Im Zuge des Klimawandels wird generell mit einer Zunahme hydrologischer Extremereignisse gerechnet. Dabei liegt der Fokus in der Regel auf Oberflächengewässern. In letzter Zeit mehren sich allerdings die Hinweise darauf, dass die Wahrscheinlichkeit sowohl von Hochwässern als auch von schweren Dürren entscheidend von der Grundwasserdynamik im jeweiligen Einzugsgebiet abhängt. Damit käme der Hydrogeologie eine Schlüsselrolle hinsichtlich der Abschätzung des Risikos von Extremereignissen zu.

Dieser Beitrag fasst die Ergebnisse verschiedener Studien zur Analyse von Grundwasser- und Abflussganglinien der Messnetze der Landesbehörden in fünf verschiedenen Bundesländern zusammen. Generell zeigen die Ganglinien unterschiedliche Ausprägungen der Glättung der zeitlichen Struktur des Eingangssignals. Diese lässt sich mathematisch mittels Spektralanalyse erfassen und als Tiefpassfilterung beschreiben, d.h. als die überproportionale Abschwächung des hochfrequenten Teils der Ganglinien mit zunehmendem Grundwasserflurabstand und mit zunehmender Bindigkeit der Grundwasserüberdeckung. Der Grad der Tiefpassfilterung kann mit dem CPC-Index (Cumulative Periodogram Convexity) quantifiziert werden, was einen direkten Vergleich verschiedener Ganglinien ohne aufwändige hydrologische Modellierung ermöglicht.

Je höher der CPC-Index, desto geringer ist die Pufferung hydrologischer Eingangssignale, und desto höher ist die Wahrscheinlichkeit extrem hoher Abflussspitzen. Tatsächlich lässt sich mit dem CPC-Index für einzelne Abflussganglinien eine zeitlich variierende Hochwasserwahrscheinlichkeit nachweisen, die eng mit den Grundwasserständen im jeweiligen Einzugsgebiet zusammenhängt. Damit bestätigt sich der von Berghuijs und Slater (2023) gefundene Zusammenhang zwischen Grundwasserdynamik und Hochwasserwahrscheinlichkeit. Andererseits lässt sich über den Zusammenhang mit der Grundwasserdynamik auch erklären, warum sich das Abflussverhalten während und nach längeren Dürreperioden deutlich ändert (Peterson et al. 2021, Fowler et al. 2022). Die unausweichliche Kehrseite einer starken Pufferung ist allerdings ein ausgeprägtes Langzeit-Gedächtnis im Grundwasserkörper, d.h., vergangene Extrem-Ereignisse wirken deutlich länger nach, als in der aktuellen Hochwasser- und Dürrerisiko-Abschätzung berücksichtigt wird. Damit kommt der Hydrogeologie eine wichtige Rolle bei der Risiko-Abschätzung klimatischer Extremereignisse zu.

Berghuijs, W.R., Slater, L.J. (2023): Groundwater shapes North American river floods. Environ. Res. Lett. 18 034043, DOI 10.1088/1748-9326/acbecc

Fowler, K., Peel, M., Saft, M., Nathan, R., Horne, A., Wilby, R., McCutcheon, C., Peterson, T. (2022): Hydrological shifts threaten water resources. Water Resources Research, DOI 10.1029/2021WR031210

Peterson, T.J., Saft, M., Peel, M.C., John, A. (2021): Watersheds may not recover from drought. Science 372(6543): 745-749, DOI 10.1126/science.abd5085