How do soil types affect stable isotopes ratios under evaporation: A post corrected evaporation fingerprint of the Cuvelai-Etosha-Basin, Namibia. – Joint European Stable Isotopes User group Meeting (JESIUM), Ghent, Belgien.
     Download (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei)
  • GAJ, M. et al. (2016): Stable isotopes of soil water are affected by clay minerals: A post correction approach for dry soils based on physicochemical soil properties. – EGU General Assembly, Wien, Österreich.
  • GAJ, M. et al. (2015): In-situ measurements of pore water stable isotope composition in a semi-arid environment and their implications to spatio-temporal variability. – EGU General Assembly, Wien, Österreich.
     Download (PDF, 3MB, Datei ist nicht barrierefrei)
  • GAJ, M. et al. (2015): Modeling unsaturated zone water stable isotope depth profiles in an evaporation dominated environment. – IAH-International Congress, Rome, Italien.
     Download (PDF, 5MB, Datei ist barrierefrei/barrierearm)
  • GAJ, M. et al. (2014): How do soil types affect stable isotope ratios of 2H and 18O under evaporation: A Fingerprint of the Niipele subbasin of the Cuvelai - Etosha basin, Namibia. – Proceedings of EGU General Assembly, Vol. 16, Wien, Österreich.
    Download (PDF, 45KB, Datei ist nicht barrierefrei)
  • GAJ, M. et al. (2014): Recharge estimation in a semi-arid environment using stable isotope methods: A discussion on in-situ field and laboratory techniques. – German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, München, Deutschland.
    Download (PDF, 4MB, Datei ist nicht barrierefrei)
  • KÖNIGER, P. et al. (2014): Stable isotope and hydro chemical variability along the Calueque-Oshakati Canal in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. – EGU General Assembly, Wien, Österreich.
     Download (PDF, 9MB, Datei ist nicht barrierefrei)

Dissertationen

  • BEYER, M. (2016): Quantitative studies along the soil-vegetation-atmosphere interface of water-limited environments: Practice-oriented approaches based on stable water isotopes, modeling and multivariate analysis. – Mitteilungen des Instituts für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau, Leibniz Universität Hannover, Heft 102, ISSN 0343-8090. Link
  • GAJ, M. (2016): Recharge estimation in a (semi-)arid environment using soil water balance, stable isotopes and modeling approaches. Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

Masterarbeiten

  • ADAM, B. (2015): Modelling the response of stable isotope fractionation in soil water profiles with uncertainty. KIT Karlsruhe.
  • BAHLMANN, L. (2016): Rainfall characteristics and their implications for groundwater recharge in deep vadose zones. A case study in the Cuvelai-Etosha Basin (CEB), Namibia. Leibniz Universität, Hannover.
  • MAHINDAWANSHA, A. (2015): Intercomparison of laboratory techniques for determination of stable isotopes in soil water. University of Darmstadt.
  • SCHILLING, M. (2015): Indirect groundwater recharge in the Cuvelai-Etosha Basin (CEB), Namibia. Investigating the importance of Oshanas, Deflation Pans and Ephemeral River Beds. Leibniz Universität, Hannover.
  • SHEHU, B. (2014): Correction of GRACE data for the influence of surface water, soil and vegetation moisture. A case study on the quantification of groundwater recharge rates in the Cuvelai-Etosha-Basin (CEB), Namibia. Leibniz Universität, Hannover.
  • VILLANUEVA, R. (2015): Direct groundwater recharge in Cuvelai-Etosha-Basin (CEB), Namibia. The use of DAISY for modelling unsaturated zone water movement in a semiarid climate. Leibniz Universität, Hannover.

Sonstige Literatur

  • MENDELSOHN, J., JARVIS, A., & ROBERTSON, T. (2013): A profile and atlas of the Cuvelai-Etosha Basin. – RAISON & Gondwana Collection, 170 S., Windhoek, Namibia. ISBN: 978-99916-780-7-8
  • MILLER, R. M., PICKFORD, M., & SENUT, B. (2010): The geology, paleontology and evolution of the Etosha Pan, Namibia: Implications for terminal Kalahari deposition. – South African Journal of Geology, 113(3), 307–334.

Film

Namibias Grundwasserschatz – Das SASSCAL-Projekt & Technische Zusammenarbeit (30 Min) Link

Partner

Dr. Heike Wanke und Dr. Martin Hipondoka, Geographische Fakultät, Universität Namibia (UNAM), Windhoek, Namibia

Förderungsnummer

SASSCAL / 01LG1201L (BMFTR)

Ihr
Kontakt

Prof. Dr. Georg Houben

Telefon: 0511 643-2373

Georg.Houben@bgr.de