Projektbeschreibung

Im deutsch-vietnamesischen Forschungsprojekt ScaLa untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Potsdam und vietnamesischer Partnereinrichtungen die Ursachen und Auswirkungen von Landsenkungen infolge von Wasserknappheit und intensiver Grundwassernutzung. Im Fokus stehen das Mekong-Delta im Süden Vietnams sowie ausgewählte Moorgebiete in Brandenburg, Deutschland. Durch die Kombination innovativer Monitoringtechnologien, satellitengestützter Fernerkundung und computergestützter Modellierungsverfahren sollen die zugrunde liegenden Prozesse besser verstanden und wirksame Strategien zur Minderung von Landsenkungen entwickelt werden.

Hintergrund und Motivation

Landsenkungen stellen weltweit eine zunehmende Herausforderung dar, die durch den Klimawandel und die intensive Nutzung von Wasserressourcen weiter verschärft wird. Insbesondere in dicht besiedelten Küstenregionen können sinkende Geländeoberflächen weitreichende Folgen für die Bevölkerung, die Infrastruktur und die Verfügbarkeit von Süßwasser haben.

Besonders betroffen ist das vietnamesische Mekong-Delta, eine der wirtschaftlich und landwirtschaftlich bedeutendsten Regionen Südostasiens. Mit einer durchschnittlichen Geländehöhe von lediglich etwa 0,8 Metern über dem Meeresspiegel ist die Region gegenüber Landsenkungen und dem steigenden Meeresspiegel besonders vulnerabel. In den vergangenen Jahren wurden Landsenkungsraten von bis zu drei Zentimetern pro Jahr beobachtet. Als wesentliche Ursache gilt die intensive Grundwasserentnahme, die zu sinkenden Grundwasserspiegeln und einer fortschreitenden Verdichtung der Sedimentschichten im Untergrund führt. Weitere Einflussfaktoren sind natürliche Sedimentkompaktion, ausbleibende Sedimentablagerungen sowie klimatisch bedingte Trockenperioden.

Auch in Deutschland führen Wasserknappheit und sinkende Grundwasserstände zu Veränderungen der Geländeoberfläche. Besonders betroffen sind entwässerte Moorgebiete in Brandenburg, deren Wasserhaushalt zunehmend durch längere und intensivere Dürreperioden beeinträchtigt wird. Durch die Austrocknung und den Abbau organischer Bodensubstanz verlieren die Moorböden an Volumen, was zu einer fortschreitenden Landsenkung führt. Gleichzeitig wird der über lange Zeit gespeicherte Kohlenstoff freigesetzt, wodurch degradierte Moore zusätzlich zum Klimawandel beitragen.

Obwohl die Auswirkungen dieser Prozesse zunehmend sichtbar werden, sind die einzelnen Ursachen und ihre jeweiligen Beiträge zur Landsenkung bislang nur unzureichend quantifiziert. Insbesondere fehlen detaillierte Informationen darüber, in welchen Tiefen des Untergrunds die Verformungen stattfinden und wie diese mit Veränderungen des Wasserhaushalts zusammenhängen.

Forschungsziele und methodischer Ansatz

Das übergeordnete Ziel von ScaLa besteht darin, die physikalischen Prozesse hinter der Landsenkung in beiden Untersuchungsregionen zu identifizieren, zu charakterisieren und zu quantifizieren. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse sollen Modelle entwickelt werden, mit denen sich zukünftige Bodenbewegungen unter verschiedenen Klima- und Grundwassernutzungsszenarien vorhersagen und mögliche Gegenmaßnahmen bewerten lassen.

Ein zentraler Bestandteil des Projekts ist der Einsatz innovativer glasfaserbasierter Messsysteme, die eine hochaufgelöste und tiefendifferenzierte Erfassung von Verformungen im Untergrund ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, die überwiegend Veränderungen an der Geländeoberfläche erfassen, erlauben diese Messsysteme die direkte Beobachtung von Kompaktions-, Quell- und Schrumpfungsprozessen in unterschiedlichen Bodentiefen. Hierzu werden neue Monitoringstationen im Mekong-Delta und in ausgewählten Moorgebieten Brandenburgs eingerichtet.

