Untersuchung der Grundwasserschwankungen. Hydrologische, hydrogeologische und vegetationsspezifische Einflüsse auf das Biodiversitätstestfeld

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung

2 Boden- und Grundwasser in Auenlandschaften - Stand der Forschung
2.1 Wasser der ungesättigten Bodenzone
2.2 Oberflächennahes Grundwasser (gesättigte Bodenzone)
2.3 Die Aue als Interaktionsraum zwischen Grund- und Oberflächengewässer

3 Untersuchungsstandort
3.1 Naturräumliche Eingliederung
3.1.1 Geologie und Geomorphologie
3.1.2 Böden
3.1.3 Klima
3.1.4 Hydrologie
3.1.5 Hydrogeologische Situation
3.2 Das Experimentelle Design des Jenaer Experiments

4 Material und Methoden
4.1 Datenerfassung im Gelände
4.1.1 Grundwassermessstellen
4.1.2 Regionalisierung mit Kriging-Verfahren
4.1.3 Nivellement der Messpunkte
4.1.4 Probennahme und physiko-chemische Untersuchungen
4.2 Bodenphysikalische und chemische Untersuchungsmethoden
4.2.1 Bestimmung des Wassergehalts
4.2.2 Bestimmung des Gehaltes an organischer Substanz (Glühverlust)
4.2.3 Totalaufschluss
4.3 Analytische Messmethoden
4.3.1 ICP-OES
4.3.2 ICP-MS
4.3.3 Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
4.3.4 Photometer
4.4 Atmosphärische Randbedingungen - Meteorologische Kenngrößen
4.5 Pumpversuch (Bestimmung der geohydraulischen Leitfähigkeit kf)

5 Ergebnisse
5.1 Hydrologische Messungen
5.1.1 Grundwasserganglinien im Untersuchungszeitraum Oktober 2006 - April
5.1.2 Grundwasserstand und Wasserstand der Saale
5.1.3 Niederschlag und Dynamik der Grundwasserstände
5.1.4 Charakteristische Grundwasserschwankungen ausgewählter Zeiträume
5.1.5 Einfluss der Biodiversität auf die Grundwasserschwankungen
5.2 Physiko-chemische und hydrochemische Messungen des Grundwassers
5.2.1 Geogene Hydrochemie
5.2.2 Stichtagsbeprobung des Grundwasser auf dem Untersuchungsstandort am 06.11.2006
5.2.2.1 physiko-chemische Parameter
5.2.2.2 Hydrochemische Parameter
5.3 Hydrochemische Charakterisierung des Bodenwassers
5.4 Vergleich zwischen der Sicker- und Grundwasserbeschaffenheit
5.5 Ergebnisse und Auswertung der Bodenparameter
5.5.1 Bodenwassergehalte
5.5.2 Korngrößenanalyse
5.5.3 Gehalt an organischem Kohlenstoff
5.6 Ergebnisse Totalaufschluss
5.7 Die Muster der Lanthanide (Selten Erden Elemente - SEE)
5.8 Auswertung des Pumpversuchs zur Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes

6 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse
6.1 Charakterisierung der räumlichen und zeitlichen Unterschiede der oberflächennahen Grundwasserdynamik
6.2 Charakterisierung der Wechselbeziehung zwischen Grundwasserstand, Oberflächenwasser (Saale) und Niederschlag
6.3 Charakterisierung der Wechselbeziehung zwischen Grundwasserstand und Biodiversität
6.4 Charakterisierung der Grundwasserbeschaffenheit
6.4.1 physiko-chemische Parameter
6.4.2 Hydrochemische Parameter
6.5 Charakterisierung der Bodenlösung
6.6 Totalaufschluss

7 Zusammenfassung

8 Literatur

Anhang

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand am Institut für Geographie der Friedrich - Schiller - Universität zu Jena in der Zeit von Dezember 2006 bis Mai 2007.

An erster Stelle möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. G. Büchel für die Vergabe, Betreuung und Begutachtung der Diplomarbeit sowie die permanente Diskussionsbereitschaft herzlich bedanken.

Herrn Prof. Dr. R. Mäusbacher möchte ich für viele Ratschläge sowie die Begutachtung der Arbeit danken.

Herrn Dr. D. Merten danke ich für zahlreiche Anregungen und der Unterstützung rund um die chemischen Analysen.

Ein besonderer Dank gilt den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Geowissenschaften in Jena, die mich in dieser Zeit begleitet und unterstützt haben. Für die Unterstützung bei der Geländearbeit, im Labor, für viele Tipps und Ratschläge bedanke ich mich bei Martin Lonschinski. Bei Andreas Goepel möchte ich mich für die Mithilfe der DGPS-Messungen bedanken.

Frau Dr. S. Steinbeiß vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena und Frau C. Liese von der Landesanstalt für Umwelt und Geologie Thüringen (TLUG) danke ich für die Bereitstellung von Daten.

Ein großes Dankeschön geht an meine Freunde Heintje, Sailer, Hille und Hagen für die unvergessliche Studienzeit und die moralische Unterstützung. Auch möchte ich mich bei Geertje für ablenkende Stunden im Fußballstadion bedanken.

Ganz besonders möchte ich mich bei meiner Familie für die Unterstützung und die Geduld während der Studienzeit bedanken.

Last but not least Das größte Dankeschön gebührt meiner Freundin Sylvia für ihre unglaubliche Geduld und unersetzliche Hilfe DANKE!!

Abbildungsverzeichnis

Abb.1 Vertikalschnitt durch die gesättigte und ungesättigte (Boden)Zone

Abb.2 Durchwurzelungstiefe und kapillarer Aufstieg in Abhängigkeit von der Bodenart

Abb.3 Grundwasser-Oberflächenwasser Interaktion während verschiedener Wasserstandsgradienten

Abb.4 Untersuchungsstandort im Sommer 2003

Abb.5 Geologische Karte von Jena und Umgebung

Abb.6 Geländequerschnitt durch die Muschelkalk-Landschaft im Randplattenbereich des Thüringer Beckens bei Jena mit Saaletal

Abb.7 Schematische Darstellung von Strom- und Potentiallinien des Grundwassers in einem Flusstal

Abb.8 Geologisches Profil des quartären Untergrundes

Abb.9 Experimentelles Design - Ausrichtung und Bezeichnung der Plots und Blöcke, Farbliche Differenzierung der Plots in Abhängigkeit von der Artenanzahl

Abb.10 Messnetz - Lage der Grundwassermessstellen auf dem Untersuchungsgebiet

Abb.10.1 Bezeichnung der Grundwassermessstellen (GWM) auf dem Untersuchungsgebiet

Abb.11 Prinzipskizze einer Drucksonde

Abb.12 Einbauschema der Saugplatten in Block 2 (Zeichnung nicht maßstabsgerecht), Plattentiefe von links nach rechts: 60 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm

Abb.13 Ganglinien der Grundwasserpegel von Transekt 1 mit den Grundwassermessstellen B3A13W, B3A13E, B3A02W, B2A13E, B2A03W, B2A03E, B1A14W, B1A14E und B1A04E

Abb.14 Ganglinien der vorfluterfernen GWM (1), der mittleren GWM des Transekts (2) und der flussnahen GWM (3)

Abb.15 Ganglinien der GWM auf dem Transekt 2; Markierung unterstreichen gleichzeitige Veränderungen des Grundwasserstandes

