Küstenmetropolen senken sich teils massiv

Die Schwemmböden des Küstenflachlands halten der Grundwassernutzung kaum stand. Doch dies ist nur ein Grund.

Vor einem Jahr um diese Zeit gab es noch Gebiete in Jakarta, die 15 cm höher lagen und auch in diesem Jahr wird der Boden in der indonesischen Metopole weiter sinken. Woran liegt das, was sie die Gründe? Eine der wichtigsten Ursachen für die kontinuierliche Bodenabsenkung liegt im enormen Abpumpen von Grundwasser. Ändern sich durch menschliche Eingriffe die Druckverhältnisse im Untergrund, kann sich der Boden fast unbemerkt absenken. Oder aber auch ganz schnell – in extremen Fällen bis zu 30 cm pro Jahr. Davon sind vor allem Mega-Cities betroffen, die in Flussdeltas oder im Küstenflachland liegen. Die Gefahr eines ansteigenden Meeresspiegels ist vielen Menschen schon bekannt. Doch die lokale Absenkung des Bodens könnte sich jedoch wesentlich bedrohlichere Szenario ergeben. Denn nicht nur das Überflutungsrisiko steigt.

Nahezu 10 Prozent der Weltbevölkerung lebt in tiefliegenden Küstenregionen, gerade mal maximal 10 Meter über dem mittleren Meeresspiegel. Riesige Flussdeltas sind klassische Siedlungsgebiete für Menschen. Dort finden sich Schwemmböden (Alluvialböden), die permanent mit nährstoffreichen Sedimenten aus dem Flusseinzugsgebiet versorgt werden. Traditionell sind die fruchtbaren Böden Vorzugsgebiete für die Landwirtschaft und vermeintlich prädestiniert, eine hohe Anzahl von Menschen ökonomisch zu stützen. In Asien liegen besonders viele Megastädte in niedrigen Küstengebieten oder an Deltas. Doch auf Schwemmböden sind Bodenabsenkungen nicht Ausnahme sondern die Regel. Bislang wird dieser Umstand von einigen Großstädten sträflich gemanagt. Es ist bekannt, dass es in diesen Gebieten zu langsamen Bewegungen und Deformationen des Bodens kommt. Sie reagieren auf mechanischen Stress. Unter natürlichen Bedingungen werden die Schwemmböden allmählich durch die immensen Mengen an Sedimenten zusammengedrückt bzw. zum Teil tektonisch gesenkt (aber auch gehoben). Ohne große Deiche oder Staudämme im Flussverlauf werden die Absenkungen zum Großteil durch die Unmengen angeschwemmter Sedimente aus dem Flussmittellauf ausgeglichen. Bis zu 16 Kilometer dick ist beispielsweise die Sedimentschicht am Ganges–Brahmaputra-Flusssystem. Natürliche geringfügige Absenkungen durch die Sedimentlast erfolgen eher gleichförmig über ein großes Gebiet verteilt. Dies geschieht teils im Wechselspiel mit Gebirgen, wie dem Himalaya im Ganges-Brahmaputra-Delta. Im Schnitt liegen diese natürlichen Bodenabsenkungen bei unverfestigten Sedimenten bei weniger als einem Zentimeter pro Jahr. Doch inzwischen haben sich allein in diesem Delta mit Kalkutta und Dhaka gigantische  Ballungszentren mehr als 28 Millionen Einwohnern herausgebildet und die Absenkung des Bodens durch Grundwasserentnahme ist meist wesentlich höher, kann bis 20 - 30cm Jahr betragen.

Städte sind meist an Stellen zu finden, wo sich diese Sedimentschichten seit Jahrtausenden konsolidiert haben. Mit der Entstehung der gigantischen Metropolen an Küstendeltas und im Küstenflachland sollte dieser ursprünglich extrem dynamische Naturraum nun beherrschbar werden. Es kam zu Flusslaufverlegungen- und begradigungen, Dämme und Deiche wurden gebaut. Die Folge: Durch die Eingriffe kommt heute an den vielen Orten weniger Wasser am unteren Flusslauf an. Salziges Meerwasser drückt daraufhin ins Inland und die Städter werden gezwungen, immer tiefer im Untergrund nach Süßwasser zu pumpen. Durch die Grundwasserentnahme sanken und sinken Städte heute noch in unterschiedlichen Geschwindigkeiten lokal ab. Doch es gibt weitere Ursachen. Die unverfestigten Böden werden durch das schiere Gewicht von Gebäuden zusammengepresst, denn das Wasser in den Porenräumen dieser Böden kann verdrängt werden.

Inwieweit ein grundwasserführende Schicht, der Aquifer, in Folge von Grundwasserentnahmen nachgibt lässt sich besonders gut mit Daten der Radarinterferometrie (InSAR) messen. Diese satellitenbasierte Methode liefert Höhenmodelle mit einzigartiger Genauigkeit. Mit der Überlagerung von exakt gleichzeitig erstellten Radarbilderpaaren (Interferogrammen), können in der Auswertung Karten gefertigt werden, die Aussagen zu Landabsenkungen im Millimeterbereich und bei guten Bedingungen, sogar als Bruchteile von Millimetern, zulassen. Unerlässlich ist ein gutes Monitoring, denn wird ein Aquifer-System zusammengepresst, ist dieser Prozess ist im Wesentlichen irreversibel.