Ergänzend werden satellitengestützte Radarinterferometrie (InSAR), satellitengestützte Positionsmessungen (GNSS) sowie hydrologische und bodenkundliche Untersuchungen eingesetzt. Die Kombination von lokalen Messdaten und flächenhaften Satellitenbeobachtungen ermöglicht es, Landsenkungen sowohl räumlich als auch zeitlich zu charakterisieren und deren maßgebliche Einflussfaktoren zu identifizieren.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung physikalisch basierter und datengetriebener Vorhersagemodelle. Mithilfe geomechanischer Simulationen sollen insbesondere die Auswirkungen unterschiedlicher Grundwasserentnahmen und potenzieller Minderungsmaßnahmen, beispielsweise einer künstlichen Grundwasseranreicherung, untersucht werden. Darüber hinaus werden auf Basis von Satellitenzeitreihen und Methoden des maschinellen Lernens Prognosen zur zukünftigen Entwicklung der Landsenkung unter verschiedenen Klimaszenarien erstellt.

In Brandenburg konzentrieren sich die Untersuchungen zusätzlich auf den Degradationszustand kohlenstoffreicher Böden und deren Quell- und Schrumpfungsverhalten. Die Ergebnisse sollen zur Verbesserung bestehender Moorbodenkarten sowie zur Abschätzung des Potenzials für den Erhalt und die Wiederherstellung degradierter Moorstandorte beitragen.

Entwicklung eines KI-gestützten Entscheidungssystems

Die im Projekt gewonnenen Daten und Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung eines KI-basierten Entscheidungssystems (Decision Support System, DSS), das gemeinsam mit den vietnamesischen Partnern erarbeitet wird.

Dieses System soll Messdaten, Satellitenbeobachtungen und Modellierungsergebnisse miteinander verknüpfen und dadurch ein verbessertes Risikomanagement ermöglichen. Ziel ist es, besonders gefährdete Gebiete zu identifizieren, zukünftige Entwicklungen abzuschätzen und die Wirksamkeit möglicher Maßnahmen zur Reduzierung von Landsenkungen zu bewerten. Das zunächst für das Mekong-Delta entwickelte System wird auch anhand der Untersuchungsgebiete in Brandenburg getestet, um seine Übertragbarkeit auf unterschiedliche geologische und klimatische Bedingungen zu untersuchen.

Internationale Zusammenarbeit und Wissenstransfer

ScaLa baut auf der langjährigen erfolgreichen Zusammenarbeit deutscher und vietnamesischer Forschungseinrichtungen im Rahmen der Vorgängerprojekte ViWaT-Mekong-GO und ViWaT-Engineering auf. Die dort aufgebaute Monitoringinfrastruktur sowie die gewonnenen Daten und wissenschaftlichen Erkenntnisse bilden eine wesentliche Grundlage für die weiterführenden Untersuchungen.

Das Verbundprojekt wird auf deutscher Seite durch das Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW) am KIT koordiniert. Weitere Projektpartner sind das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) am KIT sowie die Arbeitsgruppe Bodenkunde und Geoökologie der Universität Potsdam. Auf vietnamesischer Seite erfolgt die Zusammenarbeit insbesondere mit dem National Center for Water Resources Planning and Investigation (NAWAPI).

Durch gemeinsame Messkampagnen, wissenschaftliche Workshops und den kontinuierlichen Austausch von Daten, Methoden und Erfahrungen soll ein nachhaltiger Wissenstransfer zwischen den beteiligten Institutionen gewährleistet werden.

Mit seinem interdisziplinären und internationalen Forschungsansatz leistet ScaLa einen Beitrag zum besseren Verständnis der Auswirkungen von Wasserknappheit und Klimawandel auf Land- und Wasserressourcen. Die entwickelten Monitoring- und Modellierungsansätze sollen langfristig dazu beitragen, fundierte Entscheidungsgrundlagen für ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement, den Schutz gefährdeter Regionen und die Anpassung an klimabedingte Umweltveränderungen bereitzustellen.