SASSCAL - Southern African Science Service Centre for Climate Change and Adaptive Land Management

Land / Region: Afrika / Südliches Afrika

Projektanfang: 01.01.2013

Projektende: 31.10.2017

Projektstand: 31.10.2017

Letzte Aktivitäten:

• Zusammenfassung der innerhalb SASSCAL untersuchten Landformen und Grundwasserneubildungsraten über die ungesättigte Zone im Norden Nambias - Jun 2017 (PDF, 1 MB)
• Dokumentation der Feldarbeiten auf dem BGR Youtube-Channel eingestellt - Mai 2017 (PDF, 876 KB)
• Meilenstein erreicht - Verteidigung der Doktorarbeit - Nov 2016 (PDF, 93 KB)
• Meilenstein erreicht – Verteidigung der Doktorarbeit - Jul 2016 (PDF, 133 KB)
• TV Team vom französisch-deutschen Sender ARTE besucht SASSCAL - Jun 2016 (PDF, 1 MB)
• Ausarbeitung und Übergabe von Kursen im Studiengang „Applied and Environmental Geology“ - Apr 2016 (PDF, 344 KB)
• Beprobung von Oberflächenwasser am Caleque-Oshakati Kanal - Jun 2015 (PDF, 272 KB)
• Einrichten einer Beobachtungsstation am Standort Eenhana - Jun 2015 (PDF, 463 KB)
• Kurse des MSc Programms erstellt und gehalten – Apr 2015 (PDF, 522 KB)
• Mobile Boden-Luft-Messung im Scheckkartenformat - Jun 2014 (PDF, 436 KB)
• Abschätzung erster potentieller Grundwasserneubildungsraten für die Regenzeit 2013/2014 – Jun 2014 (PDF, 593 KB)

Hintergrund:
Mit dem Forschungsvorhaben wird das Ziel verfolgt, das "Southern African Science Service Centre for Climate Change and Adaptive Land Management" (SASSCAL) einzurichten. Das Projekt SASSCAL wurde 2010 als eine gemeinsame internationale Forschungsinitiative gegründet, die sich aus Forscherteams aus Angola, Botswana, Namibia, Südafrika, Sambia und Deutschland zusammensetzt. Unterstützt und finanziert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), hat sich die Initiative zum Ziel gesetzt Lösungsansätze für die vielfältigen Herausforderungen des globalen Wandels zu erarbeiten sowie wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse und nachhaltigen sozioökonomischen Nutzen für das gesamte südliche Afrika hervorzubringen. Hierfür sollen problemorientierte und anwendungsbezogene Forschungsansätze in den Bereichen der Klimaanpassung sowie nachhaltiges Georessourcenmanagement durchgeführt werden. Interdisziplinarität zwischen den Bereichen der Hydrowissenschaften, Klima, Land- und Forstwirtschaft, Biodiversität und "Capacity Building" in den Partnerländern ist dabei ein wesentlicher Schwerpunkt.

BGR Feld - Forschungscamp ‘Eenhana Forest’ Quelle: BGR

Kurzfassung des Projektes:
Grundwasservorkommen sind in weiten Gebieten des südlichen Afrika die wichtigste Trinkwasserquelle für die lokale Bevölkerung. Neben tiefer liegenden Grundwasservorkommen sind oberflächennahe Vorkommen von besonderer Bedeutung, da sie von der Bevölkerung mit einfachsten Mitteln und geringem finanziellen Aufwand erschlossen werden können, wie es beispielsweise handgegrabene Brunnen im Norden Namibias und in Angola zeigen. Das grenzüberschreitende Cuvelai-Etosha Einzugsgebiet (CEB; engl. Cuvelai-Etosha Basin) ist eines dieser sogenannten grundwasserabhängigen Ökosysteme. Der Wechsel von Regen- und Trockenzeit, periodisch auftretenden Dürren und Überflutungen, aber auch klimatische Veränderungen, wie beispielsweise ein zeitlich verschobener Beginn und Ende der Regenzeit, beeinflussen die Dynamik der Grundwasservorkommen und somit den Lebenszyklus von Pflanze, Tier und Mensch. Doch auch ein verstärkter Bevölkerungsdruck hat einen direkten Einfluss auf diese besonders wichtigen Grundwasservorkommen. Dennoch fehlen für diese vulnerablen Systeme grundlegende Erkenntnisse zur Quantität und Dynamik ihrer Speicher.

