Fingerabdruck des Wassers

Güte der Interpolation

Aus der Testung der verschiedenen Kombinationen von Variablen ging jene Variante hervor, welche die topografischen Variablen zusammen mit den monatlichen Niederschlagssummen berücksichtigt. Figur 2 vergleicht die gemessenen Ganglinien von Sauerstoff-18 an vier beispielhaft ausgewählten Stationen der Schweiz mit den gerechneten Ganglinien ohne Einbezug der jeweiligen Station im Zeitraum 2010–2013. Während die monatliche Dynamik an der Station Basel, aber auch jene der hoch gelegenen Stationen Grimsel und Pontresina, sehr gut wiedergegeben wurde, ergaben sich an der Station Locarno grössere Abweichungen. Schweizweit wiesen mitunter die Genauigkeiten bzw. Interpolationsfehler regionale Unterschiede auf. Die niedrigsten Fehler ergaben sich bei den Stationen im Jura und im Mittelland (wie in Fig. 2 zu sehen, z. B. Basel, aber auch Bern, Buchs-Suhr etc.). Die Daten dieser Stationen korrelieren gut untereinander, weshalb ein Wegfallen einer Station durch die Nachbarstationen kompensiert werden kann. Dies wiederum lässt auch auf eine hohe Güte zwischen den Stationen schliessen. Die höchsten Fehler ergaben sich besonders in den Alpen und auf der Alpensüdseite, wo die Stationen weiter auseinanderliegen. In dieser Region ist zudem eine höhere räumliche Variabilität der klimatischen Bedingungen (z. B. Abschattungseffekte bei Südanströmung) beobachtbar, die sich negativ auf die Interpolationsgüte auswirkt. Dies betrifft den Bereich um die Stationen Grächen–St. Niklaus, Locarno und Pontresina. Gemittelt über alle Stationen und alle Monate über den Zeitraum 2007–2020 ergaben sich mittlere Fehler (MAE) von 1,31‰ für Sauerstoff-18 bzw. 10,6‰ für Deuterium. Weiterführende Fehleranalysen können [21, 22] und [23] entnommen werden.

Räumliche Muster – Isoscapes

Für jeden Monat kann mit dem Interpolationsmodell eine Karte der Isotopengehalte im Niederschlag (Isoscape) erzeugt werden. Figur 3 zeigt als Beispiel die räumlichen Muster von Sauerstoff-18 im Januar 2013 (links) und Oktober 2013 (rechts). Vor allem die Verteilung im Januar 2013 zeigt die häufig auftretende hohe räumliche Variabilität, die in diesem Fall der Topografie folgt. Aber auch die deutlich höheren, d. h. isotopisch angereicherten Werte im Tessin sind erkennbar. Beim Beispiel im Oktober 2013 ist die Verteilung homogener.

Anwendungsmöglichkeiten der Isoscapes

Mit dem vorliegenden Modell kann für jeden Punkt respektive für jedes Einzugsgebiet in der Schweiz eine monatliche Ganglinie der Isotopengehalte im Niederschlag extrahiert werden. Diese kann als «Input-Funktion» in regionalen hydro(geo)logischen Studien verwendet werden. Um mögliche Zielsetzungen derartiger Studien zu zeigen, werden Messdaten von 50 Quell- und Förderbrunnenmessstellen im Zeitraum 2007-2013 und deren Einzugsgebietsgrenzen herangezogen. Die Daten entstammen der Nationalen Grundwasserbeobachtung NAQUA. Im Folgenden werden zwei Anwendungsbeispiele vorgestellt: Analysen bzw. Bewertungen der Lage der zugehörigen Einzugsgebiete sowie die Abschätzung von Fliesszeiten, indem über einfache Ansätze ein Vergleich der Input-Funktion mit den Messdaten vorgenommen wird.

Lage der Einzugsgebiete und Herkunft der Wässer

Im ersten Beispiel wurde ein Vergleich langjähriger Mittel von Sauerstoff-18-Werten vorgenommen. Ein derartiger Vergleich kann sehr rasch Aussagen über die Lage der Einzugsgebiete bzw. die Herkunft der Wässer liefern. Bei bekanntem Einzugsgebiet, wie es bei den NAQUA-Messstellen der Fall ist, kann der Vergleich zudem als zusätzlicher Schritt der Validierung des Interpolationsmodells angesehen werden.

Konkret wurden niederschlagsgewichtete Mittel der Isoscapes-Ergebnisraster über die Jahre 2007-2013 gebildet. Die Pixelwerte wurden innerhalb der Polygongrenzen der Einzugsgebiete gemittelt. Diese Mittelwerte wurden den über den gleichen Zeitraum gemittelten Messdaten an den Quellen und Förderbrunnen gegenübergestellt (Fig. 4). Es zeigt sich, dass die meisten Werte um die 1:1-Linie zentriert sind, was die hohe Güte der Interpolation unterstreicht. Die mittlere absolute Abweichung von den Messwerten beträgt 0,72‰ und ist somit deutlich geringer als die entsprechenden Fehler aus der Kreuzvalidierung.

