Abstract:
Landsenkungen stellen eine erhebliche Bedrohung für viele Flussdeltas weltweit dar und haben gravierende Auswirkungen auf deren Bevölkerung und Umwelt. Das vietnamesische Mekong Delta zählt zu den am stärksten betroffenen Deltas weltweit und sieht sich aufgrund seiner geringen Höhenlage und fortschreitender Landsenkungs-dynamiken mit einer unsicheren langfristigen Zukunftsfähigkeit konfrontiert. Obwohl die starke Grundwasserentnahme häufig als dominanter Faktor für die Landsenkung diskutiert wird, bestehen weiterhin Unsicherheiten und Zweifel hinsichtlich der jeweiligen Beiträge von Grundwasserabsenkung und weiterer Prozesse wie Autokompaktion und Auflasten durch die bebaute Umwelt. ... mehrDies schränkt belastbare Bewertungen der Wirksamkeit potenzieller Minderungs- und Anpassungsmaßnahmen ein und erschwert deren Umsetzung.
Um diese Unsicherheiten zu adressieren, entwickelt diese Dissertation einen hochaufgelösten, prozessbasierten Ansatz zur Untersuchung der Landsenkungsdynamik im Mekong Delta. Dieser Rahmen vertieft das Verständnis hinsichtlich grundwasser-bedingter Landsenkung und analysiert Prozesse sowie Untergrundparameter, die für Minderungs- und Anpassungsstrategien relevant sind. Um die Einschränkungen früherer deltaweiter Ansätze zu überwinden, wird eine dezidiert lokale, zugleich jedoch repräsentative Perspektive eingenommen, die die für eine robuste und verlässliche Prozessquantifizierung erforderliche Datendichte bereitstellt. Der Ansatz integriert tiefendifferenzierte Kompaktionsmessungen, kontinuierliche Grundwasser- und meteorologische Beobachtungen, geodätische Messungen, geomechanische Parametri-sierung, physikalisch fundierte numerische Modellierung sowie passive Untergrund-charakterisierung.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Grundwasserentnahme mit hoher Verlässlichkeit als primärer Treiber der Landsenkung am untersuchten Standort quantifiziert werden kann, während Autokompaktion und Auflasten durch die bebaute Umwelt einen sekundären, jedoch erkennbaren Anteil beitragen. Beobachtete räumlich-zeitliche Heterogenität und extreme Landsenkungsraten mit hoher lokaler Variabilität können nicht allein durch die modelltechnisch abgebildeten Grundwasserabsenkungen und Oberflächenauflasten erklärt werden. Fehlstellen an Brunnenverrohrungen werden in diesem Zusammenhang als bislang unerkannter anthropogener Prozesspfad identifiziert und numerisch validiert, welcher durch ein lokales Angleichen der Grundwasser-potentiale zwischen grundwasserseitig erschlossenen Aquiferen und darüberliegenden Aquitarden, sowie durch die Schaffung von zusätzlichen Drainagepfaden lokal zu einer Beschleunigung und Verstärkung der Landabsenkung führen kann.
Auflasteffekte an der Oberfläche werden als maßgebliche Einflussfaktoren gemessener Grundwasserpotenziale im Mekong Delta identifiziert. Diese neue Erkenntnis wird für die passive Untergrundcharakterisierung genutzt und zeigt ein begrenztes Landhebungs- und Minderungspotenzial tiefer Aquifere. Es wird nachgewiesen, dass Signale von saisonalen Auflasten durch Oberflächengewässer während der Regenzeit fortschreitend fallende Grundwasserdruckspiegel in Messzeitreihen überlagern, wobei steigende Grundwasserpotenziale zuvor häufig als Indikatoren für Grundwasser-neubildung fehlinterpretiert wurden. Diese Erkenntnis unterstreicht die Notwendigkeit einer Begrenzung der Grundwasserentnahme, um fortschreitend fallende Grundwasser-druckspiegel und die damit verbundene Landabsenkung zu verhindern. Die Ergebnisse identifizieren das Management flacher Grundwasserressourcen als prioritäre Minderungsmaßnahme, da die hydraulischen Potenziale dieser Aquifere maßgeblich die Kompaktion der darüberliegenden weichen und hochkompressiblen holozänen Sedimente beeinflussen. Da diese oberflächennahen Grundwässer häufig salzhaltig und daher von geringer Bedeutung bei der Bereitstellung von Frischwasser sind, erscheint in diesen Aquiferen die Vermeidung einer weiteren Grundwasserspiegelabsenkung vergleichsweise gut umsetzbar.