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) ist innerhalb des SASSCAL Projektes an “Improving the understanding of groundwater related processes and establishing groundwater budgets for water management purposes” (Task 10) und “Support of the Establishment of an MSc Program of Applied and Environmental Geology at University of Namibia, Windhoek” (Task 82) beteiligt. Zusammen mit einem Partnerinstitut der Universität Namibia (UNAM) werden ausgedehnte Feldkampagnen durchgeführt, um die Wissensgrundlage über die physikalischen Prozesse der Grundwasserneubildung eingehend zu untersuchen und zu qualifizieren, welche entscheidend die Erneuerung der Grundwasservorkommen kontrolliert. Grundwasserneubildung lässt sich in eine direkte (versickernden Niederschlag) und indirekte (verzögerte Versickerung in Oshanas, Depressionen oder sedimentäre Flussbetten) Komponente differenzieren. Beide Komponenten werden maßgeblich von physikalischen Charakteristiken der ungesättigten Zone wie Textur der Sedimentschichten im Boden oder der Landbedeckung beeinflusst.

Der Schwerpunkt des Forschungsansatzes der BGR liegt daher in der detaillierten Erforschung der ungesättigten Zone, in der ein komplexes Zusammenspiel aus Bodenart, Vegetation und raumzeitlicher Verteilung des Niederschlages stark heterogene Voraussetzungen für Grundwasserneubildung bietet. Die Hauptfragestellungen sind:

Cuvelai-Etosha Basin und Untersuchungsstandorte Quelle: BGR

• Wie und mit welchen Methoden kann eine Verbesserung der Datengrundlage und -qualität ein präziseres Verständnis und eine Quantifizierung von Grundwasserressourcen für ein Management von Wasserressourcen erreicht werden?
• Welche Methoden eignen sich am besten für eine Abschätzung der Grundwasserneubildung in ariden und semiariden Gebieten? Ist eine Regionalisierung möglich?
• Können flache Grundwasserressourcen als nachhaltige Quelle für die Bereitstellung von Trinkwasser unter Berücksichtigung von klimatischen und Landnutzungsbedingten Änderungen genutzt werden?
• Ist es möglich die Grundwasserversorgung mittels künstlicher Grundwasseranreichung zu unterstützen?

Bodenprobenahme Quelle: BGR

Um diese Fragen zu beantworten, wurde eine Kombination diverser Feld- und Labormethoden, die Interpretation und Berechnung auf Basis stabiler Wasserisotope (Deuterium und Sauerstoff-18) sowie Fernerkundungsdaten und numerischer Modellierung angewandt. In insgesamt sieben Feldaufenthalten standen die Bodenprobenahme zur isotopenhydrologischen Charakterisierung und bodenhydraulischen Analyse, Tracerversuche, vegetationsspezifische Untersuchungen sowie Klima-, Bodenfeuchte- und Grundwassermonitoring im Vordergrund. Basierend den im Feld erhobenen Daten wurden Infiltrationsprozesse und die Wasserbewegung im Boden-Pflanze-Atmosphären Kontinuum unter unterschiedlichen Bedingungen (Boden, Klima, Vegetation) charakterisiert und Abschätzungen zur Grundwasserneubildung vorgenommen. Dabei wurden sowohl etablierte Methoden angewandt als auch Weiterentwicklungen bestehender Ansätze genutzt. Die Ergebnisse dienten im Anschluss der Erstellung und Validierung numerischer Modelle zur Beschreibung grundwasserneubildungsrelevanter Prozesse für oberflächennahe, aber auch tiefer liegende Aquifere. Mit den hier vorgestellten Arbeiten wird erstmalig eine fundierte Bewertung dieser Grundwasservorkommen ermöglicht und die Grundlage für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung geschaffen.

