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1 Anteile limnischer Systeme am Wasserkreislauf - Ulmer

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1 Anteile limnischer Systeme am
Wasserkreislauf
Die terrestrischen und atmosphärischen Anteile
am gesamten Wasserkreislauf werden mit weniger
als 4 % angenommen. Sie stellen somit nur einen
Bruchteil der globalen Wasservorräte dar, die nach
MARCINEK & ROSENKRANZ (1996) zu über 96 %
von den etwa 1445 Mio. km3 Salzwasser der Ozeane und ihrer Randmeere gebildet werden (Tab. 1).
Obwohl oberflächennahes Grundwasser und das
Süßwasser limnischer Systeme insgesamt nur mit
weniger als 0,29 % am globalen Wasserkreislauf
beteiligt sind, ist dieser sehr geringe Anteil essenziell für alle Süßwasserökosysteme und hat eminente Bedeutung für die Konfigurationen und
Qualität aller aquatischen und semiaquatischen
Ökosysteme des Festlandes.
ringe Verweildauer des zufließenden Wassers ausgezeichnet sein; von Grundwasser gespeiste Seen
ohne Oberflächenabfluss haben in der Regel eine
relativ lange Verweildauer des Wassers.
1.2 Wasserkreislauf
Als Wasserkreislauf im globalen Sinn wird die
ständige Abfolge der Zustands- und Ortsänderung
von Wasser definiert, der nach DIN 4049 (1989)
aus den Hauptkomponenten Niederschlag (N),
Abfluss (A) und Verdunstung (V) sowie dem
atmosphärischem Wassertransport besteht. Diesen
Zusammenhang drückt die hydrologische
Grundgleichung aus:
N = V + A.
1.1 Wasseraustausch
Die theoretische Verweildauer der Wassermoleküle in einzelnen Segmenten des Wasserkreislaufes ist sehr unterschiedlich. Sie kann in Ozeanen
und im Grundwasser mehrere tausend Jahre betragen, erreicht in Stillgewässern durchschnittlich einige Monate bis wenige Jahre und beträgt in Fließgewässern mit ständigem und raschem Wasseraustausch nur einige Tage bis wenige Wochen. Verschiedene Stillgewässertypen, wie sie in Tab. 2
aufgeführt sind, unterscheiden sich jedoch deutlich hinsichtlich der Verweildauer bzw. der Austauschzeit des Wasserkörpers, je nach ihren oberund unterirdischen Zu- bzw. Abflüssen. Von Oberflächenwasser gespeiste Seen können durch ge-
Der terrestrische Anteil des Wasserkreislaufes
wird durch antagonistisch wirkende Kräfte, durch
Sonnenenergie und Schwerkraft angetrieben. So
verursacht die Sonnenenergie über Verdunstung
und Niederschläge regionale Wasserüberschüsse,
deren Abfluss dann in freiem Gefälle erfolgt. In
diesen Prozess sind die Fließ- und Stillgewässer
sowie das Grundwasser als wichtige Bestandteile
eingebunden. Dabei stehen Grund- und Oberflächenwasser untereinander in direktem oder indirektem Kontakt – einmal durch Grundwasseraustritte, die als Quellen eigenständige Lebensräume
bilden können (s. Kap. 11) und ihrerseits Seen und
Flüsse speisen, zum anderen durch Infiltration von
Niederschlags- und Oberflächenwasser in das
Tab. 1 Marine, atmosphärische und terrestrische Anteile des globalen Wasserkreislaufes
(nach MARCINEK & ROSENKRANZ 1996, SCHWOERBEL 1999)
Segmente des Wasserkreislaufs
Konfiguration / Qualität
Anteil [%]
Salzwasser
> 96
Wasserdampf
0,001
Eis und Schnee
2,000
Grundwasser (gesamt)
davon im Austausch (oberflächennah)
Süßwasser (z. T. Salz- und
Brackwasser)
1,690
0,270
Oberflächenwasser (gesamt)
davon Stillgewässer
davon Fließgewässer
Süßwasser (z. T. Salz- und
Brackwasser)
< 0,0190
< 0,0190
< 0,0001
Ozeane und Randmeere
Atmosphäre
Gletscher
13
Anteile limnischer Systeme am Wasserkreislauf
Tab. 2 Verweildauer von Wasser in Stillgewässern in Abhängigkeit von Zu- und Abfluss
Zu- und Abfluss
Gewässertyp
Verweildauer
oberirdisch durchflossene
Stillgewässer
Bachsee
gering bis mittel: 40 bis 365 Tage
Fluss-See
gering: 5 bis 40 Tage
Grundwasserzustrom und
oberirdischer Abfluss
überlaufendes Stillgewässer
hoch;
gering in Quellbecken
Grundwasserzustrom und
unterirdischer Abfluss
geschlossenes Stillgewässer
hoch; > 365 Tage
Grundwasser.
