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Charakterisierung der Hydrologie unterhalb von Flüssen und Flussmündungen — USA
TEM-FALLSTUDIE ● USA, 2020
01 – Die Herausforderung
Die Hydrogeologie unter Flüssen, Seen und Flussmündungen ist fast überall in einem aussagekräftigen Maßstab nicht kartiert – wodurch die Grenzflächen zwischen Süß- und Salzwasser im Grundwasser sowie der Austausch zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser praktisch unsichtbar bleiben.
Mit herkömmlichen Methoden lassen sich die Hunderte von Kilometern, die zur Charakterisierung eines Fluss- oder Mündungssystems erforderlich sind, wirtschaftlich nicht abdecken – insbesondere nicht in den Tiefen, die zur Erfassung der tatsächlichen hydrogeologischen Struktur notwendig sind. Diese Lücke behindert eine genaue landesweite hydrologische Modellierung – man kann nicht vorhersagen, wie Grundwasser und Oberflächenwasser miteinander interagieren, wenn man gar nicht erst erkennen kann, was sich unter der Wasseroberfläche befindet.
02 – Der Kontext
Eine an mehreren Standorten durchgeführte Demonstration von FloaTEM– einem schwimmenden, geschleppten System zur Messung transienter elektromagnetischer Felder – zur Charakterisierung der Hydrogeologie unter Flüssen und Flussmündungen in den Vereinigten Staaten, in Zusammenarbeit mit dem U.S. Geological Survey (USGS).
PARTNER-
U.S. Geological Survey (USGS)
LANDES
Vereinigte Staaten (Connecticut, New York, Mississippi, Massachusetts)
DES GELÄNDES
Flussbettablagerungen, Grundgestein, Übergänge zwischen Süß- und Salzwasser im Grundwasser
BEGUTACHTETE STANDORTE
4
TECHNOLOGIE-
FloaTEM
JAHR
2020
Durchgeführt in Zusammenarbeit mit dem U.S. Geological Survey (USGS) und der HydroGeophysics Group der Universität Aarhus.
03 – Die Lösung
Elektromagnetische Vermessung mit schwimmenden Messgeräten
FloaTEM ist ein schwimmendes System zur Messung transienter elektromagnetischer Felder, das hinter einem Boot über die Wasseroberfläche gezogen wird. Es wurde entwickelt, um unterirdische Strukturen in größeren Tiefen abzubilden als andere geschleppte TEM-Instrumente. Es wurde an vier Standorten in den USA getestet – am Farmington River (Connecticut), am Upper Delaware River (New York), am Tallahatchie River (Mississippi) und an der Mündung des Eel River (Massachusetts) –, die jeweils ausgewählt wurden, um das System im Hinblick auf unterschiedliche hydrogeologische Fragestellungen zu prüfen.
Methodik
01
Systemeinführung
FloaTEM wurde in einer 2×4-Spulenkonfiguration von einem Boot aus geschleppt und erfasste dabei kontinuierlich die gesamte Oberfläche jedes Flusses oder jeder Flussmündung.
02
Datenerhebung an mehreren Standorten
Die Untersuchungen wurden an vier Standorten in den USA durchgeführt, wobei die Untersuchungsgebiete von Süßwasserflüssen bis hin zu einem gezeitenbeeinflussten, nährstoffreichen Mündungsgebiet reichten.
03
Kreuzvalidierung
Am Standort am Tallahatchie River wurden die FloaTEM-Ergebnisse direkt mit luftgestützten EM-Daten im Frequenzbereich und bodengestützten TEM-Daten aus Schleppmessungen verglichen.
04
Hydrogeologische Auswertung
Anhand der Ergebnisse wurden Gesteinsschichten, wasserführende Schichten, Materialien an der Sediment-Wasser-Grenzfläche sowie die Grenzen zwischen Süß- und Salzwasser im Grundwasser bestimmt.
04 – Die Ergebnisse
Mit FloaTEM wurden an mehreren Standorten Gesteinsschichten und wasserabschließende Schichten kartiert, und zwar mit einer Auflösung, die mit luftgestützten Verfahren vergleichbar ist. Im Mündungsgebiet des Eel River wurden landseitige Süßwasseraustritte mit Strömungswegen abgebildet, die sich Hunderte von Metern vom Ufer entfernt erstreckten – wodurch frühere hydrogeologische Charakterisierungen dieser nährstoffreichen Küstenaustauschzone verbessert wurden.
4
Erfasste Standorte an Flüssen und Flussmündungen in den USA
über 100 m
Abgebildete Fließwege des Süßwasserabflusses an der Mündung des Eel River
2
Veröffentlichte, von Fachkollegen begutachtete Artikel
Die Region
01
Die einzige Wasserquelle auf Cape Cod
Der Cape-Cod-Grundwasserleiter wurde 1982 von der EPA als einzige Trinkwasserquelle für das gesamte Cape ausgewiesen; er wird ausschließlich durch Niederschläge gespeist. Zu wissen, wo genau dieses Süßwasser auf das umgebende Salzwasser trifft, ist hier keine reine Theorie – es geht um die gesamte Wasserversorgung.
02
Vier Bundesstaaten, eine Frage
Die Standorte Farmington, Delaware, Tallahatchie und Eel River erstrecken sich über Connecticut, New York, Mississippi und Massachusetts – unterschiedliche geologische Verhältnisse, unterschiedliche Klimabedingungen, um zu prüfen, ob eine Methode überall zuverlässig dieselbe Frage beantworten kann.
03
Eine nationale Wissenschaftsbehörde
Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem U.S. Geological Survey durchgeführt, der für die Wasserressourcenforschung des Landes zuständigen Bundesbehörde – es handelte sich also nicht um einen privaten Auftrag, sondern um eine echte Forschungspartnerschaft.
04
In großem Maßstab unzureichend kartiert
Die Hydrogeologie unter Flüssen und Flussmündungen ist auf der von Hydrologen tatsächlich benötigten Skala von mehreren zehn Kilometern nach wie vor nicht kartiert – eine Lücke, die landesweit besteht und nicht nur an diesen vier Standorten.
05 Die Auswirkungen
Eine neue Art, unter die Wasseroberfläche zu blicken.
FloaTEM wird inzwischen über diese vier ursprünglichen Standorte hinaus eingesetzt, unter anderem bei Offshore-Untersuchungen in Dänemark. Durch die Erfassung bisher unsichtbarer Phänomene – Schnittstellen zwischen Süß- und Salzwasser, die Struktur vergrabener Grundwasserleiter, Grundwasseraustrittsbereiche – bietet es Hydrologen eine völlig neue Möglichkeit zu verstehen, wie Flüsse, Seen und Flussmündungen Wasser mit dem darunterliegenden Boden austauschen.
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