Prognose von Grundwasserüberschwemmungsrisiken in einem tiefliegenden Karstsystem unter zukünftigen Klimabedingungen

Warum steigende Überschwemmungen aus dem Untergrund wichtig sind

Wenn wir an Überschwemmungen denken, stellen wir uns meist vor, wie Flüsse über die Ufer treten oder Sturzwellen Mauern überspülen. In Teilen Westirlands können Überschwemmungen jedoch still von unten aufsteigen: Grundwasser füllt natürliche Senken in der Kalksteinlandschaft und bildet vorübergehende Seen, sogenannte Turloughs. Diese Studie untersucht, wie sich diese verborgenen Überschwemmungen mit zunehmender Erwärmung des Klimas voraussichtlich verändern werden, und nutzt dafür fortschrittliche Computermodelle, um bis zum Ende des Jahrhunderts vorauszublicken und Kommunen bei der Planung eines feuchteren Zukunftsszenarios zu unterstützen.

Eine Landschaft geformt von Gestein, Regen und Gezeiten

Die Untersuchung konzentriert sich auf eine tiefliegende Karstregion, die in die Galway Bay entwässert. Hier versickert Regenwasser, das auf die umliegenden Hügel fällt, in Spalten und Tunneln des darunterliegenden Kalksteins und tritt in flachen Senken wieder zutage, die sich periodisch mit Wasser füllen. Diese natürlichen Becken sind durch das unterirdische System mit dem Meer verbunden, sodass die Ozeangezeiten die Grundwasserstände im Inland subtil anheben oder senken können. Weil ein Großteil des Geschehens verborgen abläuft und Wasser sich durch dieses Geflecht von Hohlräumen schnell bewegen kann, sind Überschwemmungen mit herkömmlichen, flussbasierten Modellen schwer vorherzusagen.

Ein smartes Modell auf das Wasser anlernen

Um diese Komplexität zu entwirren, bauten die Autoren ein maschinelles Lernmodell namens Bayesianisches neuronales Netzwerk auf. Sie trainierten es mit fast einem Jahrzehnt realer Messdaten: tägliche Niederschläge, Meeresspiegeländerungen im Hafen von Galway und das kombinierte Wasservolumen, das in fünf überwachten Turloughs gespeichert ist. Das Modell lernte nicht nur, wie heutiger Regen und Gezeiten die Überschwemmungen beeinflussen, sondern auch, wie die nassen oder trockenen Verhältnisse der letzten Tage das System vorberieten. Tests mit Daten, die nicht zum Training verwendet wurden, zeigten, dass das Modell die beobachteten Überschwemmungsvolumina sehr genau reproduzierte, wobei es bei den allergrößten Ereignissen eher vorsichtig war — seine extremsten Projektionen sind demnach tendenziell konservativ.

Vorausschauen unter verschiedenen Erwärmungspfaden

Mit diesem trainierten Modell fütterte das Team Zukunftsprojektionen für Niederschlag aus einer Reihe regionaler Klimasimulationen sowie die Gezeitenbedingungen für die Jahre 2016 bis 2100 ein. Sie betrachteten zwei Treibhausgaspfade: einen, in dem die globalen Emissionen abflachen (RCP 4.5), und einen, in dem sie stark weiter ansteigen (RCP 8.5). In elf verschiedenen Klimarealisierungen zeigten beide Zukünfte im Laufe der Zeit mehr Grundwasserüberschwemmungen, doch der Pfad mit hohen Emissionen hob sich deutlich ab. Starkregenperioden wurden nasser, der Boden befand sich häufiger in überschwemmungsanfälligen Zuständen, und die Turlough-Überschwemmungsvolumina stiegen schneller an — besonders im Winter und in den umliegenden Übergangsmonaten.

Wie kurze Schübe und Hintergrundnässe Überschwemmungen auslösen

Die Studie untersuchte außerdem, was die zerstörerischsten Ereignisse tatsächlich antreibt. Durch den Vergleich von Hochwasserspitzen mit den Niederschlagssummen an den Tagen und Wochen vor jedem Ereignis stellten die Autoren fest, dass Regen in den unmittelbar vorausgehenden Tagen am wichtigsten ist. Längere Niederschlagsansammlungen spielen weiterhin eine Rolle, aber kurze, intensive Schauer auf bereits feuchtem Boden sind der entscheidende Auslöser. Über die Jahrzehnte hinweg erzeugte das Szenario mit hohen Emissionen merklich nassere „Ausgangsbedingungen“ vor Stürmen, sodass derselbe Starkregen, der früher nur leichte Überschwemmungen verursacht hätte, eher große, miteinander verbundene Seen in der Landschaft hervorrufen kann.

Zeitschemata: wenn Meer und Himmel zusammenspielen

Um zu sehen, wie sich verschiedene Einflüsse über Monate bis Jahrzehnte ausrichten, verwendete das Team eine Technik, die Beziehungen über mehrere Zeitskalen herausarbeitet. Der Niederschlag erwies sich in allen Fällen als Haupttreiber der Grundwasserüberschwemmungen, wobei sein Einfluss mit der Erwärmung des Klimas stärker wurde. Gezeiteneffekte waren schwächer, gewannen aber in der Hochemissionswelt an Bedeutung, insbesondere über mehrjährige Perioden, da höhere Meeresspiegel das Abfließen des Grundwassers Richtung Meer erschwerten. Die Analyse extremer Ereignisse fügte eine weitere Warnung hinzu: Stürme, die früher nur einmal im Jahrhundert erwartet wurden, könnten bis zum späten Jahrhundert unter anhaltend hohen Emissionen in der Größenordnung von etwa alle 16 Jahre auftreten.

Was das für Menschen und Planung bedeutet

Für Einwohner, Landwirte und Planer in tiefliegenden Karstregionen ist die Botschaft klar. Selbst ohne dramatisches Übertreten von Flüssen ist damit zu rechnen, dass Überschwemmungen von unten mit der Erwärmung tiefer, häufiger und großflächiger werden — insbesondere, wenn die Emissionen hoch bleiben. Die Studie zeigt, dass die Kombination aus detaillierten lokalen Messungen, ausgefeiltem maschinellem Lernen und Klimaprojektionen aufdecken kann, wie oft gefährliche Grundwasserüberschwemmungen künftig auftreten könnten. Dieses Wissen kann die Gestaltung von Straßen, Wohngebäuden, Entwässerungssystemen und Notfallplänen leiten, sodass sie nicht nur für das heutige Klima, sondern auch für die möglicherweise deutlich feuchteren kommenden Jahrzehnte robust sind.

Zitation: Tabbussum, R., Basu, B., Morrissey, P. et al. Projecting groundwater flood risk in a lowland karst system under future climates. Sci Rep 16, 13935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43701-7

Schlüsselwörter: Grundwasserüberschwemmung, Karstlandschaften, Klimawandel, Hochwasserrisiko, Irland