Grundwasserverdunstung in ostsaharischen Senkengebieten unter besonderer Berücksichtigung der Transpiration wild wachsender Vegetation

In den ostsaharischen Senkengebieten verdunstet fossiles Grundwasser aus dem Nubischen Aquifersystem, das mit einer Fläche von 2 Mill, km2 das größte zusammenhängende Grundwasserreservoir der Ostsahara ist und sich über mehr als 60 % der Gesamtfläche Ägyptens erstreckt. Die ständig steigende anthropogene Nutzung des Grundwassers sowie der natürliche Grundwasser-Abfluß führen zu einer Verringerung des nutzbaren Grundwassers. Der gesamte natürliche Abfluß, der durch Evapotranspiration erfolgt, liegt Grundwasser-Modellrechnungen zufolge in der Größenordnung von 10 9 m3/a (AHMAD 1983; SONNTAG 1985; BRINKMANN et al. 1987). Bei fehlender Grundwasser-Ergänzung unter den heutigen ariden Klimaverhältnissen bewirkt dieser natürliche Abfluß, bezogen auf die Gesamtfläche des Nubischen Aquifersystems, eine stetige Grundwasserabsenkung von derzeit 0.5 m pro 100 Jahre (SONNTAG 1987). Zur Bestimmung des Grundwasserabflusses durch Evapotranspiration in den ostsaharischen Senken, deren morphologische Gesamtfläche ca. 45000 km2 ausmacht (etwa 5% der Gesamtfläche Ägyptens), wurden die Flurabstände der freien Grundwasseroberfläche kartiert bzw. die Grundwasserdruckflächen in den Senken berücksichtigt. Für die Grundwasserverdunstung aus unbewachsenen Flächen wurde zunächst eine Klassifizierung der Bodenarten in den Senken vorgenommen. Verdunstung aus unbewachsenen Böden heraus erfolgt durch kapillaren Grundwasseraufstieg bis zu einer Verdunstungsfront (evaporating front) in einer gewissen Bodentiefe und von dort aus durch molekular diffusiven Wasserdampftransport durch die ausgetrocknete Bodenschicht darüber. An verschiedenen Bodenstandorten mit unterschiedlichen Grundwasser-Flurabständen wurden jährliche Verdunstungshöhen zwischen einigen Millimetern bis 50 mm Wasser anhand von Deuterium und Sauerstoff-18 in der Bodenfeuchte bestimmt (CHRISTMANN fc SONNTAG 1987). Diese lokalen Meßwerte wurden mit Hilfe eines Modells für den kapillaren Grundwasseraufstieg auf die Fläche übertragen, wobei bodenphysikalische Kenngrößen wie kapillare Leitfähigkeit, Saugspannung und Porosität entscheidend eingehen. Der Abflußanteil, der durch Transpiration erfolgt, wurde durch Kartierung des natürlichen Bewuchses zum Teil anhand bereits vorhandener Karten, vor allem aber durch eigene Luftbildauswertung und Geländeaufzeichnungen bestimmt. Dabei wurde fast überall eine typische Zonierung der Vegetation beobachtet. Den jeweiligen Spezies - Gräser, Büsche, Sträucher oder Bäume - wurden Transpirationsraten entweder als täglicher Wasserverbrauch pro Exemplar oder als tägliche Verdunstungshöhe über der Gesamtfläche zugeordnet. Hierbei wurden die zum Teil außerordentlich weit streuenden Literaturangaben mit eigenen Berechnungen des Wasserverbrauchs verglichen. Diese Berechnungen stützen sich auf neuere Angaben über die artspezifische Transfergeschwindigkeit für den Wasserdampf, der von der Blattoberfläche der Pflanze in die wasserdampf-ungesättige Atmosphäre freigesetzt wird, sowie auf die Schattenfläche der Pflanze und den ihr zugeordneten Blattflächenindex (LAI = leaf area index). Die so gewonnenen Transpirationshöhen wurden mit der über einer freien Wasserfläche verglichen. Der für einige Senken exemplarisch berechnete Grundwasserabfluß durch Evapotranspiration läßt sich unter Berücksichtigung des jeweiligen Sättigungsdefizites auf andere Senkengebiete in diesem Klimaraum übertragen, weil alle Senken hinsichtlich des spärlichen, natürlichen Bewuchses sowie des geringen Artenbesatzes ähnlich sind. Der Grundwasserabfluß in allen Senkengebieten beläuft sich auf 4.6∙10 8 m3/a, der mit dem entsprechenden Zahlenwert der numerischen Modellrechnung für das Nubische Aquifersystem verglichen wird. In einer gesonderten Betrachtung wurde die anthropogen induzierte, wilde Vegetation berücksichtigt, die sich in der Umgebung von Ackerflächen durch Überstaubewässerung entwickelt. Dabei werden die Pumpraten aus Grundwasserbrunnen dem Wasserverbrauch landwirtschaftlicher Nutzflächen gegenübergestellt.