Nur vereinzelt können die Messwerte nicht durch die Isoscapes entsprechend abgebildet werden. Die Messstellen, deren Isotopenverhältnisse vom Modell als zu angereichert eingeschätzt wurden (Werte deutlich über der 1:1-Linie), sind in roter Farbe hervorgehoben. Bei diesen Messstellen ist der hohe Einfluss von Flusswasser belegt. Für die Extrahierung von Werten aus den Isoscapes ist in diesen Fällen das verwendete Polygon für das Einzugsgebiet zu klein; es müsste das gesamte oberliegende Einzugsgebiet des Flusses verwendet werden (z. B. Messstellen im Rhone- und im Rheintal). Aus den Isoscapes würden sich damit deutlich niedrigere, d. h. abgereicherte, Werte ergeben, die besser zu den Messwerten passen.

Wertepaare, die deutlich unter der 1:1-Linie liegen, sind nicht so häufig. Zwei Messstellen wurden in blauer Farbe hervorgehoben. Beide befinden sich im Tessin an der Grenze zum Hochgebirge. Neben den Unsicherheiten in den Einzugsgebietsgrenzen dürfte diese Abweichung auch an den Unsicherheiten in den Isoscapes in diesem Bereich (siehe Kapitel «Räumliche Muster – Isoscapes») liegen. In diesem Gebiet grenzen verschiedene Klimaregionen aneinander, und die Isotopendaten weisen zwischen den verfügbaren Stationen hohe Gradienten auf.

Verweilzeitabschätzung

Das zweite Beispiel zeigt eine rasch durchführbare Abschätzung der Verweilzeit, d. h. der Transportzeit von kurz gespeicherten Wasserkomponenten zum Förderbrunnen bzw. zur Quelle. Die Methodik nutzt den typischen Jahresgang der Isotopendaten in unseren Breiten. Sinus-Funktionen werden sowohl an die monatlichen Daten aus den Isoscapes als auch an die Messdaten an den Grundwassermessstellen angepasst. Aus der Amplitudendämpfung kann dann auf die Verweilzeit geschlossen werden (z. B. [24, 25]).

In Figur 5 ist als Beispiel das Ergebnis für ein 2,4 km² grosses, im Lockergestein des Rhonetals gelegenes Einzugsgebiet eines Förderbrunnens (NAQUA-Messstelle NTG43) dargestellt. Aus dem Vergleich der Amplitudendämpfung im Grundwasser (0,8‰) mit derjenigen im Niederschlag (5,8‰) ergab sich eine geschätzte, mittlere Verweilzeit von rund 14 Monaten (Berechnung gemäss [24] mit manueller Sinus-Funktion-Anpassung).

In einem weiteren Beispiel (hier nicht dargestellt) wurde die mittlere Verweilzeit für ein 17 km^² grosses Karstquelleinzugsgebiet im Jura auf 8 Monate berechnet (NAQUA-Messstelle NTQ03). Die beiden Beispiele ergaben plausible Schätzungen der Verweilzeiten. Mit abnehmender Amplitude der Daten der Quell- und Förderbrunnenmessungen im Jahresverlauf verringert sich aber die Zuverlässigkeit der Aussagen über die Verweildauer. Ebenso sind lange kontinuierliche Zeitreihen für ein verlässliches Ergebnis notwendig.

Schlussfolgerungen

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Interpolationsmodell entwickelt, das räumliche Muster der Isotopenverhältnisse im Niederschlag (Isoscapes) in hoher räumlicher Auflösung (500 m) für die Schweiz bereitstellt. Unter Einbeziehung der topografischen Variablen zusammen mit dem Monatsniederschlag wurde eine hohe Modellgüte erzielt. Das Modell ist flexibel gestaltet, sodass bei Bedarf zusätzliche Stationen oder Klimavariablen einbezogen werden können. Aus der regional unterschiedlichen Modellgüte wurde der Einfluss der atmosphärischen Bedingungen (Klimaregionen) sichtbar. Daraus konnte der Bedarf für eine Verdichtung des Stationsnetzes (z. B. im Wallis und im Tessin) abgeleitet werden.

Als beispielhafte Anwendung und zur zusätzlichen Validierung der berechneten Isoscapes wurden Messdaten von insgesamt 50 ausgewählten Quellen und Förderbrunnen mit bekanntem Einzugsgebiet herangezogen. Dabei zeigte sich, dass die Isotopenverhältnisse der unterschiedlichen Grundwässer durch die Isoscapes meist gut abgebildet werden. Abweichungen finden sich insbesondere in Tälern, die von Flüssen mit Einzugsgebieten in den Alpen durchflossen werden, welche das Isotopensignal der Alpen weit in die Täler hinaus transportieren. Exemplarisch wurde ausserdem eine einfache Methodik zur Abschätzung von Verweilzeiten bzw. Fliesszeiten des Grundwassers vorgestellt.

Die hier präsentierten Beispiele zeigen aber nur einen Teil möglicher Anwendungen. Weitere betreffen die modellbasierte Ermittlung von Verweilzeiten bzw. Verteilungen von Verweilzeiten (z. B. [26, 27]), die Abtrennung von Ereigniswasser und Basisabfluss (z. B. [28]) oder die Ermittlung der saisonalen Neubildung von Boden- oder Flusswasser (z. B. [29, 30]). In den letzten Jahren gewannen die Isotopendaten auch bei der Anwendung von komplexen hydrologischen und atmosphärischen Modellen an Bedeutung.

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