Umweltverträgliches Design: Sensoren validieren das kalifornische Grundwassermanagement

Strukturen mit geringem Einfluss

Die globalen Grundwasserressourcen in städtischen und küstennahen Gebieten sind durch die zunehmende Belastung durch den Menschen und Klimaschwankungen stark gefährdet. Undurchlässige Oberflächen wie Gebäude, Straßen und Parkplätze verhindern die Infiltration, verringern die Grundwasserneubildung und erhöhen die Schadstoffbelastung des Oberflächenabflusses, der oft die Kanalisation überflutet. Um diese Auswirkungen abzumildern, setzen Städte weltweit auf Low-Impact-Design (LID), um den Abfluss in natürliche, begrünte Systeme wie Regengärten zu leiten, die den Regenwasserabfluss reduzieren, filtern und verlangsamen. LID erhöht hypothetisch die Infiltrations- und Anreicherungsraten der Grundwasserleiter.

Infiltration und Anreicherung

Michelle und das Team an der San Francisco State University, das von Dr. Jason Gurdak beraten wurde, erkannten, dass die Auswirkungen von LID auf die Anreicherungsraten und -qualität unbekannt waren, insbesondere während intensiver Niederschlagsereignisse für Städte entlang der Pazifikküste als Reaktion auf die interannuelle Variabilität der El Niño Southern Oscillation (ENSO). Mithilfe von METER-Sensoren für das Wasserpotenzial (Bodensaugung) und den Wassergehalt konnte sie die aktuellen und prognostizierten Infiltrations- und Anreicherungsraten des Grundwassersystems des California Coastal Westside Basin quantifizieren. Das Team verglich einen LID-Infiltrationsgraben, der von einem Regengarten umgeben war, mit einer traditionellen Rasenfläche in San Francisco.

Sie sagt: "Städte wie San Francisco setzen diese LID-Strukturen ein, und wir wollten die Wassermenge testen, die durch sie hindurchfließt. Wir interessierten uns insbesondere für verschiedene Klimaszenarien, wie El Niño und La Niña, weil die Regenfälle in El Niño-Jahren viel intensiver sind und zu Sturzfluten oder Problemen mit dem Überlaufen von Schadstoffen führen können."

Sensoren erzählen die Geschichte

Das Forschungsteam untersuchte die Unterschiede in der Wassermenge, die die LID-Strukturen durchlassen konnten. Michelle sagt: "Die Wasserpotenzial- und Bodenfeuchtigkeitssensoren lieferten Daten, die bewiesen, dass LID-Gebiete das Wasser effektiv auffangen, es langsamer versickern lassen und im Wesentlichen im Grundwasserleiter speichern." Das Team testete, wie sich ein Infiltrationsgraben im Stil einer sanften Bebauung im Vergleich zu einem bewässerten Rasen verhielt und stellte fest, dass die Anreicherungseffizienz des Infiltrationsgrabens mit 58% bis 79% viel höher war als die des Rasens mit 8% bis 33%.

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Regenmesser bringen Überraschungen

Obwohl es nicht zum ursprünglichen Plan der Forscher gehörte, haben sie Regenmesser zur Messung des Niederschlags eingesetzt, was einige überraschende Daten lieferte.

Michelle kommentiert: "Wir wollten eigentlich nur die Datenbank von San Francisco verwenden, aber wegen des Nebels war es notwendig, die Regenmesser einzusetzen. Der Nebel brachte eine Menge Niederschlag mit sich, der nicht in Form von Regentropfen fiel. Da er auf den Blättern kondensierte, lieferte er einen beträchtlichen Teil des Wassers im Haushalt, und das war für mich überraschend. Der Regenmesser hat das Kondensat auf dem Trichter des Instruments aufgefangen, so dass wir sehen konnten, dass eine bestimmte Menge Wasser hereinkam, die normalerweise in vielen Studien vernachlässigt wird."

Zukünftige El Niño-Niederschläge

Michelle hat auch einige wirklich interessante Ergebnisse zu El Niño und La Niña gefunden. Sie sagt: "Ich habe eine historische Analyse durchgeführt, um Basiswerte für die Häufigkeit, Intensität und Dauer von Niederschlagsereignissen während El Niño und La Niña Jahren zu ermitteln. Dann habe ich die prognostizierten Klimadaten durch ein Hydrus-2D-Modell laufen lassen. Die Modelle zeigten, dass bei zukünftigen El Niño-Intensitäten die Anreicherungsraten für ein bestimmtes Niederschlagsereignis effektiv höher waren. Bei diesen Ereignissen fließt das Wasser in typischen städtischen Gebieten so schnell ab, dass nur diese Regengärten und Gräben in der Lage wären, den Regen aufzufangen, der andernfalls an den Ozean verloren gehen würde. Dies steht im Gegensatz zu einem La-Niña-Klimaszenario, bei dem es in der Regel weniger Regen gibt, der zudem noch diffuser ist. Der größte Teil des Regens kann in trockenen Jahren durch Verdunstung verloren gehen. Mit Hilfe von Sensoren und 2D-Modellen haben wir also die Hypothese bestätigt, dass LID-Strukturen einen Service für die Speicherung von Wasser bieten, insbesondere in El-Niño-Jahren, in denen es mehr intensive Regenfälle gibt."

Michelles Forschungsergebnisse wurden in der Online-Presse und auch im AGU EOS Editor's Spotlight vorgestellt. Ihre Ergebnisse sind in der Zeitschrift Water Resources Research veröffentlicht.

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