Abb.16 Spannweite (Balken) und Mittelwerte (Punkt), Maxima und Minima (Linie) der Flurabstände der GWS von Transekt 1 und Transekt

Abb.17.1-3 Grundwasserisohypsen der Monate November 06, Januar + April

Abb.18 Ganglinie der Saale und Niederschlagsmengen vom 20.10.2006 - 31.03.2007 (15-minütiges Messintervall)

Abb.19 Differenzen zwischen Grundwasserständen der GWM und dem Wasserstand der Saale (S) für Transekt 1 sowie die Niederschlagsverteilung im Untersuchungszeitraum

Abb.20 Differenzen zwischen Grundwasserständen der GWM und dem Wasserstand der Saale (S) für Transekt 2 sowie die Niederschlagsverteilung im Untersuchungszeitraum

Abb.21 Vergleich der Grundwasserganglinien (B4A05 + B1A04E) mit der Ganglinie der Saale und berechnete Differenzen zwischen den Ganglinien

Abb.22 Grundwasserganglinien und deren Dynamik in Abhängigkeit vom Niederschlag im Untersuchungszeitraum für die GWM mit installierten Drucksonden

Abb.23 Grundwasseranstieg in Abhängigkeit von der Niederschlagsmenge für die Grundwassermessstellen B4A05, B2A13E und B1A04E (mit Bestimmtheitsmaßen)

Abb.24 Grundwasserganglinien alles GWM, Niederschlagsverteilung im Untersuchungszeitraum und Wasserstand der Saale; A - F sind die nachfolgend charakterisierte Zeiträume (rote Markierung)

Abb.25.1-2 Ganglinien der GWM B3A13W, B3A13E und B3A02W (1) + B2A03W, B2A03E und B1A14W (2) für den Zeitraum 09.11 - 11.11.2006 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstand der Saale

Abb.26.1-3 Ganglinien der GWM für den Zeitraum 07.12. - 12.12.2006 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstand der Saale; 1 - saaleferne GWM, 2 - mittlere Entfernung zum Vorfluter, 3- saalenächste GWM

Abb.27 Ganglinien der GWM für den Zeitraum 07.01. - 21.01.2007 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstand der Saale

Abb.28 Änderung der Grundwasserstände für den Zeitraum 10.01. - 12.01.2007 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstandsänderung der Saale

Abb.29 Änderung der Grundwasserstände für den Zeitraum 17.01. - 20.01.2007 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstandsänderung der Saale

Abb.30 Änderung der Grundwasserstände für den Zeitraum 18.01. - 19.01.2007 (D1) mit einem Messintervall von 15 Minuten

Abb.31 Ganglinien der GWM für den Zeitraum 31.01. - 16.02.2007 mit dem Pegel der Saale

Abb.32 Ganglinien der GWM für den Zeitraum 21.03 - 03.04.2007 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstand der Saale

Abb.33 Ganglinien der GWM für den Zeitraum 22.03 - 25.03.2007 mit Niederschlagsverteilung und Wasserstand der Saale

Abb.34 Hydrochemie des Grundwassers im Untersuchungsgebiet aus 12 Grundwasserproben

Abb.35 flächenhafte Darstellung der pH-Werte auf dem Untersuchungsgelände

Abb.36 flächenhafte Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit; Werte in µs/cm

Abb.37 flächenhafte Darstellung des Redoxpotentials; Werte in mV

Abb.38 flächenhafte Darstellung der Sauerstoffkonzentration; Werte in mg/l

Abb.39 räumliche Verteilung der Nitratkonzentrationen; Werte in mg/l

Abb.40 räumliche Verteilung der Chloridkonzentration; Werte in mg/l

Abb.41 räumliche Verteilung der Mangankonzentrationen; Werte in µg/l

Abb.42 Mangankonzentration in Abhängigkeit der Artenanzahl mit Bestimmtheitsmaß

Abb.43 räumliche Verteilung der Kaliumgehalte; Werte in mg/l

Abb.44 Hydrochemie des Bodenwassers des Untersuchungsgebietes (n = 300)

Abb.45 tiefenaufgelöste Calciumkonzentration der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Okt 06)

Abb.46 tiefenaufgelöste Natriumkonzentration der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Okt 06)

Abb.47 tiefenaufgelöste Sulfatkonzentration der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Aug 06)

Abb.48 tiefenaufgelöste Chloridkonzentration der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Aug 06)

Abb.49 tiefenaufgelöste Nitratkonzentration der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Aug 06)

Abb.50 tiefenaufgelöste DOC-Gehalte der Bodenlösung für Transekt 1 (Nov 05 - Aug 06)

Abb.51 Hydrochemie des Grundwassers und des Bodenwassers im Untersuchungsgebiet

Abb.52 Wassergehaltverteilung der plotspezifischen Bodenproben

Abb.53 prozentuale Korngrößenverteilung gegen die Tiefe der Profile B3A13E,B2A03W + B1A14W

Abb.54 Gehalte an organischem Kohlenstoff der plotspezifischen Bodenproben

Abb.55 Tiefenverteilung der Erdalkali- und Alkali-Gehalte für Transekt 1 von W nach E

Abb.56 Tiefenverteilung der Eisen- und Mangan-Gehalte für Transekt 1 von W nach E

Abb.57 PAAS-normierte SEE Muster für Plot B3A13 und B3A13W; B2A03 und B2A03W; B1A04 und B1A04E

Abb.58 Wiederanstiegskurve aus dem Pumpversuch für GWM B2A03E

Abb.59 Grundwasserganglinie einer saalenahen und saalefernen Messstelle im Untersuchungsgebiet

Tabellenverzeichnis

Tab.1 Koordinaten der GWM mit installierten Drucksonden

Tab.2 Erfasste Parameter der Klimastation auf dem Untersuchungsstandort

Tab.3 Monatswerte der Niederschlagshöhe und Lufttemperatur gemessen als langjähriges Mittel von 1961-1990 an der DWD Klimastation Jena und an der Klimastation auf dem Untersuchungsstandort

Tab.4 Korrelation der Grundwasserstände nach PEARSON (Signifikanzniveau 0,90 - 0,95 Trend; 0,95 - 1,0 signifikante Korrelation)

Tab.5 Korrelation der Grundwasserganglinien mit der Ganglinie der Saale nach PEARSON (Signifikanzniveau : 0,90 - 0,95 Trend; 0,95 - 1,0 signifikante Korrelation)

Tab.6 Anzahl ausgesäter Pflanzenarten auf den Plots mit dazugehörigen GWM

Tab.7 Übersicht der Plots unterschiedlicher Artenklassen mit Änderungsbeträgen des Grundwassers unterschiedlicher Zeiträume

Tab.8 physiko-chemische Parameter der Stichtagsbeprobung 06.11.2006

Tab.9 Hydrochemische Analyse des Grundwassers Untersuchungsstandortes (mit SD)

Tab.10 Mangankonzentrationen der GWM und Anzahl der Arten benachbarter Plots

Tab.11 plotspezifischen Stoff- und Elementgehalte der Bodenlösung [mg/l]

Tab.12 Die Elementgehalte des Totalaufschlusses

Tab.13 Protokoll des Pumpversuches

1 Einleitung

Als wesentlicher Bestandteil des Wasserhaushaltes der Erde unterliegt das Grundwasser sehr stark klimatischen Einflüssen. Die Schwankungen des Grundwasserspiegels sind aber nicht nur eine Folge von wechselnden Niederschlags- und Verdunstungsverhältnissen. Auch Temperaturänderungen in den Bodenschichten und sogar der tägliche Wasserbedarf von Pflanzen lassen sich z. T. in Zeitreihen von Grundwasserständen nachweisen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere natürliche Vorgänge, die eine Bewegung des Grundwasserspiegels auslösen. So ändert sich der Wasserstand in einem Beobachtungsrohr mit dem Luftdruck. Die Dynamik des oberflächennahen Grundwassers wird in Flussnähe zusätzlich durch die Flusswasserstände beeinflusst.

