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.

Vorbemerkung zu Abbildung 1

Die primäre y-Achse zeigt den Bodenwassergehalt in 50cm Tiefe, die sekundäre y-Achse zeigt den Grundwasserstand über die Jahre. Die x-Achse zeigt den Jahresverlauf über die Monate (Januar bis Dezember). Dabei zeigt die rote Linie den Jahresverlauf der Bodenwassergehalte über das Jahr 2017, die grüne Linie den Verlauf der Bodenwassergehalte über das Jahr 2016, die gestrichelte schwarze Linie den gemittelten Verlauf der Bodenwassergehalte der Jahre 2013 bis 2017. Die dunkelblaue Linie zeigt den jahreszeitlichen Verlauf des Grundwasserstandes 2017, die hellblaue Linie die des Jahres 2016. Die gestrichelte blaue Linie zeigt den mittleren Grundwasserstand der Jahre 1988 bis 2017.

Im Folgenden beschrieben ist der Jahresverlauf der Bodenfeuchte als wesentliche Steuerungsgröße für Sickerwasserbildung und Grundwasserneubildung am Beispiel eines bewaldeten Standorts im westlichen Unterfranken (Messgebiet Hochspessart). 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.

Der Standort im Spessart ist durch Silikatgesteine des Mittleren Buntsandsteins aufgebaut und durch dessen Verwitterungsprodukte (lehmig-sandig bis sandig-lehmige Braunerden) geprägt. Er wird forstwirtschaftlich (Buchenaltbestand) genutzt.

Abb. 1: Jahresverlauf von Bodenwassergehalt (Bw) in 50cm Tiefe und Grundwasserstand (Gw) am Messstandort "Hochspessart" der Jahre 2016 bis 2017

Betrachtet man den in Abb. 1 dargestellten Jahresverlauf des Bodenwassergehaltes in 50cm Tiefe, so zeigt sich, dass der Bodenwassergehalt im Vergleich zum Mittel (2013 bis 2017) und auch zum Vorjahr auf einem sehr niedrigen Niveau (ca. 23%) ins Jahr 2017 gestartet und bis Anfang Mai auf nur knapp 26% angestiegen ist. Ursächlich dafür ist das Niederschlagsdefizit der ersten vier Monate des Jahres. Besonders der Januar und Februar fielen in Nordbayern mit -49% (35mm) und -38% (36mm) im Vergleich zum langjährigen Mittel (Zeitraum 1981 bis 2010) deutlich zu trocken aus – was sich auch in der Ganglinie des Grundwasserstandes wiederspiegelt. Die Niederschläge reichten nicht dazu aus, den oberen Boden feucht zu halten – und erst mit Zunahmen der Regenmenge im März (vor allem in den Zeiträumen 17.bis 28. März und 02.bis 14 Mai) wurde wieder Sickerwasser gebildet.

Die mit dem Einsetzen der Vegetationsperiode, und auf zunehmende Verdunstungssraten zurückzuführende, verstärkte Zehrung des Bodenwasservorrates wurde im Jahr 2017 aufgrund des regenreichen Sommers schon im Juli abrupt beendet. Mit Ausnahme des Septembers war die zweite Jahreshälfte durch Niederschlagsüberschüsse geprägt. So stieg der Bodenwassergehalt rasch auf ein Niveau oberhalb des Mittels der Jahre 2013 bis 2017 an und blieb für den restlichen Verlauf des Jahres auf einem deutlich höherem Niveau. Die Zehrung des Bodenwasservorrates wurde damit durch die Niederschläge deutlich abgeschwächt. Erst nach der Vegetationsperiode zum Ende des Jahres stieg auch der Grundwasserstand auf ein deutlich überdurchschnittliches Niveau an.

Vorbemerkung zu Abbildung 2

Vorbemerkung zu Abbildung 2:: Dargestellt werden die Jahresverläufe (Januar bis Dezember) der Bodenwasserspannung in Hektopascal. Dabei zeigt die rote Linie den Verlauf des Jahres 2017, die orange Linie den Jahresverlauf von 2015, die grüne Linie den Verlauf des Jahres 2016. Die übrigen Jahre (2001 bis 2014) sind als graue Linien hinterlegt. Außerdem wird der Mittelwert des Jahresverlaufs über alle Jahre (2001 bis 2017) als schwarze gestrichelte Linie dargestellt.

Abb. 2: Tagesmittel der Bodenwasserspannung in 200cm Tiefe der Jahre 2001 bis 2017

Vergleicht man die Bodenwasserspannungen der Jahre 2001 bis 2017 in zwei Meter Tiefe (Abb. 2), so wird deutlich, dass sich die Trockenheit von 2016 ins Jahr 2017 fortgesetzt hat. Ausgehend vom Jahresminimum stieg die Wasserspannung nur langsam an. Erst die im Februar einsetzende Schneeschmelze gepaart mit einzelnen Regenfällen führte zu einem deutlichen Anstieg der Bodenfeuchte auf ein leicht überdurchschnittliches Niveau. Mit Beginn der Vegetationsperiode Ende März/Anfang April folgte eine Phase kontinuierlich sinkender Wasserspannungen - mit Ausnahme der Monate April und Mai. Hier führten der verregnete April und Starkregenfälle im Mai zu Höchstwerten. Die übliche Wiederauffüllung der Bodenwasservorräte am Ende des Jahres setzte im Jahr 2017, ausgehend von einem überdurchschnittlichen Wert, schon im September ein. Im Vergleich zum langjährigen Mittel und besonders im Vergleich zum Trockenjahr 2015 ist das ungewöhnlich früh. Im November wird in Folge von Starkniederschlägen ein weiterer Höchstwert erreicht. Zum Jahreswechsel wies die Wasserspannung einen überdurchschnittlich hohen Wert auf.