Schnell und Unsichtbar: Die Beherrschung des Subsurface Stormflows durch einen interdisziplinären Ansatz an mehreren Standorten | SSF
Wohin fließt das Wasser, wenn es regnet? Wo und wie entstehen Überschwemmungen? Und was bestimmt die Qualität des Flusswassers bei Starkregen? Solche grundlegenden Fragen stehen im Zentrum zahlreicher Disziplinen – vom Ingenieurwesen und Hochwasserschutz über das Wasser- und Ökosystemmanagement bis hin zur Vorhersage der Auswirkungen des globalen Wandels.
Ein besonders schwer zugänglicher, aber entscheidender Prozess, der diese Phänomene maßgeblich beeinflusst, ist der sogenannte Subsurface Stormflow (SSF) – die schnelle, laterale Bewegung von Wasser im Untergrund, ausgelöst durch Niederschläge. Obwohl dieser Prozess weit verbreitet und hydrologisch bedeutsam ist, wird er häufig unterschätzt. Der Grund dafür liegt im Mangel an systematischen, skalenübergreifenden Studien, die allgemeine Mechanismen offenlegen könnten. Ein besseres Verständnis von SSF ist jedoch essenziell, um verlässliche experimentelle Erfassungs- und Modellierungsmethoden zu entwickeln.
In vielen natürlichen Landschaften spielt SSF eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Oberflächenabfluss. Er trägt einerseits direkt zum Abfluss in Fließgewässern bei, andererseits indirekt, indem er gesättigte Bodenbereiche erzeugt, aus denen Wasser zur Hangoberfläche zurückfließen kann. Dadurch wird ein großer Teil der Abflussreaktion von Fließgewässern auf Niederschläge durch SSF beeinflusst – sei es unmittelbar oder mittelbar. Der tatsächliche Beitrag dieses Prozesses ist vermutlich deutlich größer als bisher angenommen.
Besonders bedeutsam ist SSF in Quellregionen, die rund 70 Prozent des Gewässernetzes ausmachen und einen entscheidenden Einfluss auf die Wassermenge und -qualität in den Unterläufen haben. Dennoch ist SSF bislang nur unzureichend quantifiziert – vor allem aufgrund der schwer zugänglichen Lage im Untergrund, der räumlichen Heterogenität, der Vielfalt an Quellgebieten sowie des schwellenartigen Charakters des Prozesses: SSF tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf. Diese Herausforderungen erschweren eine systematische wissenschaftliche Erfassung erheblich.
Um diese Forschungslücke zu schließen, führen wir eine breit angelegte Untersuchung von SSF in verschiedenen Landschaftstypen und auf unterschiedlichen Maßstabsebenen durch. Grundlage ist ein sorgfältig entwickeltes Set aus innovativen und replizierten Methoden, darunter neuartige Messansätze, eine fundierte Bewertung potenzieller Indikatoren sowie ein umfassender Vergleich und eine Verbesserung bestehender Modellierungsansätze. Nur durch derart koordinierte Studien kann das Verständnis und das Management dieses zentralen hydrologischen Prozesses entscheidend verbessert werden.
Wir erproben neuartige Methoden zur Quantifizierung des hangseitigen SSS, indem wir ein einheitliches methodisches Rahmenkonzept in vier repräsentativen Quellgebieten anwenden – dem Schwarzwald, dem Sauerland und dem Erzgebirge in Deutschland sowie in den Österreichischen Alpen. Ziel ist es zunächst, die Entstehung von SSF an Hängen besser zu verstehen – einschließlich der Bedingungen, unter denen dieser Prozess ausgelöst wird, der maßgeblichen Steuerungsfaktoren sowie der Veränderung physikalischer und chemischer Signale beim Durchtritt durch die Uferzone. Darüber hinaus wollen wir typische SSF-Signaturen auf größeren Skalen identifizieren. Dazu führen wir verteilte Messungen sowohl in der Uferzone als auch im Gewässer durch. Diese Datengrundlage ermöglicht es uns, Muster und Steuerungsmechanismen auf Landschafts- und Gewässerabschnittsebene zu analysieren und schließlich die lokalen Prozesse am Hang mit den hydrologischen Reaktionen auf der Ebene ganzer Einzugsgebiete zu verknüpfen.