Vergleichende Betrachtung des Infiltrationsvermögens unverdichteter und verdichteter Waldböden im Einzugsgebiet des Lametbaches (Soonwald)

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1. Grundlage der Untersuchung
1.1 Hydrologische Grundlagen
1.2 Bodenverdichtung

2. Relevante Faktoren am Standort
2.1 Lage, Eingrenzung, Einzugsgebiet
2.2 Boden

3. Die Methode der Infiltrationsmessung

4. Erhebung der Daten

5. Auswertung und Vergleich der Daten

6. Fehleranalyse

Schlussbetrachtung

Literaturverzeichnis

Anhang

Einleitung

Das Ökosystem Wald hat innerhalb der Biosphäre einen großen Rang inne. Insbesondere für den Menschen ist es als Sauerstoffproduzent und Rohstofflieferant unentbehrlich. Der Boden als Teil dieses Ökosystems hat dabei, für den Laien auf den ersten Blick vielleicht nicht sofort erkennbar, eine sehr große Bedeutung für den Wald. Als Nährstofflieferant, Fundament und Lebensraum bildet er die Basis des Ökosystems Wald.

Die Bedeutung des Waldbodens kann jedoch auch über seine direkte Position hinaus Einfluss auf andere Ökosysteme haben. Insbesondere wenn man den Boden als Wasserspeicher betrachtet. So kann er als zugehöriges Einzugsgebiet eines Fluss entscheidend zu dessen Zustand und Entwicklung beitragen. Eine weitestgehend verbreitete Theorie ist dabei, den Wald als wasserrückhaltend zu sehen.

In dieser Arbeit soll sich mit der anthropogenen Beeinflussung des Waldbodens auseinandergesetzt werden. Speziell soll die Frage untersucht werden, inwiefern sich verdichtete lineare Flächen im Soonwald auf das Hochwasser der Nahe auswirken. Dazu werden exemplarisch im Einzugsgebiet des Lametbaches im Soonwald die Bodeninfiltrationsraten in Rückegassen und weiteren verdichteten Fahrspuren, sowie in unbeeinträchtigter Böden ermittelt und verglichen.

Zu Beginn wird in dieser Ausarbeitung die Grundlage der Untersuchung vorgestellt, zu der Hydrologische Grundlagen und der Begriff der Bodenverdichtung zählen. Im Anschluss werden relevante Faktoren im Bezug auf das Untersuchungsgebiet erörtert. Schließlich wird die Methodik der Infiltrationsmessung dargelegt und die Erhebung der Daten dargestellt. Zum Abschluss finden eine Auswertung und ein Vergleich dieser Daten statt. Außerdem wird eine eingehende Fehleranalyse der Vorgehensweise vorgenommen.

1. Grundlage der Untersuchung

1.1 Hydrologische Grundlagen

Überschwemmungen verursacht durch Mittelgebirgsbäche und Nebenflüsse, erscheinen weniger Gefahren und Schäden mit sich zu bringen, wie solche verursacht durch große Flüsse. Doch in ihrer Summe ergibt sich ein ebenso großes Ausmaß. Im Zusammenhang dieser beschriebenen Annahme ist das Gefahrenbewusstsein der Anwohner, sowie die Maßnahmen zum Hochwasserschutz gering. Daher wird auch bei der Landnutzung dem Wasserrückhalt noch nicht genug Beachtung geschenkt.

Nicht nur nimmt die Versiegelung der Flächen weiter zu, sondern auch Land- und Forstwirtschaft tragen zur Verminderung der Wasserrückhaltekapazität der Böden bei. Dabei kommt es zwar nicht zwangsläufig zu Hochwassern in den einzelnen Gebieten, doch als Summe kleinerer Einzugsgebiete von größeren Flüssen, kann in ihnen eine Ursache für deren Hochwasser begründet sein (vgl. SCHÜLER 2006, S.3).

Um beurteilen zu können, ob eine Fläche für ein hochwasserbeeinflussendes Abflussgeschehen relevant ist und wie dies bestimmt werden kann, ist das Wissen über hydrologische Abläufe grundlegend.

Theoretisch stellt der Wald eine große Variable im Bezug auf den Wasserrückhalt dar. Die besonders große Interzeption der Bäume, die Transpiration und Evaporation bieten die Basis dafür. Die Eigenschaften des Waldbodens sind jedoch entscheidend. Abhängigkeiten ergeben sich durch spezifische Bodenauflage, anstehendes Gestein im Untergrund und ein tiefgründiges Wurzelsystem, welches wiederum das Makroporensystem mitbestimmt (vgl. SCHÜLER 2007, S.10).

Entscheidend für die Aufnahme und Speicherung des Wassers im Boden sind die Absorptions­und Kapillarkräfte. So bewirken zwischenmolekulare Kräfte, dass das Wasser von Bodenteilchen und Mineraloberflächen absorbiert wird und einen Film bildet. Je geringer die Korngröße des Bodens ist, desto mehr Wasser kann absorbiert und fester gehalten werden. Aus der Wechselwirkung der daraus erfolgenden Oberflächenvergrößerung und der Oberflächenspannung des Wassers ergibt sich die Kapillarkraft (vgl. DYCK / PESCHKE 1995, S.311).

