Hydrologische Sensoren
Wasser ist anziehend
Wie jede Masse übt auch Wasser eine Anziehungskraft (Attraktion) aus, die von hochempfindlichen Gravimetern registriert werden kann. Da sich die Wassermenge im Untergrund durch Niederschlag, Abfluß und Verdunstung ändert, sind entsprechende Variationen im supraleitenden Gravimeter sichtbar.
Im Rahmen des Projektes HYGRA der Sektion Hydrologie des GFZ Potsdam wurde Wettzell als Testgebiet ausgewählt, um das Zusammenspiel zwischen Gravimetermessungen und Wassermassenvariationen im Untergrund zu verstehen. Hierzu wurden in den Jahren 2007-2010 im Bereich des Geodätischen Observatoriums die lokalen hydrologischen Massenvariationen erfasst und daraus mit Hilfe eines Modells entsprechende Schwereänderungen am Ort des Gravimeters hergeleitet. Das Ziel war es, einerseits die Gravimeterdaten vom hydrologischen Einfluss zu bereinigen. Andererseits wollten die Wissenschaftler des GFZ untersuchen, ob ein hochgenaues Gravimeter auch als hydrologischer Sensor eingesetzt werden kann, um Informationen über den Wasserkreislauf zu gewinnen. In Zusammenhang mit Satellitenmissionen wie GRACE ist hierbei vor allem auch die Abschätzung von lokalen und regionalen hydrologischen Anteilen interessant. Aber auch für die Orientierungskorrektur des Großringlasers ist eine Quantifizierung des hydrologischen Attraktionsanteils in den Zeitreihen der Neigungsmesser von Interesse.
Untersuchung von Bohrkernen
Eine Vielzahl von Sensoren
Die Wissenschaftler des GFZ Potsdam spannten also ein dichtes hydrologisches Messnetz über das Observatoriumsgelände, um den Wasserkreislauf zu erfassen. Totale Überwachung hieß ihr Motto: Zusätzlich zu den seit 1998 bestehenden drei Pegeln wurden sieben weitere Grundwasserpegel auf der Station bzw. in deren Umgebung errichtet und mit Messeinrichtungen zur Erfassung von Grundwasserhöhe, -temperatur und -leitfähigkeit versehen. Hunderte von Bodenfeuchtesensoren zur vierdimensionalen Erfassung der Bodenfeuchte wurden vergraben, ein Schneehöhensensor und ein Schneekissen bestimmen die Schneemenge, und ein Überfallwehr misst die Abflussmenge in der Umgebung.Daneben wurde durch die Analyse zahlreicher Boden- und Gesteinsproben, durch Feldversuche und geoelektrische Sondierungen ein detailliertes Bild der Beschaffenheit, der hydraulischen Leitfähigkeit und der Speicherkapazität des Untergrundes erstellt.
In diesem Zusammenhang einmalig ist die Installation eines Lysimeters, das einen ungestörten Bodenmonolith mit 1,5 cbm Volumen kontinuierlich wiegt. Damit ist es möglich, den gefallenen Niederschlag, das austretende Sickerwasser und die verdunstete Wassermenge exakt zu quantifizieren, was für die hydrologische Bilanzierung von großem Wert ist.
Von Wasser- zu Schwereänderungen
Das aus diesen Daten abgeleitete hydrologische Modell gibt zu jedem Zeitschritt die Verteilung des Wassers im Untergrund wieder. Sensitivitätsanalysen zeigen, dass in einem Radius von 50 m um das Gravimeter zwischen 50 und 80 % des lokalen hydrologischen Signals erzeugt werden und die Topographie einen großen Einfluss hat. Die Gegenüberstellung zeigt, dass bereits ein wesentlicher Teil der Schwereänderungen in den Gravimeterresiduen durch das hydrologische Modell wiedergegeben werden.
Gegenüberstellung der Schwereresiduen (orange) mit den berechneten Schwereänderungen aus dem hydrologisches Modell (blau)
Quelle: B. Creutzfeldt et al. (2010), Geophys. J. Int. 183: 178-187.
Einbau des Lysimeters im Sommer 2008
Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde im Bereich des neuen Gravimetergebäudes in Wettzell bereits ein entsprechendes hydrologisches Monitoringsystem dauerhaft installiert. Es ist geplant, nach einer Validierungsphase die Ergebnisse der hydrologischen Modellierung in die Korrektur der Gravimeterzeitreihen einfließen zu lassen.
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