Hvor meget vand kan vi indvinde på en bæredygtig måde? Og hvordan påvirker klimaforandringerne grundvand og vandløb?

Hvis vi skal svare på det, er det vigtigt at øge den videnskabelige forståelse om hydrologi, det vil sige læren om vandets kredsløb i naturen.

For at øge denne viden, er det nødvendigt at udføre målinger af de hydrologiske forhold i atmosfæren lige over jordoverfladen, på selve jordoverfladen og i de geologiske lag under jordoverfalden.

I 2007 blev vandobservatoriet eller det hydrologiske observatorium HOBE oprettet i oplandet til Skjern Å.

Formålet med observatoriet var at skabe en forskningsplatform, hvor avancerede målinger, eksperimenter og modellering kunne give en større indsigt i de hydrologiske forhold på større skala i et klima under forandring.

Oplandet til Skjern Å blev valgt, fordi det indeholder nogle af de mest markante danske landskabs­elementer som for eksempel hedesletter og bakkeøer.

Projektet blev støttet af VILLUM FONDEN, og gennem 12 år har vandobservatoriet bidraget til den internationale hydrologiske forskning og til forskeruddannelse, og der er publiceret et stort antal artikler i internationale tidsskrifter.

I denne artikel redegør jeg for baggrunden for det hydrologiske laboratorium og giver en oversigt over de vigtigste resultater.

Vand har enormt stor betydning

Vand er livsnødvendigt for mennesker, levende organismer og planter og har stor betydning for fødevareproduktion og mange virksomheder.

Vand bestemmer også, hvordan vores økosystemer har det, det har stor betydning for dyrkningsforholdene af jorden, det er med til at forme landskabet, og det kan påvirke vores infrastruktur og boliger.

Vandkredsløbet, eller det hydrologiske kredsløb, og mængden af vand i de forskellige vandmagasiner (for eksempel vandløb, søer og grundvand) varierer med årstiden og fra år til år. Men det bliver også påvirket af menneskeskabte forandringer af klima og landskaber.

Vi har i de seneste årtier set flere hydrologiske ekstremer i form af tørke og oversvømmelser. Det har haft store økologiske, samfundsmæssige og økonomiske konsekvenser.

Nødvendigt med mere viden om vandets kredsløb

For at kunne foretage en bæredygtig forvaltning af vandressourcerne og udføre pålidelige vurderinger af de hydrologiske konsekvenser af naturlige og menneskeskabte forandringer, har vi brug for en solid videnskabelig forståelse af de hydrologiske processer på en skala svarende til et vandløbsopland – for eksempel 1.000 km².

Ifølge EU’s vandrammedirektiv  skal vandforvaltningen ske indenfor områder, som er styrende for vandets kredsløb, hvilket netop er vandløbsoplande.

Vandbevægelsen i og mellem de forskellige hydrologiske domæner – atmosfære, øverste del af jorden med vegetation, vandløb, søer, havet og grundvandmagasiner – varierer meget over tid, men også geografisk, fordi der er store rumlige variationer i landskabets opbygning og i de geologiske lagfølger.

Vi har ikke haft nok viden om disse vandstrømninger og vandudvekslinger. Det har skabt usikkerhed om vandressourceopgørelser og forudsigelser af de hydrologiske forhold i et klima under forandring.

Superskarpe målinger med ny teknologi

For at få en bedre forståelse af vandkredsløbet og de hydrologiske processer i et vandløbsopland er det nødvendigt at foretage nøjagtige målinger af såkaldte hydrologiske fluxe (for eksempel nedbør og fordampning) og hydrologiske tilstandsvariable (for eksempel vandindhold i planternes rodzone og grundvandsstand).

Sådanne målinger skal foretages mange steder indenfor oplandet, så den regionale variation kan kortlægges.

I HOBE-projektet har vi udnyttet, at der i de senere år er sket en rivende udvikling inden for måleteknologi. Vi kan nu lave avancerede målinger fra jordbaserede stationer eller fra sensorer placeret på helikopter, fly, droner eller satellitter (se nedenstående figur).

Et par eksempler er, at vi kan estimere nedbør ud fra vejrradar-observationer, kortlægge undergrundens geologiske opbygning ved hjælp af geofysisk måleudstyr, som flyves henover landskabet med en helikopter, og måle jordens overfladetemperatur fra droner.

Avancerede målinger i et hydrologisk observatorium (Grafik: GEUS)

Hvordan ser et vandobservatorium ud?

Når man hører ordet 'observatorium', tænker mange måske på en kuppel med en stjernekikkert, hvorfra man kan holde øje med planeternes baner.

Men observatorier kan også forekomme i andre udgaver, for eksempel et vandobservatorium som det er tilfældet med HOBE.