Diese Kräfte werden beeinflusst von durch Luftdruck erzeugten Unterdruck, auch genannt Saugspannung. Mit zunehmender Tiefe nimmt sie zu (vgl. DYCK / PESCHKE 1995, S.314). Sie steht in Abhängigkeit zum Wassergehalt, daher ergibt sich die Saugspannung-Sättigungs­Beziehung. Aus ihr folgert die Wasserretention des Bodens (vgl. DYCK / PESCHKE 1995, S.316 f.).

Ein entscheidender Faktor für die Entstehung von Oberflächenabfluss ist die Infiltrationskapazität von Böden. „Wir verstehen unter der Infiltration den Eintritt des Wassers in den Boden durch dessen Oberfläche und beziehen uns wegen der hydraulischen Bedeutung nur auf die Infiltration von Regen.“ (DYCK / PESCHKE 1995, S.368) Bei dem Vorgang der Infiltration wird der Niederschlag in ober- und unterirdisches Wasser aufgeteilt. Ein Teil des Wassers geht somit in den Bodenwasserhaushalt über, ein anderer bildet den Oberflächenabfluss. Die Infiltrationsintensität ist bestimmt durch den Potentialgradienten und die hydraulische Leitfähigkeit. Denn wird ein ungesättigter Boden mit Wasser überflutet, kommt es zu einer starken Änderung des Feuchtegehaltes und daher zu einem steilen Gradienten an der Grenzschicht zwischen Wasser und Boden. Mit zunehmender Feuchte sinkt der Gradient und auch die Infiltrationsintensität. Schließlich wird ein konstanter Wert erreicht, der der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenoberfläche entspricht (vgl. DYCK / PESCHKE 1995, S.368).

Eine hohe Infiltrationsintesität zu Beginn wird beeinflusst durch die Absorptions- und Kapillarkräfte. Die Konstante wird schließlich durch die Schwerkraft und den Potentialgradienten aufrecht gehalten. Dann tritt eine Bodensättigung ein, mit der die Abnahme der Infiltrationsintensität einhergeht. Der Boden kann nicht mehr das gesamte Wasser aufnehmen, weshalb es bei entsprechenden topographischen Bedingungen zu einem Oberflächenabfluss kommt. Ist die Intensität der Wasserzugabe jedoch geringer, als die Infiltrationsintensität, kommt es nicht zur Sättigung und zum Oberflächenabfluss.

Dies ist jedoch nur eine allgemeine Betrachtung, die die Komplexität dieses dynamischen Prozesses, zum Beispiel im Hinblick auf Makroporen, nicht vollständig erfasst (vgl. DYCK / PESCHKE 1995, S.368f.).

Es gibt grundsätzlich jedoch verschiedene Möglichkeiten, wie es zu einem Abfluss kommen kann. Gering durchlässige Böden können bei starken Niederschlagsereignissen schon nach kurzer Zeit nur noch wenig Wasser infiltrieren. Daher kommt es zum Horton'schen Oberflächenabfluss. Der Sättigungsoberflächenabfluss dagegen entsteht unabhängig von der Niederschlagsintensität, häufig bei Böden mit besseren Infiltrationsvermögen, aber geringer Speicherkapazität. Es kommt in diesem Zusammenhang meist zur Sättigung des Bodens, wenn der Boden ein geringes laterales Transportvermögen aufweist (vgl. SCHOBEL / SEGATZ / VASEL / SCHÜLER 2007, S.32).

Laterale Fließprozesse, auch genannt Interflow, gehen mit einer in der Tiefe abnehmenden hydraulischen Leitfähigkeit einher. Das gebremste Wasser folgt meist sekundären Makroporen. Der tiefe Zwischenabfluss wird davon unterschieden. Hierbei fließt das Wasser über dichtes anstehendes Gestein ab. Liegt im Untergrund ein durchlässiges Gestein vor, kommt es zur Tiefensickerung (vgl. SCHOBEL / SEGATZ / VASEL / SCHÜLER 2007, S.32).

„Durch Waldböden mit hohen Infiltrationsvermögen und ohne die Porenkontinuität unterbrechenden Schichtgrenzen über durchlässigen geologischen Schichten versickert das Wasser überwiegend in die Tiefe [...]. Tiefgründige, durchlässige und unvernässte Waldböden besitzen daher ein großes Rückhalte- und Verzögerungspotenzial für Wasser.“ (SCHÜLER 2007, S.10 f.) Gerade bei diesen Böden kommt es jedoch meist im Winter, bei geringerer Verdunstung, geringerem Wasserverbrauch und Wassersättigung, zu einem erhöhten Abfluss aus Quellen und somit stärkerer Wasserführung der Bäche (vgl. SCHÜLER 2007, S.11). Ebenso sind viele Waldflächen landwirtschaftlich gesehen ungünstige Standorte, denn sie sind meist an stark geneigten Hängen gelegen, sehr tonhaltig, staunass oder zu flachgründig. Hier können besonders bei starken Niederschlagsereignissen der beschriebene Horton-Abluss oder auch Interflow auftreten (vgl. SCHOBEL / SEGATZ / VASEL / SCHÜLER 2007, S.33).

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