Bodenwasser

Zur medienübergreifenden Beobachtung von Stoffflüssen und Stoffbelastungen im Wasserkreislauf wird im Rahmen des Integrierten Hydrologischen Monitorings (IHM) der Weg des Wassers mit seinen Inhaltsstoffen vom Niederschlag über das Sickerwasser bis zum Grundwasser und Gebietsabfluss untersucht.

Im Folgenden beschrieben ist der Jahresverlauf der Bodenfeuchte als wesentliche Steuerungsgröße für Sickerwasserbildung und Grundwasserneubildung am Beispiel eines bewaldeten Standorts im östlichen Oberfranken (Messgebiet Fichtelgebirge, ostbayerisches Kristallin). Durchfeuchtung und Austrocknung des Bodens werden vom Wechselspiel aus Niederschlag und Verdunstung bestimmt. Bei hohem Bodenwassergehalt bildet sich freies Sickerwasser, das in durchlässigen Böden der Schwerkraft folgend dem Grundwasser zufließt. Die Bodenfeuchte wird direkt als Bodenwassergehalt (Vol.%) und indirekt als Bodensaugspannung in Hektopascal (hPa) gemessen. Als Messgeräte sind pro Messtiefe (-50cm und -200cm) je 4 Tensiometer für die Saugspannungsmessung, 4 Sonden zur Messung des volumetrischen Wassergehalts und 8 Saugkerzen zur Entnahme von Bodenwasser eingebaut.

Die Bodeneigenschaften am Standort im Fichtelgebirge sind charakteristisch für Granit bzw. für dessen Verwitterungsprodukte (schluffig-lehmige Gruse). Die Landnutzung im Umkreis ist stark forstwirtschaftlich (überwiegend Fichte) geprägt.

Abb.1: Jahresverlauf von Bodenwassergehalt (Bw) in 50cm Tiefe und Grundwasserstand (Gw) am Messstandort Fichtelgebirge der Jahre 2018 und 2019

Die primäre y-Achse in Abbildung 1 zeigt den Bodenwassergehalt in 50cm Tiefe, die sekundäre y-Achse zeigt den Grundwasserstand. Die x-Achse zeigt den Jahresverlauf über die Monate (Januar bis Dezember). Dabei zeigt die rote Linie den Jahresverlauf der Bodenwassergehalte über das Jahr 2019, die grüne Linie den Verlauf der Bodenwassergehalte über das Jahr 2018, die gestrichelte schwarze Linie den gemittelten Verlauf der Bodenwassergehalte der Jahre 2012 bis 2019. Die dunkelblaue Linie zeigt den jahreszeitlichen Verlauf des Grundwasserstandes 2019, die hellblaue Linie die des Jahres 2018. Die gestrichelte blaue Linie zeigt den mittleren Grundwasserstand der Jahre 2012 bis 2019.

Betrachtet man den in Abb.1 dargestellten Jahresverlauf des Bodenwassergehaltes in 50cm Tiefe, so zeigt sich, dass der Bodenwassergehalt in den Monaten Januar bis Mai auf einem relativ konstanten, für die Jahreszeit aber deutlich zu niedrigen Niveau (ca. 30,5Vol.%) lag. Ursächlich dafür sind ein erhebliches Niederschlagsdefizit im Februar und eine 25-tägige Trockenperiode im April. Niederschläge im März haben zwischenzeitlich zu einem deutlichen Anstieg des Grundwasserstandes geführt, zugleich aber nur einen verhältnismäßig leichten Anstieg des Bodenwassergehaltes bis auf das Jahreshöchstniveau von gut 31Vol.% bewirkt.

Mit dem Einsetzen der Vegetationsperiode und damit verbundenen zunehmenden Verdunstungsraten war ab Mai eine verstärkte Zehrung des Bodenwasservorrates zu verzeichnen. Diese hielt im Jahr 2019 niederschlagsbedingt jedoch nur bis Mitte Juli an und erreichte ihren Niedrigstwert von gut 27Vol.% bereits sechs Wochen früher als im Vorjahr. Im weiteren Verlauf der Vegetationsperiode stieg der Bodenwassergehalt ab Juli wieder leicht an und lag Ende Dezember auf einem weiterhin deutlich unterdurchschnittlichen Niveau von knapp 31Vol.%.

Abb.2: Tagesmittel der Bodenwasserspannung in 200cm Tiefe der Jahre 2001 bis 2019 am Messstandort Fichtelgebirge

Dargestellt werden in Abbildung 2 die Jahresverläufe (Januar bis Dezember) der Bodenwasserspannung in Hektopascal. Dabei zeigt die rote Linie den Verlauf des Jahres 2019, die orange Linie den Jahresverlauf von 2003 und die grüne Linie den Verlauf des Jahres 2017. Die übrigen Jahre (2001 bis 2017) sind als graue Linien hinterlegt. Außerdem wird der Mittelwert des Jahresverlaufs über alle Jahre (2001 bis 2019) als schwarze gestrichelte Linie dargestellt.

Vergleicht man die Bodenwasserspannungen der Jahre 2001 bis 2019 in zwei Meter Tiefe (Abb.2), so zeigt sich im Vergleich zum Vorjahr ein eher moderater Verlauf. Nur in den Sommermonaten war der Boden sehr trocken. Zu Jahresbeginn lag die Wasserspannung auf einem leicht überdurchschnittlichen Niveau. Der deutlich zu trockene Februar führte dann zu einer Abnahme bis in einen Bereich unterhalb der üblicherweise herrschenden Verhältnisse. Erst die im März einsetzenden Niederschläge bewirkten einen spürbaren Anstieg der Werte und ein Erreichen des Jahresmaximums. Nach dem Beginn der Vegetationsperiode im April reichten die Niederschläge im Mai aus, um den Boden bis in den Juni feucht zu halten. Der trockene Sommer und die zunehmenden Verdunstungsraten bewirkten anschließend eine deutliche Abnahme der Bodenwasserspannung. Nachdem das Jahresminimum Mitte August zu verzeichnen war, führten Niederschläge im Zeitraum von Ende August bis Anfang September vorübergehend zu einem leichten Wiederanstieg. Anfang Oktober stieg die Wasserspannung dann außergewöhnlich abrupt auf ein überdurchschnittliches Niveau an, welches bis zum Jahresende anhielt.