Indenfor Skjern Å opstillede vi en række målestationer, hvor der blandt andet blev foretaget detaljerede klimatiske og hydrologiske observationer med avanceret måleudstyr.

Derudover udførte vi målekampagner med fly og droner og indhentede observationer fra satellitter.

Alle disse data sammen med hydrologisk modellering gjorde, at vi kunne udbygge vores forståelse for vandkredsløbet.

HOBE lukker hydrologiske videnshuller

I Danmark har det i mange år været en udfordring at få balance i vandkredsløbet.

Med vandbalancen menes, at der over en årrække skal være balance mellem tilgangen af vand til et vandløbsopland (nedbør) og afgangen af vand (fordampning, vandløbsafstrømning, oppumpning og grundvandsudsivning til havet).

Det hydrologiske kredsløb: Nedbøren inden for et opland omdannes til fordampning, vandløbsafstrømning, grundvandsafstrømning og oppumpning fra vandforsyningsboringer (Grafik: GEUS)

Det har hidtil været svært at få vandbalancen til at gå op, fordi man har haft unøjagtige målinger at arbejde med og en mangelfuld forståelse for de hydrologiske processer.

Det har også haft den konsekvens, at estimater af den tilgængelige vandressource – altså hvor meget vand, vi har til rådighed - og forudsigelser af, hvordan oplandsområder reagerer på ydre påvirkninger, som for eksempel klimaændringer, har været usikre.

Og det var netop derfor, vi etablerede vandobservatoriet HOBE i 2007. Vi ville skabe en forskningsplatform, hvor avancerede målinger, eksperimenter og modellering kunne hjælpe os til at lukke de hydrologiske videnshuller.

Hvordan reagerer vegetationen på klimaændringer?

En af de hydrologiske processer, hvor vores viden var mangelfuld, var fordampningen over forskellige vegetationstyper, det vil sige forskellig slags beplantning i landskabet.

I observatoriet blev der opstillet tre såkaldte fluxstationer, som kunne måle fordampningen over skov, et landbrugsareal og græs i et vådområde – tre typiske former for arealanvendelser i oplandet.

Målingerne har vist, hvordan forskellige vegetationstyper reagerer på klimaet. For eksempel er fordampningen fra nåleskov ofte højere end fra andre vegetationstyper.

Resultaterne har givet os et større indblik i, hvordan klimaændringer og ændringer i arealanvendelsen vil påvirke vandkredsløbet. 

Forskning, der kan bruges i hele verden

I HOBE kom vi frem til mange vigtige forskningsresultater (som kan ses i sidehistorien nederst i denne artikel). Og de resultater er ikke kun vigtige i en dansk kontekst, men kan bruges internationalt.

Observatoriet blev etableret som et nationalt forskningscenter med deltagelse af Købehavns Universitet, Aarhus Universitet, Danmarks Tekniske Universitet, De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS) og Danmarks Meteorologiske Institut (DMI).

Men HOBE har også samarbejdet med andre hydrologiske observatorier og været en del af et internationalt netværk.

Specielt har der været et tæt samarbejde med det tyske netværk af observatorier TERENO, med gensidige ophold og besøg af professorer, lektorer, postdocs og ph.d.-studerende. Der har været udført fælles feltforsøg, og modeller udviklet af de to observatorier er blevet kalibreret og testet på feltområder i de respektive lande.

Og i 2016 var HOBE blandt initiativtagerne til oprettelse af en europæisk platform for hydrologiske observatorier, ENOHA. Her er det muligt at få fri adgang til data fra forskellige observatorier rund om i verden, herunder også HOBE.

Vi kan nu forudsige konsekvenser for vores vand bedre en nogensinde

HOBE har altså gennem alle årene bidraget aktivt til den internationale forskning indenfor hydrologi.

Den brede vifte af nyskabende forskningsresultater har øget vores viden om de hydrologiske processer og deres interaktion på oplandsskala samt givet en bedre beskrivelse af vandbalancen og dermed størrelsen af den tilgængelige vandressource.

Specielt har forskningsresultaterne understøttet en udvikling og validering af integrerede hydrologiske modeller for oplandsskala, således at vi nu kan få mere pålidelige forudsigelser af konsekvenserne af klimaændringer og ændringer af arealanvendelse på vandløb og grundvand.

HOBE blev formelt afsluttet i 2019, men et igangværende ph.d.-projekt afsluttes først medio 2021. VILLUM FONDEN har støttet HOBE med i alt 64,8 mill. kr. og hertil kommer supplerende støtte fra de deltagende universiteter i form af medfinansierede ph.d.-stipendier samt bevillinger fra forskningsråd til forskningsaktiviteter i observatoriet på i alt ca. 25 mill. kr.