Naturnahe Auenlandschaften besitzen aufgrund ihrer hohen Biodiversität und ihrer naturräumlichen Vielfalt einen hohen Stellenwert in der Hierarchie der Schutzgüter. Dabei stellt der Wasserhaushalt einen dominierenden Standortfaktor dar, der in Auen vorwiegend von der Wasserstandsdynamik im Fluss- und Grundwasser bestimmt wird (BÖHNKE & GEYER 2000: 99). Der bestimmende Steuerfaktor für Auen und Aueböden sind periodische Überflutungen aufgrund des Hochwassers in Flüssen. Der Wasserhaushalt bewegt sich dabei zwischen Überflutung durch Hochwasserereignisse und extremer Austrocknung in Niedrigwasserzeiten. Aufgrund der häufigen Wechsel von Vernässungs- und Austrocknungsphasen stellen die Auengebiete in Bezug auf den Wasserhaushalt äußerst dynamische Systeme dar, in denen sich die wirksamen Faktoren und Prozesse räumlich und zeitlich in unterschiedlichem Ausmaß wechselseitig beeinflussen.

Um die Prozesse und Faktoren der Beeinflussung des Wasserhaushalts in einem Auengebiet aufzulösen, wurden im Rahmen des Jena-Experiments bodenhydrologische Prozessstudien über einen Zeitraum von 2 Jahren in der Unteraue der Saale durchgeführt (KREUTZIGER 2006). Ziel war es die Auswirkungen des simulierten Artenverlustes in Grünlandökosystemen auf den Bodenwasserhaushalt zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen belegen die hohe raumzeitliche Dynamik des Bodenwasserhaushaltes auf dem Auestandort in unmittelbarer Nähe der Saale. Nach SOPHOCLEOUS (2002) wird der Bodenwasserhaushalt von Auestandorten in der Regel vom Grundwasser beeinflusst. Schwankungen der Grundwasserstände können sich dabei auf den Bodenwasserhaushalt auswirken.

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Schwankungen der Grundwasserstände räumlich, im Sinne von plotspezifisch, und zeitlich aufgelöst zu erfassen bzw. zu quantifizieren und hinsichtlich des differenzierten Vegetationsbestandes zu analysieren. Des weiteren werden Niederschlagsdaten und der Pegel der Saale als externe Faktoren herangezogen, um die Abhängigkeiten der Grundwasserschwankungen mit diesen Parametern zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der lokalen Skala, einem ca. 2 ha großen Untersuchungsgebietes in der Saaleaue, welches durch oberflächennahes Grundwasser gekennzeichnet ist. Um die benötigten raumzeitlich variablen Grundwasserschwankungen zu erfassen, wurden vorinstallierte Grundwasserpegel verwendet. Für die Fragestellung wurden für den Untersuchungszeitraum vom 20.10.2006 - 30.04.2007 Drucksonden in die Pegel eingesetzt, welche die Grundwasserschwankungen in einem 15- minütigen Messintervall aufnehmen. Aus der Anordnung der Messstellen wurden zwei Transekte herausgearbeitet, in denen die räumlichen und zeitlichen Schwankungen des Grundwassers untersucht wurden. Für die Untersuchung der Wasserstandsdynamik der Saale standen Pegelmessungen der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie (TLUG) zur Verfügung. Die erforderlichen klimatischen Kenngrößen wurden durch eine Klimastation direkt auf dem Untersuchungsstandort erhoben.

Dynamische Veränderungen der Grundwasserstände bewirken zeitliche Veränderungen der physiko-chemischen Eigenschaften und Zusammensetzung der Grund- und Sickerwässer. Wesentliche Einflussfaktoren auf die Stoffdynamik stellen die Vorortparameter (pH-, EhWert, Leitfähigkeit, Temperatur u.a.) dar, da sie als Steuergrößen den Stoffhaushalt maßgeblich beeinflussen (BÖHNKE & GEYER 2000: 107). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen der Grundwasserbeschaffenheit durchgeführt. Dabei stand im Wesentlichen die Charakterisierung der Hydrochemie des oberflächennahen Grundwassers im Vordergrund. In Abhängigkeit des Vegetationsbestandes sollen darüber hinaus räumliche Unterschiede in den hydrochemischen Eigenschaften des Grundwassers auf dem Untersuchungsstandort erfasst werden. Darüber hinaus stellt sich die Frage, inwieweit die hydrochemische Signatur des Sickerwassers die Grundwassercharakteristik beeinflusst. Hierfür standen hydrochemische Daten des Sickerwasser für den Zeitraum 11/2005 - 10/2006 zur Verfügung. Über die zeitliche Veränderung der Sickerwasserbeschaffenheit können Rückschlüsse auf geochemische sowie Transportprozesse gewonnen werden. Für die Beschreibung von geochemischen Prozessen sowie von Transportprozessen in der ungesättigten Bodenzone spielt die Elementverteilung im Bodensubstrat eine entscheidende Rolle. So ist die Löslichkeit und somit die Mobilität der Elemente, im speziellen der Schwermetalle, abhängig von den Einzelgehalten der Elemente, pH-Wert, Redoxbedingungen, dem Gehalt an organischem Material sowie der mineralogischen Zusammensetzung. Anhand von tiefenaufgelösten Profilen der Elementverteilung können Anreicherung- bzw. Abreicherungshorizonte im Bodenprofil gekennzeichnet werden. Hierfür kann die Fragestellung abgeleitet werden, ob in Abhängigkeit des Vegetationsbestandes charakteristische Elementgehalte und Tiefenverteilungen festgehalten werden können.

Es können folgende Fragestellungen zusammengefasst formuliert werden:

Besteht ein Zusammenhang zwischen den Grundwasserschwankungen und der Biodiversität?

Welchen Einfluss haben der Pegelstand der Saale und Niederschläge als externe Faktoren auf plotspezifische kurz- und langfristige Grundwasserschwankungen? Wodurch wird die Grundwasserbeschaffenheit bestimmt und gibt es räumliche Unterschiede in Abhängigkeit des Vegetationsbestandes?

Besteht ein Zusammenhang zwischen der Beschaffenheit plotspezifischer Bodenlösungen und der Grundwassercharakteristik?

Inwieweit beeinflusst die Elementzusammensetzung der untersuchten Plots die Grundwasserbeschaffenheit?