Über das Mekong Delta hinaus ist der entwickelte Ansatz auf andere Deltasysteme übertragbar. Die neuartige Integration von Meeres- und Flusstiden in Methoden zur passiven Untergrundcharakterisierung überwindet bisherige methodische Einschrän-kungen in gezeitenbeeinflussten Umgebungen und ermöglicht so eine kosteneffiziente Aquiferparametrisierung in datenarmen Deltaregionen weltweit. Das ausgearbeitete „Recharge-Illusion“-Konzept ist insbesondere für Deltas von Bedeutung, in denen saisonale Überflutung, verstärkt durch die Ausweitung aquakultureller Landnutzung, starke Auflastsignale in Grundwasserstandsmessungen erzeugen kann, die, sofern sie unbeachtet bleiben, ein erhebliches Fehlinterpretationspotenzial bergen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser lokalräumigen, jedoch weitgehend repräsentativen Analyse, dass trotz der deutlich verzögerten Reaktion der Landsenkung auf vergangene Grundwasserspiegelabsenkungen das existenzielle Risiko eines Absinkens unter den Meeresspiegel in naher Zukunft vermieden werden kann, sofern ein fortschreitendes Fallen der Grundwasserdruckspiegel im Mekong Delta konsequent verhindert wird.
Abstract (englisch):
Land subsidence poses major threats to many river deltas around the world, with severe impacts on their populations and environments. The Vietnamese Mekong Delta ranks among the most critically affected deltas worldwide, facing uncertain long-term viability due to its low elevation and progressive subsidence dynamics. While groundwater depletion is often discussed as the dominant subsidence driver, uncertainties regarding the contributions of groundwater depletion and other processes like autocompaction and structural loading of the built environment persist. This constrains reliable assessments of the effectiveness of potential mitigation and adaptation measures and challenges their implementation.
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To address these uncertainties, this dissertation elaborates a high-resolution, process-based approach for investigating subsidence dynamics in the Mekong Delta. This framework advances the understanding of groundwater-depletion-induced subsidence and investigates processes and subsurface parameters relevant to mitigation and adaptation strategies. To overcome limitations of previous delta-wide approaches, a distinctly local yet representative perspective is adopted, providing the data density required for robust and reliable process quantification. The approach integrates depth-differentiated compaction monitoring, continuous groundwater and meteorological observations, geodetic measurements, geomechanical parameterization, physics-informed numerical modelling and passive subsurface characterization.
The results demonstrate that groundwater depletion can be quantified with high reliability as the primary driver of subsidence at the investigated study site, while autocompaction and structural loading of the built environment contribute a secondary yet recognizable share. Observed spatiotemporal heterogeneity and extremes in subsidence rates with high local variance cannot be fully explained by the considered groundwater depletion and surface loading alone. Well-casing failure is therefore proposed and numerically validated as a previously unaddressed anthropogenic pathway that may locally accelerate subsidence by providing local subsurface drainage pathways and a local equilibration of hydraulic heads between aquitards and the tapped aquifers.
Loading effects are identified to control measured groundwater heads in the Mekong Delta. This novel insight is utilized for passive subsurface characterization, revealing limited rebound and subsidence mitigation potential of deep aquifers. Seasonal surface water loading is shown to mask ongoing groundwater depletion during the rainy season, where rising heads had previously been misinterpreted as indicators of groundwater recharge. This finding underlines the importance of restricting groundwater extraction for preventing advancing depletion and associated subsidence. The management of shallow groundwater resources is identified as a priority mitigation measure, as hydraulic heads in these aquifers largely control the compaction of the overlying soft and highly compressible Holocene strata. Because these shallow waters are often saline and therefore of minor domestic relevance, preventing their depletion may be comparatively achievable.
Beyond the Mekong Delta, the developed framework is transferable to other deltaic systems. The novel integration of ocean and river tide loading into passive subsurface characterization overcomes previous methodological limitations in tide-dominated environments and enables such cost-efficient aquifer parameterization in data-scarce deltaic regions worldwide. The elaborated recharge-illusion concept is particularly relevant for deltaic settings, where seasonal inundation, amplified by expanding aquaculture, can generate high-magnitude loading signals in groundwater heads, with great potential for misinterpretation if overlooked. Overall, the results of this local-scale yet largely representative analysis indicate that, despite a significant delay in subsidence response to past groundwater depletion, the existential risk of subsiding below sea level in the near future can be averted if advancing groundwater head depletion is rigorously prevented in the Mekong Delta.
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