Eastern Sand Zone Quelle: BGR

Projektgebiet:
Das Untersuchungsgebiet der BGR ist während der ersten Phase von SASSCAL auf das Cuvelai-Etosha Becken (CEB) in Norden Namibias beschränkt. Dieses grenzüberschreitende Einzugsgebiet, welches sich nahezu flächengleich über Angola und Namibia erstreckt, ist die Heimat für ca. zwei Drittel der namibischen Bevölkerung (2,3 Mio.) und besitzt einzigartige geologische und hydrologische Charakteristiken. Das Aquifersystem, bekannt unter dem Namen ‘Ovambo-Basin‘ weicht vom oberirdischen Einzugsgebiet ab und bildete sich bereits im Tertär, als der Okavango noch im Etosha-Becken endete (Miller et al., 2010). Durch vorausgegangene Projekte der BGR existiert bereits eine gute Infrastruktur für die Forschung (z.B. Bohrlöcher zum Grundwasser-Monitoring). Darüber hinaus liegen Ergebnisse aus geophysikalischen Untersuchungen vor, die als Unterstützung der geplanten Aktivitäten herangezogen werden können. Dies macht das CEB zu einem idealen Untersuchungsgebiet für wissenschaftliche Studien, die sich mit der komplexen Interaktion zwischen Aquifersystemen sowie Grundwasserneubildungsprozessen in der ungesättigten Bodenzone beschäftigen.

Die wichtigsten fachspezifisch und wissenschaftlich relevanten Ergebnisse sind:

• Auf stabilen Wasserisotopen basierende Methoden können dazu beitragen, grundwasserneubildungsrelevante Prozesse an der Schnittstelle Boden-Pflanze-Atmosphäre detailliert zu untersuchen und besser zu verstehen.
• Die Messung stabiler Wasserisotope im Bodenwasser, die innerhalb des Projektes entwickelt und erstmalig in einem semi-ariden Gebiet angewandt wurde ermöglicht es, Wassertransportprozesse in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen.
• Isotopenhydrologische Tracermethoden ermöglichen Abschätzungen wichtiger, zur Parametrisierung numerischer Modelle notwendiger Größen (z.B. Wurzeltiefe und Wurzeldichteverteilung) sowie die direkte Quantifizierung der potentiellen Grundwasserneubildung auf jährlicher Basis.
• Die Grundwasserneubildung der oberflächennahen Aquifere ist heterogen und stark von der betrachteten Landform abhängig.
• Die abgeschätzten Grundwasserneubildungsraten für die untersuchten Landformen betragen
  i) zwischen 9 mm/a und 20 mm/a im langjährigen Mittel für bewachsene Standorte in tief sandigen Gebieten; jedoch mit starken jährlichen Schwankungen (z.B. 2013/14: 29 mm/a, 2014/15: 0 mm/a, 2015/16: 4 mm/a),
  ii) zwischen 20 mm/a und 77 mm/a im langjährigen Mittel in unbewachsenen, tief sandigen Gebieten und ephemären Flussbetten und
  iii) 3 bis 4 mm mm/a im langjährigen Mittel in Deflationspfannen (lokale Depressionen im Nordosten des CEB).
• Es findet mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Grundwasserneubildung über Iishana (saisonal überflutete Gebiete im Zentrum des CEB) statt.
• Der tiefliegende Aquifer Ohangwena-2 (KOH-II) besitzt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein rezentes Grundwasserneubildungsgebiet im angolanischen Hochland.