2 Boden- und Grundwasser in Auenlandschaften - Stand der Forschung

Anhand geomorphologischer Ansätze wird die Aue als Talzone gekennzeichnet, welche innerhalb des Einflussbereichs vom Hochwassers liegt. Von der Beschreibung fluvialer Prozesse ausgehend, stellen Auen einen Landschaftstyp dar, welcher sich in periodisch überfluteten Talböden ausbildet (MIEHLICH 2000). Auen sind hydrologisch durch einen wechselseitigen Austausch zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser geprägt, die durch starke Schwankungen der Wasserstände sowie Überflutungen hervorgerufen wird (SOPHOCLEOUS 2002: 53). Durch die meist geringen Grundwasserflurabstände in Niederungsgebieten existieren enge Wechselwirkungen zwischen Bodenwasserhaushalt und klimatischen Rahmenbedingungen. So führen Niederschläge oder hohe Verdunstungsraten häufig zu direkter Reaktion von Bodenfeuchte und Grundwasserständen (KRAUSE 2005: 8). Aufgrund der ebenen Morphologie des Untersuchungsstandortes spielt der Oberflächenabfluss innerhalb der Wasserbilanz eine nur untergeordnete Rolle. Vielmehr wird das Gebiet durch die vertikale und laterale Bewegung des Wassers unterhalb der Erdoberfläche gekennzeichnet. Diese Wasserbewegung zeigt sich darüber hinaus für die Stoffbilanz einer Aue verantwortlich. Die Stoffbilanzen von Flussauen werden z.B. durch Prozesse wie Mineralisation und Denitrifikation gesteuert, die von Klima, Niederschlägen, Grundwasserstand und dem resultierenden hydrochemischen Milieu abhängig sind (SPRINGER 2006: 8). Dabei können laterale Stoffeinträge über zufließende Wässer (Grundwasser, Interflow oder Oberflächenabfluss), longitudinale Stoffeinträge bei Überflutung durch angrenzende Fließ- oder Stillgewässer und vertikale Stoffeinträge über die Atmosphäre in Form von nasser und trockener Deposition unterschieden werden. Die vorherrschenden Stoffausträge sind durch gasförmigen Austrag in die Atmosphäre oder durch Abgabe gelöster Stoffe in Grund- und Oberflächenwasser sowie durch Ernteentzug gekennzeichnet. Gespeichert werden Stoffe in der Bodenfestsubstanz, im Bodenwasser oder in der Biomasse. Die Wasserpfade bestimmen somit die Stofftransportpfade und Transformationsprozesse in der Aue und unterstreichen die wesentliche Bedeutung des Bodenwassers (SPRINGER 2006: 8). Alles Wasser unterhalb der Erdoberfläche wird als unterirdisches Wasser bezeichnet. Unterirdisches Wasser kommt in zwei Bereichen vor, die in einem engen Zusammenhang stehen. Der unmittelbar unterhalb der Erdoberfläche beginnende Bereich oberhalb des Grundwasserspiegels enthält in seinen Hohlräumen sowohl Luft als auch Wasser und wird deshalb als ungesättigte Zone bezeichnet, der sich daran anschließende Bereich, in dem ausnahmslos alle zusammenhängenden Hohlräume mit Wasser gefüllt sind, wird demzufolge als gesättigte Zone definiert (DYCK & PESCHKE 1995: 306). Das darin befindliche Wasser ist das Grundwasser. Die räumliche Verteilung dieser Zonen lässt sich schematisch an einem Vertikalschnitt zeigen (Abb.1, S.4).

Abb.1: Vertikalschnitt durch die gesättigte und ungesättigte (Boden)Zone (BÄNNINGER 2006)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1 Wasser der ungesättigten Bodenzone

Eine Grundvoraussetzung, dass der Boden belebt und seine vielfältigen Funktionen für das Wachstum der Pflanzen und für die Dynamik von Ökosystemen erfüllen kann, ist die Wasserverfügbarkeit in der ungesättigten Bodenzone. Diese ist im Wesentlichen von der Niederschlagshöhe, dem Grundwasserflurabstand sowie von der Bodentextur und -struktur abhängig. Die ungesättigte Bodenzone (nach DIN 4049-1 auch Sickerraum) ist der Bereich zwischen Erdoberfläche und Grundwasserspiegel und besteht aus den Phasen Bodenmatrix, Bodenluft und Bodenwasser. Im Sickerraum sind nur wenige Poren vollständig vom Bodenwasser erfüllt, wobei zwischen Sicker- und Haftwasser unterschieden wird. Der Haftwasseranteil wird weiterhin in Adsorptions- und Kapillarwasser unterteilt (KUNTZE ET AL. 1994). Das Adsorptionswasser haftet aufgrund molekularer Kräfte vorwiegend an negativ geladenen Bodenteilchen. Berühren sich die Bodenteilchen, überlagern sich deren Wasserfilme im unmittelbaren Kontaktbereich zu sogenannten Zwickelwasser. Mit abnehmender Korngröße verringert sich der Porenraum, so dass die Zwickelwässer ein netzartiges Kapillarsystem bilden (KUNTZE ET AL. 1994). Adsorptionswasser tritt vor allem bei Bodenpartikeln mit großer spezifischer und geladener Oberfläche auf. Je höher der Anteil feinster Bodenbestandteile mit großer spezifischer Oberfläche ist, desto mehr überwiegt der Haftwasseranteil gegenüber dem Sickerwasser. Das Sickerwasser fließt unter dem Einfluss der Gravitation zum Grundwasser, wobei vorhandenes Wasser von jüngerem Sickerwasser verdrängt und somit selbst zum Sickerwasser wird (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 2002). Dabei ist der Wasserhaushalt des Bodens in der ungesättigten Zone im Wesentlichen durch eindimensionale Strömungen von Auf- und Abwärtsbewegungen gekennzeichnet. Das in dieser Zone enthaltene Wasser ist definitionsgemäß kein Grundwasser, sondern wird als Wasser der ungesättigten Bodenzone (Sickerwasser) bezeichnet (HÖLTING 1996: 75).

Die Bilanzierung des Wasserhaushalts in der ungesättigten Zone erfolgt durch Gegenüberstellung der Zu- und Abflüsse:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(KREUTZIGER 2006; nach DIN, aus MENDEL ET AL. 2000: 21-23).

Alle Terme der Bodenwasserhaushaltsgleichung stellen raumzeitliche Variablen dar und werden, abgesehen vom Niederschlag und der Interzeption, maßgeblich durch das Wasserspeichervermögen und der hydraulischen Leitfähigkeit der Böden geprägt. So konnte KRAUSE 2005 anhand von experimentellen Wasserhaushaltsuntersuchungen in der „Unteren