In the East Saharan depression areas fossil ground water evaporates from the Nubian Aquifer System, which is the greatest groundwater reservoir of the East Sahara with an area of 2 Mill, km2 aund covers more than 60 % of the total area of Egypt. The permanent rise of an anthropological exploitation of the groundwater as well as the natural groundwater discharge lead to a reduction of the utilizable groundwater. The whole natural discharge, a result of evapotranspiration, has the size of 10 9 m3/a according to groundwater model calculations (AHMAD 1983; SONNTAG 1985; BRINKMANN et al. 1987). Under the present arid climatic conditiones and the missing groundwater supply this natural discharge causes a steady groundwater drawdown of 0.5 m per 100 years in relation to the total area of the Nubian Aquifer System (SONNTAG 1987). In order to quantify the groundwater discharge by means of evapotranspiration in the East Saharan depressions, the phreatic groundwater surface or the groundwater hydrolic head was determined by mapping. This relates to a total morphological area of about 45 000 km2 (about 5 % of the total area of Egypt). First of all soils were classified in the depressions to estimate the groundwater evaporation from bare soils. Evaporation from bare soil occurs by capillary rise of soil water up to the evaporation front, which is in a certain soil depth, followed by molecular diffusive water vapour transport through the dry soil layer above. At various barren soil sites with different phreatic groundwater surfaces, annual evaporation rates ranging between some milimeters and 50 mm of water have been derived from vertical profiles of deuterium and oxygen-18 in soil moisture. These local data were applied to the total area using a model of capillary groundwater rise, where capillary conductivity, potential suction and porosity were significant. The amount of discharge which results from transpiration was determined by mapping the natural vegetation, using some available maps and over all own air photographs and drawing sketches of the area. A typical zonation of the vegetation could be observed everywhere. Transpiration rates were assigned to the respective species - grass, bushes, shrubs or trees - either looking at the daily water consumption per single plant or at the daily evaporation rate of the total area. These own calculations of the water consumption were compared with diverging informations in existing publications. This calculation is based on latest data of the specific transfer velocity of the water vapour, which is set free from the surface of the leaf into the water vapour unsaturated atmosphere. Also in order to calculate the specific transfer velocity, one has to consider the amount of shadow the plant casts and the assigned leaf area index (LAI). These transpiration data were compared with those of an open water surface. This exemplarily calculated groundwater discharge, taken by means of evapotranspiration, can be transferred an other depression areas in this climate, by taking the specific saturation deficits into account. This is due to the fact that all depressions are similar concerning the sparse natural vegetation as well as low stock of species. The grounwater discharge in all depression areas is 4.6∙10 8 m3/a. It can be compared with the results of the numerical calculation model of the Nubian Aquifer System. In a seperate study the anthropogen induced and wild vegetation, which grows in the surrounding of arable, irrigated land, has been taken into consideration. In this case the pumping rates from groundwater wells are compared with the water consumption of the agriculturally productive land.