Wichtige praxisrelevante Schlussfolgerungen sind:

• Die größte potentielle Grundwasserneubildung findet an unbewachsenen, tief sandigen Standorten statt (Ephemäre Flussbetten, Sanddünen, unbewachsene Stellen).
• Lokal auftretende‚ schwebende Grundwasserleiter (‚perched aquifers‘) bieten Potential zur nachhaltigen Nutzung und zur gezielten Grundwasseranreicherung. Aufgrund ihrer guten Erschließbarkeit, schneller Regenerierbarkeit der Wasserressourcen (z.B. durch eine einzige Regenzeit) und dem Vorkommen von Wasser von guter Qualität (keine Versalzungsproblematik) können diese Aquifere zu einer wichtigen Komponente der ländlichen Wasserversorgung ausgebaut werden. Dies erfordert jedoch im nächsten Schritt eine flächendeckende Erkundung mittels Geophysik sowie weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen auf regionaler Ebene.
• Der tiefliegende Aquifer Ohangwena-2 (KOH-II) kann eine wichtige strategische Wasserressource für die Überbrückung längerer Dürreperioden dienen. Ein erweitertes Monitoring sowie Forschung bezüglich des genauen Grundwasseralters und der Neubildungsrate von KOH-II sind erforderlich.
• Trotz hoher Unsicherheit bilden die im Rahmen des Tasks 10 abgeschätzten Neubildungsraten die Grundlage für eine Regionalisierung der Grundwasserneubildung über die ungesättigte Zone, basierend auf den unterschiedlichen Landformen.

Im “Support of the Establishment of an MSc Program of Applied and Environmental Geology at University of Namibia, Windhoek” (SASSCAL, Task 82) wurde in enger Zusammenarbeit mit der UNAM ein Masterstudiengang konzipiert und aufgebaut, der die Ausbildung von in den Partnerländern dringend notwendigen Nachwuchskräften im Bereich Umwelt/Wasser ermöglicht. In einem integrierten Ansatz wurden Studenten auch direkt in die Arbeiten im Task 10 eingebunden, um praktische Erfahrung unmittelbar im Feld zu vermitteln. Master‐ und Promotionsstipendien von Vorhaben der Partnerländer (z.B. Task 07) ergänzen zusätzlich diese integrierende Herangehensweise.

Die Projekte Groundwater for the north of Namibia und Kalahari, ergänzen darüber hinaus die Expertise des BGR-Teams in diesem Gebiet (Lindenmaier et al., 2012).

Projektbeiträge:

• Neues Boden-Luft-Messverfahren zur Ermittlung der Grundwasser-Neubildung im Norden Namibias im Einsatz

Literatur:

Dissertationen

• BEYER, M. (2016): Quantitative studies along the soil – vegetation – atmosphere interface of water – limited environments: practice-oriented approaches based on stable water isotopes, modeling and multivariate analysis. Mitteilungen des Instituts für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau, Leibniz Universität Hannover, Heft 102, ISSN 0343-8090
• GAJ, M. (2016): Recharge estimation in a (semi-)arid environment using soil water balance, stable isotopes and modeling approaches. Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Masterarbeiten

• ADAM, B. (2015): Modelling the response of stable isotope fractionation in soil water profiles with uncertainty. KIT Karlsruhe.
• BAHLMANN, L. (2016): Rainfall characteristics and their implications for groundwater recharge in deep vadose zones. A case study in the Cuvelai-Etosha Basin (CEB), Namibia. Leibniz University Hannover.
• MAHINDAWANSHA, A. (2015): Intercomparison of laboratory techniques for determination of stable isotopes in soil water. University of Darmstadt.
• SCHILLING, M. (2015): Indirect groundwater recharge in the Cuvelai-Etosha Basin (CEB), Namibia. Investigating the importance of Oshanas, Deflation Pans and Ephemeral River Beds. Leibniz University Hanover.
• SHEHU, B. (2014): Correction of GRACE data for the influence of surface water, soil and vegetation moisture. A case study on the quantification of groundwater recharge rates in the Cuvelai-Etosha-Basin (CEB), Namibia. Leibniz University Hanover.
• VILLANUEVA, R. (2015): Direct groundwater recharge in Cuvelai-Etosha-Basin (CEB), Namibia. The use of DAISY for modelling unsaturated zone water movement in a semiarid climate. Leibniz University Hanover

