Abflußbildung, Interflow und Stoffbilanz im Schönbuch Waldgebiet

Abstract

In denmnaturnahen Waldgebiet Naturpark Schönbuch, südlich von Stuttgart, wurden von 1984 bis 1986 Untersuchungen zur Abflußbildung mit Separationen des Gesamtabflusses in verschiedene Teilkomponenten sowie Bilanzierungen des Wasser- und Stofthaushaltes durchgeführt. Das fast vollständig bewaldete Untersuchungsgebiet liegt im süddeutschen Keuperbergland und repräsentiert geologisch-geomorpliologisch einen in Süddeutschland weitverbreiteten Landschaftstyp, in dem tonig-mergelige Gesteine sowie karbonatisch und kieselig gebundene Sandsteine dominieren. Das Talsystem des Goldersbachs hat ein bis 150 m eingeschnittenes Relief geschaffen, in dem Hanglagen mit Neigungen größer 3° ca. 70% der Gesamtfläche einnehmen. Die Deckschichten setzen sich weiträumig aus zweigliedrigen, periglazialen Schuttdecken zusammen, die aus dem bis zu 0,6 m mächtigen, grobkörnigen Deckschutt (der je nach Ausgangsgestein sand- oder tonreicher ausgebildet sein kann) uiid dem feinkörnigen, schlechter durchlässigen Basisschutt bestehen. Der starke Unterschied der hydraulischen Leitfähigkeiten begünstigt den Interflow. Die Niederschlagshöhe im Freiland (NF) lag 1985 mit 725 mm/a nur wenig unter dem langjährigen Mittelwert von 752 mm/a. In den acht untersuchten Einzugsgebieten korrelierten die Höhen des Gesamtabflusses (Q) mit der Höhe des Bestandesniederschlags (NB), der in reinen Nadelwaldgebieten (Nd) im Mittel 55 %, in reinen Laubwaldgebieten (Lb) dagegen 76% des NF beträgt. Aus Regressionsgeradeii konnten mittlere Grundwasserabflußhöhen voii 80 mm/a für reine Nd- und 170 mm/a für reine Lb-Gebiete berechnet werden. Die aktuelle Verdunstung in dem für den Schönbuch repräsentativen Teileinzugsgebiet Groller Goldersbach (P 1 : Nd/Lb = 60/40) lag mit 596 mm/a (82% von NF) etwas über dem langjährigen Mittelwert (550 mm/a). Die Grundwasserneubildung wurde bei einem Gesamtabfluß von 161 mm/a mit 102 mm/a ermittelt. Mit Hilfe spezieller Verfahren zur Ganglinienseparation (Verwendung der Tracer Delta18O und elektr. Leitfähigkeit) konnten bei Hochwasserereignissen 3 Abflußkomponenten getrennt werden: Interflow aus aktuellem Niederschlagswasser IFe (event water) und aus Vorereignis-Bodenwasser IFpc (pre-event water) sowie älteres Grundwasser GW. Die Interflow-Höhen erreichten in Sandsteingebieten 40-50 mm/a und in Tongebieten ca. 90 mm/a. Interflow in nennenswerter Höhe tritt erst bei Bodenwassergehalten in Höhe der Feldkapazität, hauptsächlich während des Winterhalbjahrs, auf. Bei durchschnittlichen Niederschlag-Abfluß-Ereignissen fließen in Sandgebieten 40% von NB ab und in Tongebieten 46%. Die Abflußanteile durchschnittlicher Hochwasserereignisse liegen im Mittel bei 37% GW, 52% IFpe und 11 % IFe in Sandgebieten und bei 19% GW, 62% IFpe und 19% IFe in Tongebieten. Bei Niederschlag-Abflußereignissen im Sommer fließen im Mittel nur 3 - 4% von NB als Gesamtabtluß (Q) ab. Der Interflow fließt rasch in Grobporen ab und besteht nur aus IFe. Sein Anteil an Q beträgt im Mittel 40% in Sand- bzw. 60% in Tongebieten. Die Stoftkonzentrationen im Niederschlag steigen bei der Passage des Kronenraums unter Fichten stärker an als unter Buchen. Kräftig angereichert werden K, Ca, SO4 und NO3. Die pH-Werte liegen im NF bei im Mittel 4,7, im ND unter Fichten bei 3.75 und unter Buchen bei 5.0. Die Stoftkonzentrationen im Interflow steigen mit höheren mittleren Verweilzeit des abfließenden Bodenwassers. Bei Abflußspitzen im Winterhalbjahr kommt es aufgrund hoch mineralisierter Interflow-Anteile zu erhöhten K-, SO4- und NO3-Konzentrationen im Gesamtabfluß. Die Stickstoff-Deposition ist 1985 iin Vergleich zu den Vorjahren leicht angestiegen. Die SO4-Deposition lag dagegen je nach Gebiet niedriger bzw. höher. Die Belastung aus dem atmosphärischen Eintrag ist im Westteil des Schönbuchs größer und nimmt weiter zu. Bilanzuntersuchungen haben ergeben, daß die Pflanzen in Sandgebieten zur K-Versorgung mit auf die Silikatverwitterung angewiesen sind. Der Stickstoff (N)- und Schwefelbedarf (S) kann dagegen aus dem atmosphärischen Eintrag gedeckt werden. Besonders in Nd-Gebieten kommt es zu N-Überschüssen, die in Naßjahren wie 1986 teilweise durch Interflow wieder ausgewaschen werden. Sulfat wird im Boden gespeichert. Der SO4-S-Überschuß betrug in Lb-Gebieten ca. 3 kg/ha.a und in Nd-Gebieten ca. 8 kg/ha.a.

