Fernerkundung: Technische Zusammenarbeit im Grundwassersektor (Maghreb) - Regionales Wassermanagement im Maghreb
Beitrag zum Projekt:
Ziel der regionalen Zusammenarbeit im Grundwassersektor Maghreb ist die Unterstützung der Entscheidungsträger bei der Ermittlung qualitativer und quantitativer Informationen über die landwirtschaftliche Grundwassernutzung, um so die Einführung eines nachhaltigen Grundwassermanagements voranzutreiben. Im Rahmen dieses Projekts unterstützt die BGR die Behörden der drei Partnerländer Marokko, Algerien und Tunesien bei der Sammlung und dem Austausch relevanter hydrogeologischer Informationen auf regionaler Ebene. Des Weiteren werden moderne und effiziente Methoden zur Schätzung und zum Monitoring des Grundwasserpegels eingesetzt. Einen weiteren wichtigen Aspekt stellt die Schulung der Partnerinstitutionen in diesen Methoden und Anwendungen dar, um so die Nachhaltigkeit der Maßnahmen im Grundwassermanagement zu stärken. Der Arbeitsbereich Fernerkundung der BGR verwendet im Rahmen dieses Projektes fernerkundliche Multispektral - und RADAR Daten, um den Grundwasserverbrauch für die landwirtschaftliche Nutzung zu schätzen und nachhaltig zu überwachen. Um das Grundwasservolumen zu berechnen werden hierfür insbesondere Methoden der Landnutzungsklassifikation eingesetzt und die Bodenbewegungen ermittelt.
Beispiel Nebhana Region in Tunesien
Durch die Verwendung der RADAR Technik der Persistent Scatterer Interferometry (PSI) ist die Bewertung von Absenkungen in der Stadt Sousse, Tunesien, möglich. Ein in Region A befindlicher Punktstreuer zeigt eine Bewegungsrate von etwa 2 cm über ein Jahr. Im Landesinneren wurde ein stabileres Bewegungsverhalten detektiert (B)
Quelle: BGR
Die Nebhana Region liegt in Tunesien und grenzt im Westen an den Nebhana Staudamm und im Osten an die Stadt Sousse. Sie ist eine wichtige Anbauregion Tunesiens. Der Wasserverbrauch für landwirtschaftliche Bewässerung wird nur zum Teil durch das Wasser vom Damm oder durch Niederschläge abgedeckt. Der Hauptanteil des verbrauchten Wassers wird direkt aus dem Grundwasserspeicher gepumpt. Aufgrund fehlenden Grundwassermanagements und einer mangelnden Überwachung intensiver Grundwasserentnahmen treten Probleme auf, die Anzeichen einer langzeitlichen Übernutzung der Grundwasserressourcen sind wie z.B. Grundwasserverschmutzung, Versalzung, sinkende Ernteerträge und Trinkwasserknappheit:
Der Arbeitsbereich Fernerkundung der BGR unterstützt die lokalen Behörden bei der Schätzung des spezifischen Grundwasserverbrauchs durch den Einsatz zweier sich ergänzender Methoden:
- Landnutzungsklassifikation von Multispektral- und RADAR Daten
- Schätzung von, auf Grundwasserentnahmen zurückzuführende, Bodenbewegungen, unter Verwendung von RADAR Daten
Landnutzungsklassifikation
Der Wasserverbrauch und der Zeitraum der Bewässerung sind stark von der Art der angebauten landwirtschaftlichen Kultur abhängig. Die Kartierung und das regelmäßige Monitoring der Kulturarten und deren zeitlichen Veränderungen erlauben es den lokalen Verantwortlichen, den Wasserverbrauch für landwirtschaftliche Nutzung besser zu verstehen und gegebenenfalls effiziente Maßnahmen zum schonenderen Umgang zu entwickeln. So können sie die Landwirte, entsprechend dem spezifischen Wasserbedarf der Kulturen angepasst, für eine wassersparende Bewirtschaftung sensibilisieren. Des Weiteren ermöglicht eine solche Landnutzungsklassifikation Informationen zu allen angebauten Flächen, auch solchen, die noch nicht registriert wurden, zu gewinnen (im Vergleich zu den offiziellen Bewässerungsflächen vom Damm oder von genehmigten Pumpenanlagen).
Für die Landnutzungsklassifikation werden fernerkundliche multispektrale Daten der Satelliten Missionen SPOT, Rapid Eye, Sentinel 2 und Landsat 8, sowie RADAR Daten der Missionen Sentinel 1 (IW) und TerraSAR-X (SM) verwendet. In Abbildung 1 werden beide Datentypen für das Pilotgebiet Nebhana in Tunesien dargestellt. In Abbildung 1 werden beide Datentypen für das Pilotgebiet Nebhana in Tunesien dargestellt.