Havel Niederung“ bestätigen, dass klimatisch angetriebene vertikale Bodenwasserbewegungen als auch laterale Grundwasserströmungen infolge der Grundwasser - Oberflächenwasser - Interaktion einen besonderen Einfluss auf den Bodenwasserhaushalt haben (KRAUSE 2005). In Abhängigkeit der Bodenart, die durch die Bodentextur bestimmt wird, dem Porenvolumen sowie der Porenverteilung ergeben sich Unterschiede in diesen bodenspezifischen Eigenschaften. So ist aufgrund der höheren nutzbaren Feldkapazität von Lehm- und Schluffböden während der Vegetationsperiode mit einer höheren Evapotranspiration bzw. in der darauf folgenden Herbst- und Winterperiode mit geringeren Sickerwassermengen zu rechnen, als unter Sand- und Tonböden (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 2002: 206). Trocknet die Bodenoberfläche infolge andauernder Verdunstung ab, entstehen Potentialgradienten zwischen ihr und den tieferen Bodenschichten, so dass die Evapotranspiration des ungesättigten Bodens von der aufwärtsgerichteten Bodenwasserbewegung (kapillarer Aufstieg) und damit vom Bodenfeuchtegehalt und der ihm entsprechenden Wasserspannung abhängt. Die zusammenhängenden Poren im Untergrund bilden unterschiedliche luft- und/ oder wassergefüllte röhrenförmige Hohlräume, sogenannte Kapillare (CIRPKA 2003: 23). Die Kapillare sind je nach Porengröße unterschiedlich in ihrer Ausbildung und stehen meist miteinander in Verbindung. Durch die Kapillare findet die Versickerung des Regenwassers und somit die Grundwasserneubildung statt. Ebenso werden die Kapillare aber auch genutzt, um den Pflanzenwurzeln Bodenwasser zuzu führen. Das Wasser in der ungesättigten Bodenzone steht unter dem Einfluss der Kapillarkräfte relativ zum Luftdruck unter einem Unterdruck. Dieser negative Druck wird als Saugspannung bezeichnet. Unterhalb der freien Grundwasseroberfläche nimmt der Druck linear mit der Tiefe zu (DYCK & PESCHKE 1995: 314). Aufgrund der Kapillareffekte und der Saugspannung kommt es in der ungesättigten Zone über einen Druckausgleich zum Anstieg des Grundwassers in den Kapillaren (CIRPKA 2003: 24). Über der Grundwasseroberfläche bildet sich demnach ein so genannter Kapillarsaum, der je nach Beschaffenheit des Gesteins unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Die Aufstiegshöhe, auch kapillare Steighöhe genannt, ist abhängig von der Körnung und dem Gefüge des Bodens. Die Geschwindigkeit des Kapillarhubs ist ebenfalls von Gefüge und Körnung abhängig und verlangsamt sich mit zunehmender Höhe. So können bei Aufstiegsraten von 1 - 3 mm/Tag kapillare Steighöhen von 25 cm für Sand, über 70 cm für sandigen Lehm bis hin zu 300 cm für lehmigen bzw. tonigen Schluff erreicht werden (MÜCKENHAUSEN 1993: 321).

Wird durch Verdunstung, direkt oder durch Pflanzen, die Saugspannung erhöht, so wird das Kapillarwasser angezogen, wenn das Grundwasser in entsprechender Tiefe steht. In Abb.2 ist die Durchwurzelungstiefe und kapillarer Aufstieg in Abhängigkeit von der Bodenart bzw. Torfart zur Beurteilung des Grundwasseranschlusses landwirtschaftlicher Kulturen aufgezeigt (JOSOPAIT & RAISSI 1999: 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2: Durchwurzelungstiefe und kapillarer Aufstieg in Abhängigkeit von der Bodenart (JOSOPAIT & RAISSI 1999: 4)

Aufgrund des hohen Anteils von Grobporen (Porendurchmesser >10 µm) in einem Sandboden steigt das Wasser zunächst schnell, jedoch nur bis in eine geringe Höhe, über den Grundwasserspiegel auf. In einem Schluffboden dagegen ist die aufsteigende Wassermenge zwar geringer, vermindert sich aber nach oben weniger schnell, was auf den höheren Anteil an Fein- und Mittelporen zurück zu führen ist (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 2002: 198; MÜCKENHAUSEN 1993: 306). Somit kann, in Abhängigkeit des Grundwasserflurabstandes als auch der Wurzeltiefen, mit Zunahme der Bindigkeit der Böden, eine Zunahme der aufsteigenden Wassermenge sowie der Evapotranspiration einhergehen (DYCK & PESCHKE 1995: 312ff).

Neben den bodengeologischen Eigenschaften als Glied des kapillaren Aufstiegs, trat in den letzten Jahren auch die Artenanzahl eines floristischen Ökosystems in den wissenschaftlichen Fokus. So untersuchte KREUTZIGER 2006 den Einfluss der Biodiversität auf die Ressource Bodenwasser und dessen Umsatz in der ungesättigten Bodenzone anhand des Modellökosystems Grünland auf dem Untersuchungsstandort. Durch Messungen der Saugspannung mittels Tensiometer, wie auch die Erfassung des Matrixpotentials über die Bodenfeuchte mit TDR - Sonden (Time Domain Reflectometry) konnte aufgezeigt werden, dass Grundwasserflurabstände von < 2 m zum Vorhandensein eines aufwärtsgerichteten Gradienten zur kapillaren Anbindung bis mindestens in die Profiltiefe von 1 m führen. Durch den zeitweisen Grundwasseranstieg, bis teilweise 0,4m unter Geländeoberkante (GOK), wird die Wiederauffüllung des entleerten Bodenwasserspeicher und somit die Wasserversorgung der Pflanzen sichergestellt (KREUTZIGER 2006: 137). Es konnte weiterhin festgehalten werden, dass sich in Abhängigkeit von den klimatischen Verhältnissen und mit dem Fortschreiten der Vegetationsperiode, der Vegetationseinfluss auf die Bodenfeuchte in verschiedenen Bodentiefen ausprägt. Mit Zunahme der Artenzahl bzw. der Anzahl der funktionellen Gruppen ist eine Abnahme der Bodenfeuchte verbunden (SCHERER - LORENZEN 1999).

Auf grundwasserfernen Standorten steht der Vegetation lediglich das pflanzenverfügbare Bodenwasser im effektiven Wurzelraum zu Verfügung. Verdunstet die Vegetation direkt aus dem Grundwasserleiter, tritt der Einfluss der Bodeneigenschaften meist . Die Evapotranspiration und somit auch die Sickerwasserhöhe ergeben sich dann alleinig aus der Höhe des kapillaren Aufstiegs (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 2002: 206). Die Infiltration ist der umgekehrte Vorgang des kapillaren Aufstiegs. Dabei kennzeichnet die Infiltration die schwerkraftbedingte Bewegung des Sickerwassers innerhalb der Bodenzone, während die Perkolation die Versickerung des Wassers bis zum Stau- bzw. Grundwasser beschreibt (MÜCKENHAUSEN 1993: 306). Die Infiltrationskapazität, das maximal mögliche Infiltrationsvermögen ist gebunden an ereignisunabhängige Faktoren wie z.B. die Bodentextur, die ungesättigte und gesättigte Wasserleitfähigkeit der Bodenmatrix als auch an ereignisabhängige Faktoren wie z.B. die Niederschlagsintensität und der Wassergehalt des Bodens (HÖLTING 1996: 77).

Eine entscheidende Rolle spielen zudem die an die Bodenoberfläche reichenden Makroporen. Der schnelle Transport von Wasser- und Nährstoffen in solchen riss- und röhrenförmigen Poren vorbei an der Bodenmatrix, auch als präferenzieller Fluss bezeichnet, ist eher die Regel als die Ausnahme. Präferenzieller Fluss kann sehr unterschiedliche Ursachen haben (WILLIAMS ET AL. 2003). Das Phänomen tritt vor allem bei relativ hohen Niederschlagsraten auf. Oft sind Makrostrukturen wie Wurmgänge, Risse, Aggregatsgrenzflächen oder Wurzelkanäle beteiligt. Daneben führt auch schlechte Benetzbarkeit einzelner Bereiche zu heterogenem Wasserfluss, beispielsweise in trockenen, sandigen Böden oder in Horizonten mit viel organischem Material (GIMMI 2004: 28). Schliesslich spielen auch Schichtgrenzen eine Rolle. Solche wirken oft stauend und können dadurch beispielsweise unstabilen, fingerartigen Fluss initiieren.

