Advancing the characterization of cryosphere-groundwater interactions in Alpine spaces

English:

In this project, the dynamics and climate change-related hydrological impacts on Cryosphere-Groundwater interactions in Alpine spaces will be investigated through a combination of multi-tracer-analyses and integrated surface-subsurface hydrological modelling. The project is specifically aimed at the development of a decision support tool for the Upper Engadine region. Tracer analyses will include a combination of citizen-science supported classical hydrological measurements (i.e., hydrochemistry, water temperature, stable water isotopes), state-of-the-art tracer analyses (online dissolved gas and microbial monitoring plus noble gas radioisotope analyses) and fully coupled 3-D surface-subsurface hydrological modeling. The project arose from a collaboration with the Swiss supra community Region Maloja of in the canton Grisons, for which O. Schilling acted as an external expert in the regional water management planning effort "Wassermanagement Region Maloja 2024+". During this multi-year planning effort, which launched in November 2023 with a large stakeholder meeting and co-creation process, it became apparent that there are many unresolved questions about the interactions between glacial melt, snowmelt, rain, lakes, streams, springs, shallow groundwater and deep groundwater in the region, especially with respect to the origins of the spring water, which supports 80% of the region's drinking water. Due to the fact that the Upper Engadine valley is one of Switzerland's two inner-Alpine dry valleys and thus one of the regions most strongly affected by climate change in Switzerland, research into the cryosphere-groundwater dynamics of the region and the development of a hydrological decision support tool based on state-of-the-art models is a top priority. Moreover, the special hydrogeological setting of the Upper Engadine, which is characterized by multiple, arsenic enriched lakes, a quaternary aquifer exceptionally large for Alpine regions, many pristine freshwater springs and widespread upwelling of acidic, CO2-rich thermal groundwater all along the valley bottom, provides for a unique opportunity to develop new tracer and hydrogeological modelling methods. The research project started with the setup of a long-term continuous tracer monitoring station at Europe's oldest captured spring in St. Moritz (https://www.kempinski.com/en/grand-hotel-des-bains/alpine-spa/pools-water/the-mauritius-spring), as this spring has been known for millennia to provide a unique mix of a CO2-enriched, old deep groundwater and a shallow, younger and likely predominantly meltwater-derived groundwater component.

Deutsch:

In diesem Projekt werden die Dynamik und die hydrologischen Auswirkungen des Klimawandels auf die Wechselwirkung zwischen Kryosphäre und Grundwasser im Alpenraum durch eine Kombination aus Multi-Tracer-Analysen und integrierter hydrologischer Modellierung von Oberflächengewässer und Grundwasser untersucht. Im Rahmen des Projekts soll neben der Erforschung der grundlegenden Prozesse auch eine Entscheidungshilfe für das regionale Grundwassermanagement im Oberengadin entwickelt werden. Die Tracer-Analysen umfassen eine Kombination aus klassischen hydrologischen Messungen (z.B. Hydrochemie, Wassertemperatur, stabile Wasserisotope) und modernster Tracer-Analysen (Online-Überwachung gelöster Gase und mikrobieller Substanzen sowie Edelgas-Radioisotopenanalysen). Die Probenahmen werden zudem als citizen-science Projekt von der lokalen Bevölkerung und der Behörden unterstütz. Basierend auf den Messungen und Hintergrundrecherchen werden sowohl ein 3D geologisches Modell sowie ein 3D integriertes hydrologisches Modell entwickelt.

Das Projekt entstand im Rahmen des regionalen Wassermanagement-Planungsprojekts "Wassermanagement Region Maloja 2024+" der Region Maloja. Während der grossen Kickoff-Veranstaltung im November 2023, an welcher O.S. Schilling als Referent für das Thema Wasserresourcen und Klimawandel eingeladen war, wurde im ko-kreativen Gestaltungprozess mit den verschiedenen Interessengruppen deutlich, dass es noch viele ungeklärte Fragen zu den Wechselwirkungen zwischen Gletscherschmelze, Schneeschmelze, Regen, Seen, Bächen, Quellen, flachem Grundwasser und tiefem Grundwasser in der Region gibt, insbesondere im Hinblick auf die Herkunft des Quellwassers, das 80 % des Trinkwassers der Region liefert. Da das Oberengadin eines der beiden inneralpinen Trockentäler der Schweiz und damit eine der am stärksten vom Klimawandel betroffenen Regionen darstellt, hat die Erforschung der Kryosphären-Grundwasserdynamik der Region und die Entwicklung einer hydrologischen Entscheidungshilfe höchste Priorität. Die besondere hydrogeologische Lage des Oberengadins mit zahlreichen arsenhaltigen Seen, einem für alpine Regionen aussergewöhnlich grossen quartären Grundwasserleiter, vielen unberührten Süßwasserquellen und dem weit verbreiteten Aufsteigen von saurem, CO2-reichem Thermalgrundwasser entlang der gesamten Talsohle bietet zudem eine einzigartige Gelegenheit zur Entwicklung neuer Tracer- und hydrogeologischer Modellierungsmethoden. Das Forschungsprojekt startete mit dem Aufbau einer Langzeit-Tracer-Messstation an Europas ältester gefasster Quelle in St. Moritz (https://www.kempinski.com/en/grand-hotel-des-bains/alpine-spa/pools-water/the-mauritius-spring), da diese Quelle seit Jahrtausenden dafür bekannt ist, eine einzigartige Mischung aus CO2-angereichertem, altem Tiefengrundwasser und einer flachen, jüngeren und wahrscheinlich überwiegend aus Schmelzwasser stammenden Grundwasserkomponente zu liefern.