Fachbericht

• LINDENMAIER, F., DILL, H.G., DOHRMANN, R., FENNER, J., GERSDORF, U., KAUFHOLD, S., KRINGEL, R., LUDWIG, R., MILLER, R.G., NICK, A., NOELL, U. & WALZER, A. (2012): Results of Analysis from Drill Holes on the Cubango Megafan. - Technical report prepared for the Kalahari Research Project "Development and Dating of Duricrusts as Base for a Paleogeographic and Hydrogeological Model of the Cuvelai-Etosha Basin in North Namibia". 50 p.; Hannover. (PDF, 2 MB)

Paper

• BEYER, M., GAJ, M., HAMUTOKO, J., KÖNIGER, P., WANKE, H. & HIMMELSBACH, T. (2015): Estimation of groundwater recharge via deuterium labelling in the semi-arid Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. - Isot. Environ. Health Stud. 51(4): 533-552. doi: 10.1080/10256016.2015.1076407
• BEYER, M., GAJ, M., KÖNIGER, P., HAMUTOKO, J.T., WANKE, H., WALLNER, M. & HIMMELSBACH, T. (2018): Isotopenhydrologische Methoden (²H, ¹⁸O) zur Bestimmung der Grundwasserneubildung in Trockengebieten: Potenzial und Grenzen. - Grundwasser 23(1): 73-90. doi: 10.1007/s00767-017-0381-0
• BEYER, M., KÖNIGER, P., GAJ, M., HAMUTOKO, J.T., WANKE, H. & HIMMELSBACH, T. (2015): A Deuterium-based labeling technique for the investigation of rooting depths, water uptake dynamics and unsaturated zone water transport in semiarid environments. - J. Hydrol. 533: 627-643. doi: 10.1016/j.jhydrol.2015.12.037
• GAJ, M., BEYER, M., KÖNIGER, P., WANKE, H., HAMUTOKO, J. & HIMMELSBACH, T. (2016): In situ unsaturated zone water stable isotope (²H and ¹⁸O) measuements in semi-arid environments: a soil water balance. - Hydrol. Earth Syst. Sci. 20: 715–731. doi: 10.5194/hess-20-715-2016
• GAJ, M., KAUFHOLD, S., KÖNIGER, P., BEYER, M., WEILER, M. & HIMMELSBACH, T. (2017): Mineral mediated isotope fractionation of soil water. - Rapid Commun. Mass Spectrom. 31(3): 269-280. doi: 10.1002/rcm.7787
• HAMUTOKO, J.T., WANKE, H., KÖNIGER, P., BEYER, M., GAJ, M. (2017): Hydrogeochemical and isotope study of perched aquifers in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. - Isotopes Environ. Health Stud. 53(4): 382-399. doi: 10.1080/10256016.2016.1273913
• HIMMELSBACH, T. (2017): Tiefe, semi-fossile Grundwasserleiter im südlichen Afrika: Hydrogeologische Untersuchungen im Norden von Namibia. - GMIT – Geowiss. Mitt., 67: 7 - 18. (PDF, 4 MB)
• KÖNIGER, P, GAJ, M., BEYER, M. & HIMMELSBACH, T. (2016): Review on soil water isotope-based groundwater recharge estimations. - Hydrol. Process. 30: 2817-2834. doi: 10.1002/hyp.10775
• WALLNER, M., HOUBEN, G., LOHE, C., QUINGER, M., HIMMELSBACH, T. (2017): Inverse modeling and uncertainty analysis of potential groundwater recharge to the confined semi-fossil Ohangwena II Aquifer, Namibia. - Hydrogeol. J. 25: 2303-2321. doi: 10.1007/s10040-017-1615-z
  