So konnte KREUTZIGER 2006 anhand von Beregnungsversuchen auf dem Gelände des Jena - Experimentes nachweisen, dass Makroporenfluss in Folge von starken Niederschlagsereignissen zur schnellen Grundwasserneubildung beitragen kann. So ergaben Farbtracerversuche das bis zu 92 % des Niederschlags an der Bodenmatrix vorbei in Tiefen bis >1,25 m bzw. ins Grundwasser transportiert werden. Visuelle Interpretationen von vertikalen Grabenschnitten nach der Beregnung zeigten dabei ein gleichmäßiges Vordringen der Farbfront mit der Tiefe und zeugen von bevorzugten Fliesswegen auf diesem Standort (KREUTZIGER 2006: 61). Auch WILLIAMS ET AL 2003 untersuchten die räumliche Variabilität des präferenziellen Flusses innerhalb eines Pedons durch Tracerversuche. Dabei wurde Natriumchlorid mittels unterschiedlicher Beregnungsraten von 1 - 10 mm/h in den Boden eingebracht. Über installierte Tensiometer konnte das Matrixpotential des Bodens erfasst werden. Über die zeitlich abhängige Bodenfeuchteänderung sowie durch chemische Analysen des extrahierten Bodenwassers konnten Rückschlüsse auf präferenzielle Fliesswege und deren zeitliche Variabilität gewonnen werden (WILLIAMS ET AL. 2003: 1274). ZEHE 1999 untersuchte die Rolle der Makroporen auf den Stofftransport in der ungesättigten Bodenzone auf verschiedenen Skalen durch Beregnungsversuche und stellt zwei Typen, welche die präferenziellen Fliesswege beschreiben, vor. Zum einen ist der Fluss in Makroporen aufgrund der Heterogenität des Porenraumes in stark strukturierten Böden zu nennen. Zum anderen existiert das sogenannte "fingering", d.h. die Instabilität einer Infiltrationsfront in wenig strukturierten Böden, die wasserabstoßende Substanzen enthalten (ZEHE 1999: 16).

Das Vorhandensein dieser Fliesswege bei Starkregenereignissen hat nicht nur Konsequenzen für das Monitoring und die Modellierung des Bodenwasserhaushalts sondern auch für die Erfassung von Stoffflüssen. Über präferenzielle laterale Fliesswege kann Wasser des Grobporenbereichs in Abhängigkeit des Sättigungsdefizits als Interflow zu schnellem Abfluss beitragen, ohne Kontakt zur gesättigten Zone zu haben. KRAUSE 2005 liefert dabei, durch die Erweiterung eines Bodenmodels (WASIM-ETH-I) zur Modellierung des Boden- und Grundwasserhaushaltes, einen Ansatz zur Berücksichtigung des präferenziellen Flusses als zusätzlichen Wasserspeicherraum (KRAUSE 2005: 60). Dieser jedoch nur kurze Zwischenspeicher ändert nichts an der Tatsache, dass aufgrund des verkürzten Wasser- und Stofftransfers (Boden-Grundwasser) eine Abminderung der Filterung/Pufferung/Transformation von Nähr- und Schadstoffen im Boden zur Folge hat (KREUTZIGER 2006: 63).

2.2 Oberflächennahes Grundwasser (gesättigte Bodenzone)

Nach Infiltration des versickernden Niederschlags durch die ungesättigte Bodenzone tritt das Wasser in die wassergesättigte Bodenzone, das Grundwasser, über. Das Grundwasser ist der Teil des unterirdischen Wassers, „der die Hohlräume der Erdrinde vollständig füllt und sich unter der Wirkung von Schwer- und Druckkraft frei bewegt, ohne von den Adsorptions- oder Kapillarkräften daran gehindert zu werden“ (DYCK & PESCHKE 1995: 318). Die Grundwasserzone ist von der darüberliegenden ungesättigten Zone durch die Grundwasseroberfläche getrennt. Die druckmäßig ausgeglichene Grenzfläche des Grundwassers gegen die Atmosphäre, z.B. in Grundwassermessstellen, wird als Grundwasserspiegel bezeichnet. Die Höhe des Grundwasserspiegels gegenüber einer waagerechten Bezugsfläche (Geländeoberkante oder Normal-Null) stellt den Grundwasserstand dar (HÖLTING 1996: 97).

Der Grundwasserstand sowie daraus resultierend der Grundwasserflurabstand, die Differenz aus Geländeoberkante und Grundwasseroberfläche, sowie dessen Dynamik im Jahresverlauf stellt den wichtigsten abiotischen, ökologischen Standortfaktor in einer Aue dar (SOMMER 2000: 60).

Für die Beurteilung von landwirtschaftlichen Flächen hinsichtlich des

Grundwasserflurabstandes wird von SCHMIDT & DIEMANN (1981) eine pragmatische Einteilung getroffen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der Tatsache, dass sich die Grundwasserflurabstände auf dem Untersuchungsstandort zwischen 0,8 m und ca. 2,8 m bewegen, soll das Wasser als oberflächennahes Grundwasser bezeichnet werden. Das oberflächennahe Grundwasser unterliegt einem Jahresgang. Der jährliche Gang des Grundwasserstandes wird innerhalb des Standortes hauptsächlich durch den Pegel des Vorfluters, Niederschlagsereignisse, unterirdische Ergänzung sowie durch die hohe Sommerverdunstung beeinflusst. So beschreiben SOMMER ET AL. 2000, dass die Dynamik der Grundwasserstände im wesentlichen von der Wasserstandsdynamik des Vorfluters abhängig ist (SOMMER ET AL. 2000: 139).

Im Normalfall liegt im mitteleuropäischen Raum das jahreszeitliche Maximum des Grundwasserstandes im Frühjahr (Januar bis April). Während der folgenden Vegetationsperiode sinkt die Grundwasseroberfläche auf ein Minimum im Frühherbst. Bei flurnahem Grundwasser werden diese jahreszeitlichen Schwankungen durch kurzfristige, witterungsbedingte Änderungen überlagert (SPRINGER 2006: 10). Dabei ist eine schnelle Reaktion des Grundwasserspiegels bei Niederschlagsereignissen bei geringem Grundwasserflurabstand zu beobachten, da schon wenig Wasser eine Verteilung des Potentials hervorruft, die den Niederschlag bis zum Grundwasser führt. Eigenschaften des Grundwasserleiters wie Porosität, Porengrößenverteilung, Tiefenlage, Mächtigkeit, Neigung der Grundwassersohle sowie Eigenschaften der ungesättigten Bodenzone sind dabei für den Betrag der Grundwasserschwankungen verantwortlich (DYCK & PESCHKE 1995: 325). Die den Grundwasserleiter überlagernden Auelehme können im Talraum zu teilweise gespannten Grundwasserverhältnissen und somit zu Veränderung des Wasserhaushalts in den Auen führen. Die bodengeologischen Eigenschaften der Auelehme (geringe Porengröße, Korngrößenzusammensetzung) führen zu einem hohen kapillaren Aufstieg des Wassers aus dem Grundwasser (SOMMER 2000: 60). Die damit verbundenen Schwankungen sind für das Wasserdargebot der Pflanzen essentiell. Sinkt der Grundwasserstand im Sommer zu tief, so verlieren die Pflanzen in der Zeit des höchsten Wasserverbrauchs die Verbindung zum Wasserreservoir. Steigt es im Winter zu hoch, so schädigt es die überwinternden Pflanzen (Grünland).

