Abstract:
Im Zusammenhang mit dem Klimawandel und verstärkten anthropogenen Einflüssen nehmen die weltweit verfügbaren Süßwasserressourcen kontinuierlich ab. In vielen Regionen der Erde führt dies bereits zu Wasserknappheit. Die großen Deltaregionen Südostasiens weisen aufgrund ihrer hohen Bevölkerungsdichte eine besonders große Vulnerabilität auf. Zu den weltweit am stärksten betroffenen Deltaregionen zählt das Mekong-Delta in Vietnam, das für seine ausgedehnten Reisfelder sowie sein dichtes Netz aus Fluss- und Bewässerungssystemen bekannt ist. Die zukünftige Existenz des Mekong-Deltas ist zunehmend gefährdet, da infolge der Übernutzung natürlicher Ressourcen sowie der fortschreitenden Landabsenkung Salzwasser immer weiter in die niedrig gelegenen Küstenregionen eindringt. ... mehrInfolgedessen kommt es zu einer Versalzung wertvoller Süßwasserressourcen, was die Trinkwasserversorgung, die landwirtschaftliche Produktion und die Stabilität von Ökosystemen erheblich beeinträchtigt. Obwohl Salzwasserintrusion in Küstenregionen weltweit eine zentrale Herausforderung für das Wasserressourcenmanagement darstellt, bestehen weiterhin erhebliche Wissenslücken hinsichtlich der zugrunde liegenden Ursache–Wirkungs-Zusammenhänge.
Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Dissertation das Mekong-Delta untersucht, um die räumlich-zeitliche Verteilung von Süß- und Salzwasserressourcen zu erfassen und die natürlichen sowie anthropogenen Einflussfaktoren der fortschreitenden Versalzung zu identifizieren. Hierzu wurden Felddaten aus fünf Probenahmekampagnen zwischen 2018 und 2022 in der südlichsten Provinz des Mekong-Deltas, Ca Mau, sowie Monitoringdaten bestehender Messstationen ausgewertet. Es wurden insbesondere geochemische und hydrometeorologische Daten mithilfe etablierter und weiterentwickelter Methoden analysiert. Die Ergebnisse zur Grund- und Oberflächenwasserversalzung im südlichen Mekong-Delta sind in drei wissenschaftlichen Studien publiziert.
In der ersten Publikation wurde eine hydrogeochemische Untersuchung der am stärksten genutzten Aquifere in der Provinz Ca Mau durchgeführt. Molare Ionenverhältnisse und Wassertypanalysen, die das Resultat von Wasser-Gesteins-Wechselwirkungen sind, sowie das entwickelte hydrogeologische Modell zeigten, dass die Grundwasserzusammensetzung sowohl durch frühere marine Transgressions- und Regressionsphasen als auch durch rezente Versalzungsprozesse geprägt ist. Erhöhte Salzgehalte sind dabei vor allem auf anthropogene Aktivitäten wie Brunnenbau und Grundwasserentnahme zurückzuführen. Diese Aktivitäten begünstigen eine vertikale Infiltration salzhaltigen Wassers aus oberflächennahen salinen Aquiferen oder aus Oberflächengewässern.
Im Zentrum der zweiten Publikation stand die Analyse der Salzwasserintrusionsdynamik in Oberflächengewässern. Hierbei wurden jährliche Schwankungen der Salinität im Zeitraum von 2000 bis 2022 untersucht. Mithilfe von Trend- und Korrelationsanalysen konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen extremen Versalzungsereignissen und hydrologischen Dürreperioden nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass menschliche Eingriffe in das hydrologische Regime, insbesondere durch den Bau von Staudämmen und das Reservoirs-Management im Oberlauf des Mekongs, signifikante negative Abflussanomalien verursachen. Diese verringern den hydraulischen Süßwassergradienten erheblich und fördern das Vordringen von Meerwasser. Gleichzeitig erhöhen Landabsenkungsraten von 1,5 bis 2,5 cm pro Jahr, welche aus Wasserstandsdaten zwischen 2000 und 2022 berechnet wurden, die generelle Anfälligkeit des Deltas gegenüber Salzwasserintrusion zusätzlich. Diese hohe Vulnerabilität spiegelt sich in ausgeprägten Salzgehaltsschwankungen wider. Während der Trockenzeit steigt der Salzgehalt graduell um mehr als 10 g/L an, und zwischen den Jahren treten Unterschiede in den maximalen Salzgehalten von bis zu 15 g/L auf. Dabei werden Meerwassersalzgehalte von 35 g/L regelmäßig erreicht oder überschritten.