1n the forested nature park Schönbuch, situated south of Stuttgart, investigations had been conducted between 1984 to 1986 with the aim of characterizing catchment discharge and in order to quantify fluxes of water and dissolved solids. The area of investigation is almost completely forested and geologically belongs to the Triassic Keuper hills. In this type of landscape, which is relatively frequent in Southern Germany, clayey and marly mudrocks and carbonate-cemented or silica-cemented sandstones determine the geological sequence. The valley system of the Goldersbach, the main river, displays a deep relief (150 m), and 70% of the slopes are steeper than 3 degrees. The regolith can be subdivided into two periglacial units: an upper coarser grained and highly permeable debris layer with a thickness of up to 0,6 m and the lower fine grained layer of low permeability. The high contrast in the hydraulic conductivities favours the formation of interflow. Depending on the geology the regolith can either be more sandy or richer in clayey components. Precipitation in the non forested area (NF) was determined at 725 mm/a in 1985 which more or less corresponds to the long-term average of 752 mm/a. Total discharge (Q) in the eight catchments correlates with the tree throughfall (NB) which on average is 55% in coniferous (Nd) and 76% of NF in deciduous stands (Lb). From regression analysis mean depth of groundwater discharge of 80 mm/a for coniferous and 170 mm/a for deciduous areas could be calculated. Real evaporation was calculated for the representative catchment Großer Goldersbach (Nd/Lb = 60/40) at 596 mm/a (82% of NF), which is somewhat higher than the long-term mean of 550 mm/a. Groundwater recharge was determined at 102 mm/a for a total discharge of 161 mm/a. Using special techniques for hydrograph separation (delta18O and electrical conductivity) allow a discrimination into three components: interflow derived directly from recent event water (IFe), interflow consisting mainly of displaced pre-event soil water (IFpe) as well as older groundwater (GW). The interflow depth amount in total to approximately 40 to 50 mm/a in sandstone and to ca. 90 mm/a in mud-stone areas. Interflow is mainly observed in winter period when soil water contents exeed field capacity. During average recharge events approximately 40% of the tree throughfall are discharged from sandy and ca. 46% in clayey and marly areas. Total discharge for average events can be subdiveded into 37% groundwater discharge, 52 % pre-event interflow and 11 % event interflow water in sandstone catchments, in mudrock areas these percentages can be quantified as 19% GW, 62% IFpe and 19% IFe. In summer only 3 to 4% of NB are discharged as total discharge Q. The interflow rapidly percolates through macropores and has only one component (IFe). The Proportion of interflow is on average 40% in sand and 60% of Q in clay dominated areas. The concentration of dissolved solids in precipitation are higher below spruce than below beech. Concentration of K, Ca, SO4 and NO3 were considerably increased. pH-values in precipitation were on average 5,7, in tree throughfall below spruce 3,75 and below beech 5,O. The concentration of dissolved components in the intertlow increase with higher mean residence time of the discharging soil water. In winter times frequently high concentrations of K, SO4 and NO3 are measured during peak-discharge. Nitrogen deposition has increased in 1985 as compared to previous years. Depending on the catchment the SO4-deposition was either higher or lower. Deposition from atmospheric sources is higher in the west of the Schönbuch and is still on the increase. Flux and balance investigations show that vegetation in sandy areas relies on potassium upply derived from silicate weathering processes. Nitrogen and sulfur demand is covered by the atmospheric input. Especially in coniferous areas a nitrogen surplus is measured which is washed out via interflow in wet years such as 1986. Sulfate is stored ill the soil, the SO4-S surplus in the deciduous areas amounts to ca. 3 kg/ha.a and in coniferous areas to approximately 8 kg/ha.a.