Shanghai: ein unterirdischer Bau-Dschungel

Bemerkenswert ist: In einigen Mega-Agglomerationen wie in Hong-Kong oder Shanghai wird die Netto-Entnahmerate von Grundwasser inzwischen gut gesteuert. Im Zentrum der 27 Millionen Einwohner Metropolregion Shanghai im Mündungsgebiet des Jangtse ist sie sogar seit den 1980iger-Jahren konstant. Doch auch hier setzt sich der Trend zur Bodenabsenkung fort. In den 1990iger-Jahren wurden viele Arbeiten im Untergrund in einer einzigen Grundwasserschicht durchgeführt, die als Multi-Aquifer-Aquitard System (MAAS) bezeichnet wird. Aquifere führen das Grundwasser, Aquitarde sind schwach durchlässig für Grundwasser. Ob Wasser- oder Gasleitungen, elektrische Kabel, Tunnel für Metrolinien oder die unzähligen Fundamente für neue Hochhäuser – die trennenden Effekte in grundwasserführenden Schichten sind ein wesentlicher Grund für die erneute Grundwasserabnahme. Aber Grundwasser entweicht auch ungewollt. Oder es sickert langsam in Tunnelsysteme und geht dadurch dem natürlichen Kreislauf verloren. Oberirdisch drückt die immense Auflast der Gebäude auf die Böden und verfestigt sie weiter. Der Verkehr erzeugt Vibrationen, die diesen Effekt verstärken können. Heute wird relativ deutlich sichtbar, dass seit den 1990iger-Jahren vor allem Untergrundstrukturen mit all ihren Folgen für den Grundwasserfluss das bedenkliche Absinken der Großstadt Shanghai verursachen – und nicht die Netto-Grundwasserentnahmerate. Die unsachgemäße Entnahme von Grundwasser bleibt jedoch in anderen Ballungszentren an Chinas Küsten nach wie vor der Hauptgrund für die Absenkung urbaner Gebiete. Über 90 Städte sind in China betroffen, darunter auch die Megastädte Tianjin und Jiangsu.

Die Aussichten bis zum Ende des Jahrhunderts sind insbesondere für Shanghai düster. Der Anstieg des Meeresspiegels wird für die Stadt momentan auf 43 cm geschätzt, während das Absinken des Bodens, je nach Management und Stadtentwicklung, 3 cm bis über 2m betragen kann. Neotektonische Absenkungen könnten sich auf durchschnittlich bis 14 cm belaufen.

Bangkok braucht clevere Auswahl von Grundwasserentnahmestellen

Die Landabsenkungsrate stand bis in die 1990iger-Jahre eindeutig mit der Extraktion von tiefem Grundwasser in der Millionenmetropole in Verbindung. Mehr als 4500 Quadratkilometer senkten sich damals um mehr als 10cm pro Jahr im Stadtzentrum und der umliegenden Region ab. Heute kommt die große Auflast der Gebäude hinzu, die Maximalraten in der Stadt liegen aktuell bei 2 cm pro Jahr. In den Jahren 1983 und 2011 gab es deshalb bereits besonders schwere Überflutungen. Bangkok ist ein gutes Lernbeispiel. So könnte die Beobachtung der zeitlich und räumlich unterschiedlichen Grundwassererneuerungsraten wichtige Management-Rückschlüsse zulassen.

Jakarta senkt sich lokal massiv

Das Ausmaß der Bodenabsenkung ist in dieser Metropole bedrohlich. Jakarta hält hier weltweit den Rekord. Allein für den Zeitraum 1982–1997 sind Gesamt-Bodensenkungen von 20cm bis 2m nachgewiesen. Einige Gebiete der Metropolregion Jakarta werden zukünftig sogar unter das mittlere Meeresniveau fallen. Eine übermäßige Grundwasserentnahme bis Ende der 1980iger, eine ungünstige Auswahl von Wasserentnahmestellen, die Auflast von Gebäuden und nachgeordnet geotektonische Faktoren sind der Grund für diese bedenkliche Entwicklung. Der Anstieg des Meeresspiegels könnte, in Kombination mit der Absenkung, fatale Überflutungen nach sich ziehen. Für einen effektiven Abfluss wird nämlich der nötige topographische Gradient,  d.h. das notwendige Gefälle, nicht mehr erreicht. Die Folgen der Landabsenkung in Jakarta zeigen sich an Gebäudeschäden, der Ausweitung von Überflutungsgebieten, dem sinkenden Grundwasserspiegel und einem Eindringen von Salzwasser in Grundwasserschichten.