Die Verdunstung setzt sich im terrestrischen
Raum aus drei Teilkomponenten zusammen: der
geogenen Evaporation (E) von vegetationsfreien
Boden- und Wasserflächen, der phytogenen
Transpiration (T), die durch die Spaltöffnungen
der Pflanzen (Stomata) gesteuert wird sowie der
Interzeption (I) als ungeregelter Verdunstung von
organischen Oberflächen (Abb. 1). Da in Mitteleuropa nur etwa 60 bis 70 % der Jahresniederschläge
durch Verdunstung zurück in die Atmosphäre gelangen, liegt hier normalerweise ein Niederschlagsüberschuss von 30 bis 40 % vor. Dieser gelangt zum Abfluss (A) und bewegt sich dabei gravitativ auf oder unter der Landoberfläche in Richtung Vorflut. Oberirdischer Abfluss (AO) gelangt
nach Quellaustritt meist direkt über die Fließgewässer in die Meere. Bei unterirdischem Abfluss
(AU) versickern zunächst die Niederschläge, welche zu einer Neubildung von Grundwasser durch
Infiltration beitragen und im Untergrund
zwischengespeichert werden können. Unterirdischer Abfluss erfolgt nach Angaben von HÖLTING
(1996) mit zeitlicher Verzögerung als Basisabfluss
(AU2) oder ohne zeitliche Verzögerung als
Zwischenabfluss (AU1). Der Basisabfluss ist für
die Wassernachlieferung bei Fließgewässern während der Trockenperioden verantwortlich. Er ist
somit in Klimaten ohne kontinuierliche Niederschläge die entscheidende Voraussetzung für perennierende Gewässer mit entsprechendem Einfluss auf deren Vegetation. Gleichzeitig führt die
nivale Stufe
Terrestrischer Kreislauf V<N
Schnee
Eis
Ozeanischer Kreislauf V>N
Feuchtigkeitstransport
N
V=T+E+I
Grundwasseroberfläche
N
ungesättigte
Bodenzone
AO
Infiltration
N =
V =
T =
E =
I =
AO =
AU =
Niederschlag
Verdunstung
Transpiration
Evaporation
Interzeption
Abfluß (oberirdisch)
Abfluß (unterirdisch)
N
V=E
AO
A U1
Vorfluter
Quelle
AO
A U2
Grundw
asserstr
om
Ozean
Abb. 1 Schematische Darstellung des globalen Wasserkreislaufs unter Berücksichtigung der terrestrischen
und ozeanischen Komponenten (weitergehende Erläuterung der Formeln im Text).
14
Stillgewässer im Wasserkreislauf
Niederschlag
mm
40
zeitliche Verzögerung
20
0
m/sec
fallendes
Hochwasser
Abfluss
ansteigendes
Hochwasser
Basisabfluss
Stunden
Abb. 2 Verlauf der zeitlichen Verzögerung eines Hochwasserabflusses im Anschluss an ein Starkregenereignis aufgrund der Zwischenspeicherung von Niederschlägen im Untergrund (nach WETZEL 1991).
Zwischenspeicherung von Niederschlägen im
Untergrund zu einer Entkoppelung von Niederschlagsereignissen und Hochwasserabflüssen, in
deren Folge es zu retardierten Hochflutereignissen
kommen kann, wie es die Abb. 2 verdeutlicht.
1.3 Grundwasserneubildung
Eine Grundwasserneubildung resultiert aus den im
Untergrund versickernden Anteilen der Niederschläge. In ebenen Bereichen – insbesondere in
den Lockergesteinen der Flachländer und großer
Flusstäler, die zumindest im nördlichen Mitteleuropa zu 60 bis 70 % aus quartären Sanden bzw.
Schottern bestehen – geschieht dies meist flächenhaft; in den überwiegend stärker reliefierten, collinen und montanen Festgesteinsgebieten Mitteleuropas, die in Deutschland rund 53 % der Fläche
einnehmen, erfolgt die Neubildung von Grundwasser in erheblichem Umfang nicht flächenhaft,
sondern linear. Hierbei spielt die so genannte Uferinfiltration überwiegend im Bereich von Seen,
hauptsächlich aber in den Einschwemmungsflächen der Gebirgs- und Mittelgebirgsflüsse eine
wesentliche Rolle für die Grundwassererneuerung, wie es auch HÖLTING (1997) betont.
