Forschungsteam entwickelt neues Paradigma für Grundwasseruntersuchungen unter Einbeziehung ökologischer Modellierung.

Wissenschaftler schlagen ein neues Paradigma für die Untersuchung von Grundwasser vor - Fusionsansatz mit ökologischen Modellierungsprinzipien Die Bewegung von Gelöststoffen im oberflächennahen Grundwasser ist eine treibende Kraft der Bodensalzverunreinigung und kann weitreichende ökologische Auswirkungen haben, die Landproduktivität und Biodiversität bedrohen und letztlich das menschliche Lebensumfeld gefährden. Daher ist die genaue Modellierung der Salz- und Wasserverteilung im oberflächennahen Grundwasser von großer wissenschaftlicher Bedeutung für den Naturschutz und die Ressourcenverwaltung. Allerdings stellt die präzise Modellierung der Gelöststoffverteilung im Grundwasser in trockenen Regionen aufgrund der Komplexität hydraulischer Verbindungen, der ungleichmäßigen räumlichen Verteilung und vielfältiger Einflussfaktoren sowie der begrenzten Anzahl an Feldbeobachtungsdaten eine große Herausforderung dar. Ein Forschungsteam am Institute of Northeast Geography and Agroecology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat nun ein neues Paradigma vorgeschlagen, das ökologische Modellierungsprinzipien in die Grundwasserforschung einbezieht. Die Wissenschaftler haben Modelle zur Speziesverteilung (Species Distribution Models, SDMs) aus dem Bereich der Ökologie angewendet, um die räumliche Verteilung der Hauptgelöststoffe im oberflächennahen Grundwasser, wie Na+, K+, SO4²⁻ und Cl⁻, vorherzusagen. Dabei haben sie traditionelle hydrologische Modelle mit maschinellem Lernen kombiniert, um ein großräumiges Modell zur Verteilung von Gelöststoffen im Grundwasser in ariden Regionen zu erstellen. Dieses Modell bietet neue Techniken für die Überwachung der Grundwasserqualität und die Bekämpfung der Salzverunreinigung. Im Rahmen der Studie wurden Wasserproben sowohl aus oberflächennahem als auch aus tiefem Grundwasser und Oberflächenwasser gesammelt. Diese Proben wurden in einer mehrdimensionalen Datenbank erfasst, die fünf Arten von Umweltfaktoren umfasst: Topographie, Klima, hydraulische Verbindungen, Bodeneigenschaften und menschliche Aktivitäten. Die Konzentrationen der Gelöststoffe wurden analog zur „Eignung“ von Arten in Ökosystemen betrachtet, und die Speziesverteilungsmodelle wurden verwendet, um deren räumliche Verteilung im Grundwassersystem zu simulieren. Um das Problem der begrenzten Feldbeobachtungsdaten zu lösen, wurden fortschrittliche Algorithmen wie Endmember Mixing Analysis, Random Forest und AICc-Modellauswahl eingesetzt. Dies führte zu einem Vorhersagegenauigkeitsschub von über 30 % im Vergleich zu herkömmlichen räumlichen Interpolationsmethoden. Die Studie zeigte, dass die Konzentrationen von Na+, K+, SO4²⁻ und Cl⁻ im oberflächennahen Grundwasser hauptsächlich durch die chemische Zusammensetzung des Oberflächenwassers gesteuert werden. Dagegen korreliert die Verteilung von Ca²⁺ mit dem tiefen Grundwasser. Menschliche Aktivitäten, insbesondere in landwirtschaftlich genutzten Gebieten, showed eine positive Korrelation mit den Gelöststoffkonzentrationen. Unter den klimatischen Faktoren hatten Niederschlag und Verdunstung den größten Einfluss auf die Bewegung der Gelöststoffe. Dieses neuartige Modellierungsparadigma liefert nicht nur eine innovative Perspektive auf die Mechanismen der Gelöststoffbewegung im oberflächennahen Grundwasser, sondern bietet auch präzisere Methoden zur Identifikation von Bereichen mit hoher Salzansammlung und zur wissenschaftlichen Verwaltung der Grundwasserressourcen. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Water Resources Research veröffentlicht. Das Projekt wurde durch verschiedene Förderprogramme unterstützt, darunter der National Natural Science Foundation of China und das Talent-Special-Fund der Black Earth Granary Technology Campaign. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Henan University durchgeführt. Industrie-Insider bewerten die Entwicklung als wichtigen Fortschritt in der Grundwasserforschung. Sie sehen in dem neuen Paradigma eine Möglichkeit, die Datenlücken zu schließen und die Vorhersagegenauigkeit erheblich zu verbessern, was wiederum bessere Entscheidungsgrundlagen für die Wasserressourcenverwaltung und Umweltschutzmaßnahmen bietet. Das Institute of Northeast Geography and Agroecology der CAS ist ein führendes Zentrum für geoökologische und agrarökologische Forschung, das sich insbesondere auf die nachhaltige Nutzung von Boden- und Wasserressourcen konzentriert. Die Henan University ist ebenfalls ein renommiertes Institut, das in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften forscht.