Die dritte Publikation zeigt auf Basis einer Spektralanalyse von stündlichen Wasserstands- und Salzgehaltsdaten aus den Trockenzeiten 2017 und 2018, dass die intrasaisonale Dynamik der Salinität maßgeblich durch gezeitenbedingte Schwankungen des Wasserstands kontrolliert wird. Hierfür wurde ein Harmonic-Least-Squares-Ansatz entwickelt und angewendet, mit dem das Ausmaß des Gezeiteneinflusses und die zeitliche Variabilität der gezeitenkontrollierten Prozesse während des Untersuchungszeitraums zuverlässig erfasst werden konnten. Die sowohl stationären als auch nicht-stationären Muster wurden mithilfe eines 45-tägigen sliding windowed Harmonic-Least-Squares-Ansatzes rekonstruiert, wobei gewichtete R²-Werte von 0,85 bis 0,98 für den Wasserstand und 0,53 bis 0,73 für den Salzgehalt erzielt wurden.
Darüber hinaus integriert diese Dissertation Erkenntnisse aus weiteren Publikationen mit Ko-Autorenschaft, darunter hydrogeologische Grundwassermodellierungen, neue Ergebnisse zu den Ursachen der Landabsenkung, zur Grundwasserqualität und Wassernutzung sowie zur Dynamik der Landnutzung im Mekong-Delta. In ihrer Gesamtheit liefern die in dieser Arbeit präsentierten Studien eine ganzheitliche und interdisziplinäre Perspektive auf die Versalzung und die Süßwasserverfügbarkeit im Mekong-Delta, indem sie die komplexen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemkomponenten berücksichtigen. Als übergeordnetes Ergebnis wird der kontinuierliche Verlust von Land und Süßwasser aufgezeigt, der letztlich zu einer fortschreitenden Versalzung führt und einen sich selbstverstärkenden Rückkopplungseffekt auslöst. Steigende Salzgehalte führen in diesem Prozess zu vielfältigen negativen Auswirkungen und kontraproduktiven Anpassungsreaktionen, die die Versalzung von Grund- und Oberflächenwasser weiter verstärken.
Diese Dissertation liefert eine umfassende wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Wasserbewirtschaftungsstrategien im Mekong-Delta. Die angewandten Methoden und das entwickelte synoptische Konzept sind direkt auf andere, ähnlich vulnerable Deltasysteme in Südostasien und darüber hinaus übertragbar. Abschließend unterstreicht diese Arbeit die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen interdisziplinären Forschungsgemeinschaften und lokalen Entscheidungsträgern und zeigt Zukunftsperspektiven für das Mekong-Delta sowie für andere weltweit vergleichbar betroffene Regionen auf.
Abstract (englisch):
In the context of climate change impacts and anthropogenic pressures, available freshwater resources are steadily declining on a global scale, causing severe freshwater scarcity in many regions worldwide. This phenomenon is particularly pronounced in the highly populated mega-deltas of Southeast Asia. As a consequence of natural resource overexploitation and land subsidence, the sea is progressively reclaiming many of these low-lying coastal areas.
