Die Technische Universität Wien hat kürzlich eine bemerkenswerte Lösung für ein drängendes Problem im Bereich der Grundwasserwirtschaft entwickelt. In der Region des Murray-Darling-Flusses in Australien wird das Grundwasser durch landwirtschaftliche Aktivitäten zunehmend salzhaltig. Diese salzhaltige Belastung entsteht, weil Regenwasser, das in die oberen Bodenschichten eindringt, das darin enthaltene Salz auswäscht und in den Fluss abführt. Um die steigende Salzkonzentration im Fluss zu kontrollieren, wird ein Teil des salzigen Wassers in speziell angelegte Becken geleitet. In diesen Becken wird das Wasser entweder verdampft oder kontrolliert in den Untergrund geleitet. Diese Maßnahmen tragen zwar kurzfristig zur Reduzierung der Salzmenge im Fluss bei, haben jedoch zur Folge, dass der Boden in der Umgebung weiter versalzt.
Die Herausforderungen, die mit dieser Problematik verbunden sind, sind komplex. Es stellt sich die Frage, wie sich das salzhaltige Wasser im Boden ausbreitet und welche langfristigen Auswirkungen dies haben könnte. Aufgrund der vielfältigen physikalischen Prozesse, die hierbei eine Rolle spielen, sind präzise Berechnungen und Vorhersagen bisher schwierig. Die Forscher an der TU Wien haben jedoch ein innovatives Computermodell entwickelt, das mithilfe leistungsstarker Supercomputer die Ausbreitung von Flüssigkeiten in porösen Materialien simuliert. Dadurch sind sie in der Lage, die Bewegungen des Salzwassers im Boden präzise vorherzusagen und potenzielle Langzeitfolgen zu analysieren.
Die Mechanismen, die bei der Ausbreitung von Flüssigkeiten im Boden eine Rolle spielen, sind vielfältig. „Wenn sich Flüssigkeiten vermischen, erfolgt dies durch einen Prozess, den wir als Diffusion bezeichnen“, erläutert Dr. Marco De Paoli vom Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung der TU Wien. Zum Beispiel, wenn ein Tropfen Tinte in ein Glas Wasser gegeben wird, breiten sich die Tintenpartikel aufgrund der zufälligen Bewegung der Wasserteilchen aus. Gleichzeitig gibt es jedoch auch andere Faktoren, die das Verhalten der Flüssigkeiten beeinflussen. Dichtere Flüssigkeiten tendieren dazu, nach unten zu sinken, während weniger dichte Flüssigkeiten aufsteigen. Diese unterschiedlichen Dichten können Strömungen hervorrufen, die in eine bestimmte Richtung verlaufen, was im Gegensatz zur Diffusion steht, die eine gleichmäßige Ausbreitung in alle Richtungen bewirkt.
Die Situation wird noch komplexer, wenn diese Flüssigkeiten durch poröse Materialien wie sandigen Boden fließen. Hierbei wird die Verbreitung von Salz oder auch von Schadstoffen durch die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit beeinflusst. Eine schnellere Strömung führt dazu, dass mehr Salz oder Schadstoffe transportiert und verteilt werden. Dieser Prozess der Dispersion ist richtungsabhängig und kann nicht in alle Himmelsrichtungen gleichmäßig erfolgen.
Die Forscher haben es nun geschafft, all diese Effekte in einem umfassenden Computermodell zu integrieren, das eine präzise Berechnung von komplexen Situationen, wie sie im Murray-Darling-Fluss auftreten, ermöglicht. Marco De Paoli erklärt: „Wir haben interessante Instabilitäten entdeckt, die bei der Ausbreitung von salzhaltigem Wasser auftreten. Das salzhaltige Wasser hat eine höhere Dichte als das weniger salzige Wasser, was zu einem instabilen Zustand führt. Wenn das salzigere Wasser durch Zufall in tiefere Bodenschichten eindringt, wird dieser Zustand durch die Schwerkraft verstärkt, und es bilden sich fingerartige Strukturen, die die Verbreitung von Salz weiter fördern.“
Die von den Wissenschaftlern entwickelten Modelle sind nicht nur für die Untersuchung der Salzverteilung im Murray-Darling-Fluss von Bedeutung, sondern können auch auf viele andere Szenarien angewendet werden. Dazu gehören die Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser, die unterirdische Speicherung von Kohlendioxid sowie die Untersuchung der Konvektion in geothermischen Reservoirstätten. Durch diese neuen Erkenntnisse erhalten Wissenschaftler und Entscheidungsträger wertvolle Werkzeuge, um effektive Maßnahmen zur Bewältigung von Herausforderungen im Bereich der Grundwasserwirtschaft zu entwickeln und die langfristige Gesundheit von Ökosystemen zu gewährleisten.