In den letzten Jahren rückten Grundwasserschwankungen, insbesondere die kurzfristigen Schwankungen, zur Beurteilung von Grundwasser - Oberflächenwasser - Interaktionen sowie bei der Erstellung von Grundwassermodellen für den Wasserhaushalt in den wissenschaftlichen Fokus. So stellte SENITZ (2001) die Untersuchung und Anwendung kurzperiodischer Schwankungen des Grundwasserspiegels in Thüringen vor. Grundlage der Untersuchungen sind Zeitreihen mit hoher zeitlicher Auflösung aufgrund automatischer Datenerfassung. Als geeignete Methode zur Untersuchung des Frequenzverhaltens der kurzperiodischen Grundwasserspiegelschwankungen wurde die FOURIER-Analyse angewendet. Für die Änderung des hydraulischen Zustandes über Grundwasserschwankungen in teilgespannten und gespannten Aquiferen Thüringens konnte der Einfluss der Erdgezeiten bestätigt werden (SENITZ 2001: 169).

Schwankungen der Grundwasserstände spielen eine große Rolle in Bezug auf die Beschaffenheit des oberflächennahen Grundwassers. Die chemische Grundwasserbeschaffenheit ist darüber hinaus von geochemischen Prozessen und der Beschaffenheit des Neubildungswassers abhängig. Sie wird durch Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein im Untergrund beeinflusst und kann eine große Variation besitzen. Die Beschaffenheit des oberflächennahen Grundwassers wird dabei neben der Geologie auch von den Bodeneigenschaften, der Landnutzung und den Grundwasserständen bestimmt. Das Sickerwasser hat einen großen Einfluss auf die Inhaltsstoffe, da nach längerer Trockenzeit ein Ansteigen der leicht löslichen Inhaltsstoffe wie z.B. Chlorid und Nitrat zu verzeichnen ist. Sorptions- und Ionenaustauschprozesse des Wasser mit der Oberfläche bzw. mit Elementen des Bodenkorns, im Wesentlichen der Tonminerale, spielen für die Grundwasserbeschaffenheit eine wesentliche Rolle (MATTHES 1994: 95).

2.3 Die Aue als Interaktionsraum zwischen Grund- und Oberflächengewässer

Die meisten Landschaften sind durch komplexe Interaktionen zwischen diesen hydrologischen Systemen gekennzeichnet (SOPHOCLEOUS 2002: 51). Es kann sich, je nach Landschaft, um Interaktionen zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser von kleinen Flüssen, Seen, Feuchtgebieten, großen Flusstälern oder Küstengebieten handeln, wobei die Grundwasserströmungssysteme von lokal bis regional reichen können (WINTER 1999: 28). Dabei spielt die Interaktion von Vorflutern mit angrenzenden Aquiferen eine wesentliche Rolle in den Wechselwirkungen zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser. Besonders in Flachlandeinzugsgebieten sind bei der Betrachtung des Wasserhaushaltes die Interaktionen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser nicht zu vernachlässigen.

Innerhalb des Untersuchungsgebietes des Jena - Experiments sollten der pleistozäne Grundwasserleiter sowie die Vorflut der Saale einen hydraulischen Kontakt aufweisen und gegenseitig in Wechselwirkung stehen. Experimentelle Wasserhaushaltsuntersuchungen wurden von KRAUSE (2005) in der „Unteren Havel Niederung“, einer Talauenlandschaft, führten zur Entwicklung eines Wasserhaushalts- und Stofftransportmodells (IWAN), das zur Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik von Flachlandeinzugsgebieten z.B. die Beeinflussung des Wasserhaushalts durch das oberflächennahe Grundwasser und durch variable Oberflächenwasserstände berücksichtigt. Die Analyse der Messergebnisse von meteorologischen Parametern, Bodenfeuchte, Grundwasserstände und Abfluss führten zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächenwasserdynamik beeinflussten Talaue (KRAUSE 2005: 156). Unter Berücksichtigung der raumzeitlichen Dynamik in Flussniederungen wurden von SPRINGER 2006 Grund- und Flusswasserstände im Zeitraum 09/2005 -03/2006 wöchentlich gemessen. Kontinuierliche Messungen der physiko- chemischen und hydrochemischen Parameter der Wässer im Wochenrhythmus zeigten die Interaktionen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser auf. Als Ergebnis konnte die Dynamik des oberflächennahen Grundwassers als vorwiegend durch die Niederschläge und in Flussnähe zusätzlich durch die Flusswasserstände beeinflusst zusammengefasst werden (SPRINGER 2006: 61). Weitere Arbeiten, die sich mit der Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser in Flussauen beschäftigen, sind u.a. SOMMER (2000), MONTENEGRO ET AL. (1999) und HARTUNG (2002). Dieser Autor beschäftigte sich mit der hydrologischen Betrachtung von Flussauenwäldern und der Modellierung der Grundwasserstände in Abhängigkeit des hydrologischen Standortfaktors Fluss sowie weiterer abiotischer Faktoren.

Aufgrund der in Flussauen häufig auftretenden Wasserstandsänderungen und damit einhergehenden Änderungen des Wasserspiegelgefälles zwischen Vorfluter und Grundwasser sind diese durch Interaktionen charakterisiert, welche auf saisonale Einflüsse zurück zu führen sind (KRAUSE 2005: 169). Die Austauschprozesse zwischen Oberflächen- und Grundwasser werden durch das Wasserspiegelgefälle zwischen den Systemen hervorgerufen und unterliegen räumlichen und zeitlichen Schwankungen, die sich auf die Intensität und Richtung der Strömung auswirken. Das führt innerhalb eines Einzugsgebietes zu influenten und effluenten Verhältnissen, welche auch räumlich nebeneinander vorkommen können (SOPHOCLEOUS 2002: 54). Im gemäßigt humiden Thüringer Becken findet normalerweise ein ständiger Austausch zwischen Fließgewässer und Grundwasser statt, der grundsätzlich durch zwei Fälle, die effluenten und die influenten Verhältnisse (Abb.3), beschrieben werden kann (HÖLTING 1996: 45). Wenn der Grundwasserstand höher als der Flusswasserstand liegt, kommt es zu effluentem Fluss, so dass Grundwasser dem Fluss zufließt (Exfiltration). Bei influenten Bedingungen ist der Wasserstand im Fluss höher als der Grundwasserstand, so dass Flusswasser durch Infiltration dem Grundwasser zugeführt wird (SOPHOCLEOUS 2002: 55).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3: Grundwasser - Oberflächenwasser Interaktion während verschiedener Wasserstandsgradienten (verändert nach SOPHOCLEOUS 2002: 58)

Der Austausch zwischen Grundwasser und Flusswasser ist bei hydraulisch verbundenen Fluss-Aquifer-Systemen eine Funktion der Differenz zwischen Pegelstand des Vorfluters und Grundwasserhöhe (SOPHOCLEOUS 2002: 56). Dies wird durch das Gesetz von DARCY ausgedrückt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Fließvorgänge sind damit eine Funktion von dem hydraulischen Gefälle und der hydraulischen Leitfähigkeit (SPRINGER 2006: 20). Dabei ist das Vorzeichen der Wasserstandsdifferenz bzw. Potenzialdifferenz ∆h für den Austausch entscheidend. Positive Differenzen bedeuten eine Grundwasserexfiltration in den Fluss und negative Unterschiede eine Infiltration ins Grundwasser (SOPHOCLEOUS 2002: 56).