Die Absenkung erfolgt räumlich und zeitlich variabel. An den meisten Messorten in Jakarta mit Raten von 1 bis 15 cm pro Jahr  (1982–2010). Einige Standorte verzeichneten sogar spektakuläre 20 bis 28 cm pro Jahr. Es gibt zwischen Bebauung und Landabsenkung einen klaren Zusammenhang, wobei das Phänomen in Jakarta eher lokal auftritt. Bemerkenswert ist der Zusammenhang zwischen Wasserspiegelabsenkung und Bodenabsenkung. Diese Tatsache stützt stark die Hypothese, dass sich der nördliche Küstenteil von Jakarta absenkt, weil insbesondere tiefes Grundwasser entnommen wird und dadurch der Wasserdruck abnimmt. Der Grundwasserstand lag 1910 bei 12,5 m über dem mittleren Meeresspiegel, in den 1970 Jahren erreichte der Wasserspiegel dann ungefähr das Meeresniveau, um dann in den 1990iger Jahren auf 30-50m unter den Meeresspiegel zu sinken. Dramatische Veränderungen, die nicht ohne Folgen bleiben.

New Orleans: Landabsenkung war Grund für fehlenden Schutz vor Hurrikan

In Folge eines Hurrikans, Betsy, im Jahre 1965 hatte New Orleans im Delta des Mississippi Deiche verstärkt und erhöht, um sich in der Zukunft gegen ähnlich dramatische Überflutungen zu schützen. Seit dieser Zeit jedoch senkte sich das Land im Mississippi Delta um mehr als 1 Meter ab. Das Phänomen war bekannt, aber die Gründe schlecht untersucht. Fatal war jedoch die fehlende Schlussfolgerung, dass die Deiche unter diesen Umständen nicht mehr Schutz vor den verheerenden Fluten eines Hurrikans wie Kathrina bieten konnten, der 2005 annähernd 80 Prozent des Stadtgebiets von New Orleans überflutete.

Santa Clara Valley (Silicon Valley), Mekong Delta, Manila, Taiwan’s Küsten, Tokyo, Rotterdam, St. Petersburg, Peking - die Liste betroffener Regionen und Städte lässt sich lange fortsetzen. Dem Bauboom an Küsten müssen effektive Management-Initiativen gegenüber stehen. Für einige Großstädte, wie z.B. Bangkok oder Jakarta wäre immer noch ein räumlich gut durchdachtes Wassermanagement die erste Maßnahme: regionales statt lokales Wassermanagement, eingebunden in langfristige Strategien. Es gibt Versuche, Küstenstädte kurzfristig zu stabilisieren. Früher wurde beispielsweise das Grundwasser in Shanghai künstlich nachgefüllt, um die Landabsenkung zu begrenzen. In Bangkok gibt es Hinweise, dass die gute Auswahl von Grundwasserentnahmestellen zumindest die schnelle Grundwassererneuerung begünstigt.

Quellenangaben

  Budiyono Y, Jeroen C. J. H. Aerts, Tollenaar D and Philip J W (2016): River flood risk in Jakarta under scenarios of future change. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 16, 757–774, 2016. DOI:10.5194/nhess-16-757-2016
  Hasanuddin Z et al (2007): Land subsidence characteristics of Jakarta between 1997 and 2005, as estimated using GPS surveys. GPS Solut (2008) 12:23–32. DOI: 10.1007/s10291-007-0061-0
  Ingebritsen S E; Galloway D L (2014): Coastal subsidence and relative sea level rise . Environmental Research Letters, Volume 9, Number 9.
  Brown S; Nicholls R J (2015) Subsidence and human influences in mega deltas: The case of the Ganges–Brahmaputra–Meghna. Science of the Total Environment. Vol. 527–528, 362–374. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2015.04.124
  Kim et al. (2015): Ground subsidence in Tucson, Arizona, monitored by time-series analysis using multi-sensor InSAR datasets from 1993 to 2011. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 107 (2015), pp. 126–141.
  Motagh M et al (2017): Quantifying groundwater exploitation induced subsidence in the Rafsanjan Plain, southeastern Iran, using InSAR time-series and in situ measurements. DOI: doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.01.011
  Milliman J D; Haq B U (1996): Sea-Level Rise and Coastal subsidence. Causes, Consequences, and Strategies.
  Hasanuddin Z. et al (2011): Land subsidence of Jakarta (Indonesia) and its relation with urban development. Nat Hazards. 59:1753–1771.  DOI: 10.1007/s11069-011-9866-9
  Soetrisno, S. et al (1997): To anticipate impacts of reclamation of Jakarta Bay, a groundwater conservation's perspective. Paper presented at Workshop on Coastal and Nearshore Geological/Oceanographical Assessment of Jakarta Bay: A Basis for Coastal Zone Management and Development, Jakarta, 25-28 June.

Text: Jana Kandarr (ESKP), fachliche Durchsicht Dr. Mahdi Motagh

Text, Fotos und Grafiken soweit nicht andere Lizenzen betroffen: eskp.de | CC BY 4.0
eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

Verwandte Artikel

Grundlagen