The Mekong Delta in Vietnam, renowned for its vast rice paddy fields and dense network of rivers and irrigation channels, is among the most seriously affected delta regions worldwide and is increasingly threatened in its future persistence by the progressive loss of land and freshwater. ... mehrSeawater intrusion and salinization of valuable freshwater resources compromise drinking water supply, agricultural production, and ecosystem stability. Seawater intrusion is a challenge for water resources management in most coastal regions worldwide, yet substantial knowledge gaps concerning relevant cause–effect relationships persist.
To resolve this, the case of Mekong Delta was investigated in this dissertation, shedding light on the spatiotemporal distribution of saline and fresh water resources and to identify natural and anthropogenic drivers of progressive salinization. Therefore, field data from five sampling campaigns conducted between 2018 and 2022 in the southernmost province of the Mekong Delta, Ca Mau, and monitoring data from established stations were analyzed. In particular, geochemical and hydrometeorological data were evaluated using traditional and improved methods, and results on groundwater and surface water salinization in the southern Mekong Delta are presented in three scientific publications.
In the first study, a hydrogeochemical investigation across the most exploited aquifers in Ca Mau Province was conducted. Molar ion ratios and water-type analysis, which both are the result of water–rock interactions, and the development of a hydrogeological model, revealed that groundwater composition is shaped by past marine transgression and regression cycles and recent salinization. High salinity conditions are attributed to human activities, such as well construction and pumping, that promote vertical infiltration of saline water from the saline shallow aquifer or the surface.
To assess riverine seawater intrusion dynamics, interannual salinity variations from 2000 to 2022 were analyzed in the second publication, using trend analysis and correlations between extreme salinity events and the timing and extent of hydrological drought conditions, defined by low-discharge periods of the Mekong River. It was shown that human modifications of the hydrological regime, primarily due to dam construction and upstream reservoir management, cause significant negative discharge anomalies, which substantially decrease the freshwater gradient and promote seawater intrusion. At the same time, land subsidence estimates derived from water level records between 2000 and 2022, amounting to 1.5 to 2.5 cm/a, increase the delta’s overall vulnerability to seawater intrusion. This high vulnerability of the Mekong Delta is reflected in pronounced salinity variations, with salinity gradually increasing by more than 10 g/L during the dry season and significant interannual differences in peak salinity levels of up to 15 g/L, regularly reaching and exceeding seawater salinity levels of 35 g/L.
Subsequently, in the third publication, harmonic analysis of hourly water level and salinity records from the dry seasons of 2017 and 2018 demonstrates that sub-seasonal salinity dynamics are controlled by tide-driven water level fluctuations. A Harmonic Least Squares approach was developed and applied to effectively captured the extent of tidal influence and the temporal variability of tidal control during the study period. Stationary and non-stationary behavior expected in estuarine systems was captured by a 45-day sliding windowed Harmonic Least Squares reconstruction, obtaining weighted R² values of 0.85 to 0.98 for water level and 0.53 to 0.73 for salinity.
In addition, this dissertation integrates insights from further co-authored studies, covering hydrogeological groundwater modeling, new findings on the drivers of land subsidence, groundwater quality and water use, as well as land use dynamics in the Mekong Delta. Together, the studies presented in this dissertation offer a holistic and multidisciplinary perspective on salinization and freshwater availability in the Mekong Delta by considering the complex interrelationships among its various system components. As a synoptic outcome, the continuous loss of land and freshwater that ultimately leads to progressive salinization is presented, revealing a cascading cycle in which rising salinity levels cause multiple negative effects and maladaptation, further reinforcing salinization of both groundwater and surface water.
This dissertation provides a comprehensive scientific foundation for the development of sustainable water management strategies in the Mekong Delta. The methods and synoptic concept can be directly applied to other, equally vulnerable delta systems in Southeast Asia and beyond. Finally, this work highlights the need for close cooperation between interdisciplinary scientific communities and local decisionmakers, outlining a path forward for the Mekong Delta and other similarly affected regions worldwide.
