Abfluß- und Stofffrachtseparation im Buntsandstein des Nordschwarzwaldes

Abstract

In den im Nordschwarzwald gelegenen Buntsandstein-Gebieten Seebach, Rotenbach und Kleine Kinzig wurden in den Jahren 1985 bis 1988 (Seebach) bzw. 1987/88 (Rotenbach und Kleine Kinzig) Untersuchungen zum Abflußverhalten und zum Stoffumsatz durchgeführt. Die Gebiete werden nahezu lückenlos von periglazialen Deckschichten bedeckt, die vor allem im westexponierten Gebiet Rotenbach große Mächtigkeiten von bis zu 10 m erreichen. Die Deckschichten stellen, durch ihre Funktion als Puffer und Speicher des infiltrierten Niederschlagswassers, ein wichtiges Regelglied für den Wasserhaushalt dar. Die Trockenwetter-Leerlaufkurven der Vorfluter zeigen nach einem Hochwasser mit guter Übereinstimmung jeweils vier angenäherte, zeitlich voneinander getrennte Geraden unterschiedlicher Steigung. Sie geben das Abflußverhalten verschiedener Abflußkomponenten an, die unterschiedlichen Speicherräumen entstammen. Beim Vergleich mit dem Leerlaufverhalten von Quellen unterschiedlicher Horizonte konnten die vier Komponenten Qo (oberflächennaher Abfluß), Qdo (Abfluß über dem Ortstein bzw. über die oberen, grobporenreichen Deckschichtenbereiche), Qd (Abfluß aus den tieferen Deckschichten) und Qg (Grundwasserabfluß) abgetrennt werden. In Trockenjahren wie 1985 nimmt der Grundwasserabfluß(Qg) den größten Teil des Gesamtabflusses ein. In längeren Trockenperioden gewährleisten die Deckschichten durch ihr Puffer- und Speichervermögen eine stetige und dosierte Grundwasserneubildung, wodurch auch in Trockenjahren ein gleichmäßiger Grundwasserabfluß gesichert ist. In Naßjahren (1986 bis 1988) fließt ein Großteil des infiltrierten Niederschlagswassers im Boden (Qo) oder in den Deckschichten (Qdo, Qd) als hangparallerer Abfluß mit geringer zeitlicher Verzögerung dem Vorfluter zu. Am Rotenbach ist ein starker unterirdischer Grundwasserzustrom vorhanden, der auch in Naßjahren einen hohen Grundwasseranteil am Gesamtabfluß bewirkt. Der Lösungsinhalt nimmt vom Freilandniederschlag zum Bestandesniederschlag deutlich zu. Die stärksten Zunahmen sind bei Kalium durch Kronenauswaschung und bei Sulfat durch trockene Deposition festzustellen. Die pH-Werte sind dementsprechend im Bestandesniederschlag bei Werten zwischen 3,9 und 4,4 niedriger als im Freiland. Die chemische Beschaffenheit der oberflächennahen Abflußkomponenten ist weitgehend vom Bestandesniederschlag abhängig. Im oberflächennahen Abfluß (Qo) ist der Lösungsinhalt in erster Linie durch relative Stoffanreicherung aufgrund von Verdunstungsprozessen gegenüber dem Bestandesniederschlag etwas erhöht. Nach ihren pH-Werten befinden sich die Böden und die oberen Deckschichtenbreiche im Al-Pufferbereich. Auf seinem Weg vom Boden bis in den Festgesteinsaquifer wird das Sickerwasser zunehmend aufkonzentriert, was vor allem auf die Auswaschung von Erdalkalien zurückzuführen ist. Dagegen nehmen die Sulfat- und Nitratgehalte mit zunehmender Tiefe ab. Während im oberflächennahen Abfluß Sulfat das dominierende Ion darstellt, ist im Grundwasser das Hydrogencarbonat vorherrschend. Die Grundwässer befinden sich ganzjährig im Hydrogencarbonat-Pufferbereich und zeigen noch keine Versauerungserscheinungen. Die Lösungsinhalte und pH-Werte in den Vorflutern korrelieren in erster Linie mit der Schüttung bzw. mit den Anteilen der einzelnen Abflußkomponenten am Gesamtabfluß. Bei Hochwasser nach der Schneeschmelze oder nach starken Niederschlagsereignissen kommt es zu Versauerungsschüben im Vorfluter, die vor allem am Seebach sehr ausgeprägt sind (pHmin = 3,6). Am Rotenbach sank im Meßzeitraum der pH-Wert aufgrund eines hohen Grundwasserzustromes nie unter 5,9. An der Kleinen Kinzig gewährleistet der Obere Buntsandstein eine bessere Abpufferung als am Seebach (pHmin = 5,l). Die Stoffeinträge nehmen vom Freiland zum Fichtenbestand stark zu, wobei vor allem die Kalium- und Sulfatfrachten deutlich ansteigen. Bei den Stoffausträgen dominieren die geogenen Komponenten Ca, Mg und HC03. Die Stofffrachtseparation zeigt, daß die Erdalkalien vorwiegend über das Grundwasser ausgetragen werden. Ein erheblicher Teil wird aus den Deckschichten ausgewaschen und gelangt mit dem Sickerwasser durch den Festgesteinsaquifer über die Basisquellen zum Austrag. Die Böden am Seebach haben praktisch keine puffernde Wirkung mehr. Dagegen tragen die Deckschichten bei zunehmender Verarmung an Erdalkalien noch zur Abpufferung der eingetragenen Säuren bei. An der Kleinen Kinzig fallen die durch Streusalz erhöhten Na- und Cl-Austräge auf. Nennenswerte Speicherungsprozesse sind nur beim SO4 festzustellen. Vor allem in Trockenjahren wird ein Großteil des Sulfates schon im Oberboden abgelagert. In Naßjahren kommt es in den Böden durch erhöhten Säureeintrag zur teilweisen Remobilisierung des Sulfates, das in den Deckschichten mit steigenden pH-Werten wieder akkumuliert wird.