1.4 Stillgewässer im
Wasserkreislauf
Obwohl sich das Wasser von Seen und Weihern in
mehr oder weniger geschlossenen Hohlformen befindet, stellen Stillgewässer hydrologisch keine
vollständig isolierten Einheiten dar. Trotz fehlender oder kaum sichtbarer Wasserströmung sind die
Seen und größeren Weiher, aber auch periodische
Gewässer unterschiedlich in den allgemeinen
Wasserkreislauf eingebunden (FOREL 1901). Das
oftmals in der Literatur genutzte Bild so genannter
„geschlossener Ökosysteme von Seen“ im Gegensatz zu den „offenen Ökosystemen der Wälder“ ist
deshalb nicht völlig stimmig:
Eine wichtige Austauschfläche der Gewässer
bildet dabei die Grenze zur Atmosphäre, wo dem
Wasserkörper einerseits durch Verdunstung ständig Wasser entzogen und andererseits durch
Niederschläge Wasser immer neu zugeführt wird.
In den gemäßigten Klimaten unserer Breiten, insbesondere aber im Einzugsgebiet von Steigungsregen überwiegen die Niederschläge die Summe der
Verdunstung. Soweit im kontinentalen Mitteleuropa ausdauernde Stillgewässer lokal oder regional einer überwiegenden Verdunstung unterliegen,
15
Anteile limnischer Systeme am Wasserkreislauf
sind sie auf ausreichende ober- bzw. unterirdische
Zuflüsse angewiesen. Hier kann es aber in Uferbereichen nach starker Verdunstung zu Salzanreicherungen aus dem Grundwasser und somit zu oberflächlichen Versalzungserscheinungen kommen,
wie man es beispielhaft in den so genannten „Salzlacken“ im Pannonicum, vor allem aber am Südostufer des Neusiedler Sees im österreichischen
Burgenland, sehen kann.
Nur in geringer Anzahl sind in Mitteleuropa
größere, ausdauernde, d.h. perennierende Stillgewässer vertreten, die primär keine oberirdischen
Zu- bzw. Abflüsse besitzen. Bei solchen Gewässern findet neben dem atmosphärischen Austausch
durch Verdunstung und Niederschlag ein kontinuierlicher Wasseraustausch mit der Umgebung ausschließlich durch Grundwasserzutritte bzw. -abflüsse statt. Die Mehrzahl aller Stillgewässer hat
jedoch oberirdische Zu- und Abflüsse, über die sie
sichtbar mit dem benachbarten Gewässernetz und
damit mit dem überregionalen Wasserkreislauf in
Verbindung stehen. Durch ober- und unterirdische
Zuflüsse kommt es dabei zum Wasseraustausch
mit entsprechender Verteilung von Wasserinhaltsstoffen. Solche Phänomene sind mit der Abhängigkeit der Fließgewässer von ihren Einzugsgebieten durchaus vergleichbar. Deshalb stellt auch die
zunehmende Belastung zuströmenden Grundwassers eine nicht zu unterschätzende Gefahr für Stillgewässer dar, welche durch den Eintrag von Nährstoffen aus der Luft über Niederschläge und
Staubeinträge noch verstärkt werden kann. Das
wurde jüngst bei POTT et al. (1998) sowie WEINERT
et al. (1998) beispielhaft für pleistozäne Sandlandschaften vorgestellt.
Gerade bei tiefen Stillgewässern, deren Wasserkörper gewissermaßen in das Grundwasser hineinreicht und von ihm durchströmt wird, ist eine eindeutige Trennung zwischen ober- und unterirdischem Wasser nicht immer möglich. Hinweise auf
einen messbaren Zustrom von Grundwasser in
Seen gibt u.a. die Analyse der stabilen Isotope
Deuterium und Sauerstoff-18. Die stabilisotopische Zusammensetzung der Niederschläge und
des von ihnen gebildeten Grundwassers folgt dabei einer Regressionsgeraden, der so genannten
meteorischen Wasserlinie (Meteoric Water Linie = MWL), wie sie in Abb. 3 dargestellt ist.
Durch Verdunstungsvorgänge an den Oberflächen
von Seen verschiebt sich normalerweise die Relation der stabilen Sauerstoff-Isotope zugunsten des
Sauerstoff-18. Folglich sind bei grafischer Darstellung oberflächennahe Seewasserproben deutlich unterhalb der MWL positioniert, während
0-
MWL: δ 2H=8
*
δ 18O+10
-4
-3
-10
δ 2H (‰)
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-2
-1
0
δ O (‰)
18
Abb. 3 Relation der stabilen Isotope Deuterium (␦2H) zu Sauerstoff-18 (␦18O) im Verhältnis zur Meteoric Water
Linie (MWL) im oberflächennahen Grundwasser (b) aus 2 m Tiefe sowie im Wasser von Seen („) im
NSG „Heiliges Meer“ (WEINERT et al. 1998).
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