Präsentationen

• BEYER M. et. al. (2017): Drought-induced anomalies of soil water stable isotopes enable identification of deep root water uptake. German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Hannover, Germany
• BEYER M. et. al. (2017): Ecohydrological feedbacks in water-limited environments: combining drought-induced changes of soil water stable isotopes and labeling experiments, International workshop on “Isotope-based studies of water partitioning and plant-soil interactions in forested and agricultural environments”, Florence, Italy
• BEYER M. et. al. (2015): Deuterium (²H) as applied tracer in the vadose zone: experiences from semiarid Namibia. German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Heidelberg, Germany
• BEYER M. et. al. (2014): Artificial deuterium labeling for a quantification of groundwater recharge in semi-arid regions. German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Munich, Germany (PDF, 63 KB)
• GAJ, M. et. al. (2015): Limits and potentials determining stable water isotopes using in-situ measurements and soil water extractions. German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Heidelberg, Germany (PDF, 48 KB)
• GAJ, M. et. al. (2014): Isotopic enrichment of stable isotopes (2H and 18O) in the soil-plant-atmosphere continuum: Implications for seasonal water uptake and evaporation patterns in a semi-arid environment. IAH-International Congress; Marrakech, Marocco (PDF, 113 KB)
• KÖNIGER, P. et. al. (2014): Soil water stable isotope based groundwater recharge estimations: Examples from humid and semiarid areas. IAH-International Congress, Marrakech, Marocco (PDF, 101 KB)

Poster

• BEYER, M. et. al. (2017): Constraining water uptake depths in semiarid environments using water stable isotopes. EGU General Assembly, Vienna, Austria
• BEYER M. et. al. (2016): Inferring root water uptake depths from water stable isotopes at different system states: Combining natural abundances and labeling experiments. Joint European Stable Isotopes User group Meeting (JESIUM), Ghent, Belgium
• BEYER, M. et. al. (2014): Deuterium labeling of soil water movement in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. EGU General Assembly, Vienna, Austria (PDF, 1 MB)
• GAJ, M. et. al. (2016): How do soil types affect stable isotopes ratios under evaporation: A post corrected evaporation fingerprint of the Cuvelai-Etosha-Basin, Namibia. Joint European Stable Isotopes User group Meeting (JESIUM), Ghent, Belgium (PDF, 1 MB)
• GAJ, M. et. al. (2016): Stable isotopes of soil water are affected by clay minerals: A post correction approach for dry soils based on physicochemical soil properties. EGU General Assembly, Vienna, Austria
• GAJ, M. et. al. (2015): In-situ measurements of pore water stable isotope composition in a semi-arid environment and their implications to spatio-temporal variability. EGU General Assembly, Vienna, Austria (PDF, 3 MB)
• GAJ, M. et. al. (2015): Modeling unsaturated zone water stable isotope depth profiles in an evaporation dominated environment. IAH-Internaltional Congress, Rome, Italy (PDF, 5 MB)
• GAJ, M. et. al. (2014): How do soil types affect stable isotope ratios of 2H and 18O under evaporation: A Fingerprint of the Niipele subbasin of the Cuvelai - Etosha basin, Namibia. Proceedings of EGU General Assembly, Vol. 16, Vienna, Austria (PDF, 45 KB)
• GAJ, M. et. al. (2014): Recharge estimation in a semi-arid environment using stable isotope methods: A discussion on in-situ field and laboratory techniques. German Association for Stable Isotope Research (GASIR) - Meeting, Munich, Germany (PDF, 4 MB)
• KÖNIGER, P. et. al. (2014): Stable isotope and hydro chemical variability along the Calueque-Oshakati Canal in the Cuvelai-Etosha Basin, Namibia. EGU General Assembly, Vienna, Austria (PDF, 9 MB)

Weiterführende Literatur

• MENDELSOHN, J., JARVIS, A., & ROBERTSON, T. (2013): A profile and atlas of the Cuvelai-Etosha Basin. - 170 p.; RAISON & Gondwana Collection, Windhoek, Namibia. ISBN: 978-99916-780-7-8
• MILLER, R. M., PICKFORD, M., & SENUT, B. (2010): The geology, paleontology and evolution of the Etosha Pan, Namibia: Implications for terminal Kalahari deposition. South African Journal of Geology, 113(3), 307–334.

Film

• Namibias Grundwasserschatz - Das SASSCAL-Projekt & Technische Zusammenarbeit (30 min)

Partner:

• Dr. Heike Wanke und Dr. Martin Hipondoka, Geographische Fakultät, Universität Namibia, Windhoek

Förderungsnummer:

SASSCAL / 01LG1201L (BMWF)