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Ermittlung der Bodenabsenkung
Für die Bewässerung im Nebhana Gebiet werden verschiedene Wasserquellen benutzt. Als Beispiel ist in Abbildung 2 der Nebhana Damm, mit einer erkennbaren drastischen Senkung des Wasserpegels in den letzten Jahren, dargestellt.. Die hohe landwirtschaftliche Bewässerung in Kombination mit sinkenden jährlichen Niederschlagsraten und zunehmendem Wasserbedarf in den Städten (Stichwort Tourismus), verursachen eine unumkehrbare Abnahme der Wasserquantität und -qualität in der Region. Die Ausschöpfung des Wassers vom Damm resultiert in einer intensiveren Entnahme des Grundwassers, gewonnen durch Bohrlöcher in den Aquiferen. Die dadurch entstehende Übernutzung des Grundwasserspeichers kann nicht vollständig durch Niederschläge ausgeglichen werden. Die aus den Grundwasserentnahmen resultierende Verdichtung des Untergrundes verursacht, in Abhängigkeit von den jeweiligen Bodeneigenschaften, eine Landabsenkung. Die entstehenden Bodenbewegungen können durch RADAR Fernerkundung detektiert werden. Hierfür werden Methoden der RADAR Interferometrie basierend auf langzeitstabilen Punktstreuern, Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) und Small-Baseline Subset (SBAS), verwendet. Diese Methoden liefern Auskunft über absolute bzw. relative Bodenbewegungen auf lokaler und regionaler Ebene (Ferretti et al., 2000; Bernardino et al., 2002).
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| Abb.2: Entwicklung des Wasserpegels im Nebhana Damm seit 2012 | ||
Basierend auf der Auswertung mehrerer Datensätze, die über einen Zeitraum von mehreren Jahren aufgenommen wurden, erlauben solche Methoden die Schätzung sowohl von Langzeittrends, wie Landabsenkung aufgrund unumkehrbarer Grundwasserentnahme, als auch von kurzzeitigen Trends, wie z.B. jahreszeitliche Erhebung aufgrund bedingter Grundwasserneubildung während der Regenzeit. Die darstellbaren Informationen helfen den lokalen Entscheidungsträgern bei der Sensibilisierung der Bevölkerung für eine wassersparende Landwirtschaft und erlauben ihnen, die verfügbare Wassermenge für ein ausgeglicheneres Grundwassermanagement zu überwachen. Weiterhin könnten diese Methoden den lokalen Behörden helfen, nicht registrierte Bohrlöcher zu identifizieren, da größere Absenkungsmuster in der Nähe von den Bohrlöchern zu erwarten sind.
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| Für die Ermittlung der Bodenbewegungen werden Daten der Satellitenmissionen TerraSAR-X (SM) und Sentinel 1 (IW) genutzt. In Abbildung 3 ist das Ergebnis einer PS Analyse für das Nebhana Gebiet dargestellt. Größere Absenkungen werden in der Küstenstadt Sousse und in Teilen des landwirtschaftlichen Gebietes beobachtet. Die dazugehörigen Grafiken zeigen die Bewegung von selektierten PS Punkten während der Aufnahmeperiode. Eine visuelle Interpretation erlaubt es, stabile, sich erhebende oder sich absenkende Gebiete zu skizzieren (Abbildung 4). |
Partner: Sahara and Sahel Observatory (OSS) (Lead Partner), GIZ
Literatur:
- Stoffner. F. (2022): Nachhaltiges Grundwassermanagement im Maghreb II - Bestimmung der landwirtschaftlich genutzten Flächen und Abschätzung der Grundwasserentnahme in der Region Chtouka (Marokko)
- Stoffner. F.(2022): Gestion durable des ressources en eaux souterraines au Maghreb II. Identification des zones agricoles et estimation des prélèvements d’eaux souterraines dans la région de Chtouka au Maroc
- Stoffner. F., Dubois. C. (2021): Gestion durable des ressources an eauxs souterraines au Maghreb - Estimation de l’utilisation des eaux souterraines à usage agricole sur la base de données de télédétection
- Stoffner, F., Dubois, C. (2021): Sustainable management of groundwater resources in the Maghreb - Estimation of groundwater use for agricultural purpose based on remote sensing data
- Ferretti, A., Prati, C., and Rocca, F.: Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.47, pp. 2202–2212, 2000.
- Berardino, P.; Fornaro, G.; Lanari, R.; Sansosti, E.: A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.40, no.11, pp. 2375- 2383, 2002.