Da Auen generell durch geringe Grundwasserflurabstände charakterisiert sind, können enge Wechselwirkungen zwischen Niederschlägen, Bodenwasserhaushalt und Grundwasser beobachtet werden. In Abhängigkeit von der Bodenfeuchte reagiert der Grundwasserstand schnell auf Niederschlagsereignisse, während hohe Verdunstungsraten zu einem kapillaren Aufstieg des Grundwassers führen (KREUTZIGER 2006). Die durch die Evapotranspiration herbeigeführte Absenkung des Wasserspiegels kann den hydraulischen Gradienten beeinflussen und somit die Interaktion bestimmen (WINTER 1999: 41). Die Interaktionen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser in der Aue können hingegen den vertikalen Veränderungen, wie z.B. Grundwasserneubildung in tiefer liegenden Aquiferen durch einsickerndes Niederschlagswasser oder einer Absenkung des Grundwasserspiegels durch Evapotranspiration, durch die schnelle Reaktion des Grundwassers aufgrund der Interaktionen mit dem Oberflächengewässer, auch entgegenwirken. Somit üben die Interaktionen eine auf den Wasserhaushalt ausgleichende und für Pflanzen eine entscheidende Funktion aus (KRAUSE 2005: 8f). Grundwassernahe Standorte weisen aufgrund der besseren Wasserversorgung der Pflanzen eine höhere Evapotranspiration auf als grundwasserferne Standorte (BAUER 2003: 8). Dies drückt sich beispielsweise in den Verdunstungskurven von MUNDEL (1982) aus, die aus Lysimeterversuchen in Paulinenaue/Westbrandenburg gewonnen wurden und zeigt eine weitere Konsequenz für den Wasser- und Stoffhaushalt in der Abnahme der tatsächlichen Verdunstung einer Fläche bei zunehmendem Grundwasserflurabstand (BAUER 2003: 8).

3 Untersuchungsstandort

Der Untersuchungsstandort befindet sich im Norden von Jena bei Jena-Löbstedt (50°55’ N, 11°35’ E, Höhe 138 m NN), in der Unteraue der Saale und erstreckt sich am Westufer auf einer Fläche von ca. 10 ha (Abb.4). Die Fläche wird von extensiv genutztem Dauergrünland und einem Entwässerungsgraben eines landwirtschaftlich genutzten Schlages im Norden, der Wiesenstraße im Westen, von Kleingärten und Grünlandflächen im Süden sowie im Osten durch die Saale begrenzt. Die ehemals ackerbaulich genutzte Fläche zeigt eine Aufteilung in Blöcke (1 bis 4) und deren Unterteilung in große und kleine Plots, die zu Forschungszwecken mit verschiedenen Pflanzengemeinschaften bepflanzt sind. Weiterhin ist sie durch ein relativ ebenes Relief mit Höhen zwischen 138 und 139 m NN charakterisiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Untersuchungsstandort im Sommer 2003 (Photo: J. BAADE)

Der Untersuchungsstandort befindet sich im mittleren Saaletal, welches oberhalb von Saalfeld mit dem Austritt des Flusses aus dem thüringischen Schiefergebirge beginnt und an der Talverengung bei Dornburg endet (MEYNEN ET AL. 1959).

Das Saaletal ist in diesem Abschnitt „markant in die umgebenden Hochflächen der Saale-Elster- Sandsteinplatte und der Ilm-Saale-Kalkplatte“ eingeschnitten (BAUER 1959: 731). Dabei erstreckt sich die Talaue in Jena auf einer Breite von 400-1100 m und zeichnet sich durch ein ebenes Relief aus, wobei die Morphologie nach SCHULTZE (1952: 44) als eine Rumpfflächenlandschaft interpretiert werden kann, „die sich in der Auflösung zu einem Schichtstufengebiet befindet“.

3.1 Naturräumliche Eingliederung

3.1.1 Geologie und Geomorphologie

Das Untersuchungsgebiet des Biodiversitätsprojektes befindet sich im Abschnitt des mittleren Saaletals. Das mittlere Saaletal ist überregional gesehen Bestandteil des Ostrandes des Thüringer Beckens LEPPER & HEINRICH (1999), das am Rand Gesteine des Zechsteins und Gesteine des Buntsandsteins und des Muschelkalks sowie Ablagerungen des Keupers aufweist (Abb.5). Hier handelt es sich um Sedimentgesteine, die während der Trias (vor 225 bis 195 Millionen Jahren) in marinem bzw. terrestrischem Milieu abgelagert wurden (SEIDEL 1995).

Abb.5: Geologische Karte von Jena und Umgebung (aus ORTLEPP 2004 nach SEIDEL 1993: 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die nächst jüngeren völlig kalkfreien Gesteine (gerundete Kiese, Quarzsande, Tone) wurden im Tertiär abgelagert und sind heutzutage, taschenartig in den Muschelkalkhochflächen eingelagert, beiderseits der Saale in 200-250 m über dem Saaleniveau (z.B. Jenzig, Gleisberg) vorzufinden (MÄGDEFRAU 1940). Am Fuß der Hänge zeigen sich Gesteine des Oberen Buntsandsteins. Die Einschneidung der Landoberfläche und die Bildung des mittleren Saaletals begann im letzten Abschnitt des Tertiärs, dem Pliozän, nach dem Rückzug des Meeres aus Mitteleuropa (MÄGDEFRAU 1940). Seit dieser Zeit ist diese Region Erosionsgebiet. Sedimente konnten sich nur kurzfristig oder in besonderen morphologischen Positionen bilden. Während des Quartärs wurden durch den raschen Wechsel glazialer und gemäßigter Klimabedingungen sehr differenzierte Ablagerungen gebildet. Die Zusammensetzung und der Aufbau der jüngeren Ablagerungen in Talauen sind auf den geologischen Aufbau des Einzugsgebietes, die Flussmorphologie und der Ablagerungsdynamik zurück zu führen. Dies spiegelt sich in der petrographischen und Schwermineralzusammensetzung der Flusssedimente wider. So wiesen UNGER & KAHLKE (1995: 202) im Mittellauf der Saale die Dominanz der Schiefergebirgsfazies nach, da sich die Flussschotter vorwiegend aus Quarz (>50%) und Gesteinen des „Restpaläozoikums“ zusammensetzen. Der Einfluss des Buntsandsteins spiegelt sich im Anteil der stabilen Schwerminerale (z. B. Turmalin, Zirkon) in den Flusssedimenten wider.

Beim Aufbau der älteren Talsedimente wird von der Ablagerung in Form von Terrassen ausgegangen. Auf Grund des Wechsels von Abtrag und Ablagerung durch das fließende Wasser im Talraum lassen sich an den Talrändern Sedimentterrassen erkennen, die jeweils einen bestimmten zeitlichen Abschnitt des Ablagerungsgeschehens repräsentieren. In der normalen Abfolge liegen die ältesten Terrassen auf den Talhängen im westlichen Bereich der Talaue (Hochterrassen), während die jüngeren Terrassen in den Niederungen zu finden sind (Niederterrassen). Die jüngeren Terrassen bilden die Basis des Untersuchungsstandortes und sind durch Kiese und Schotter der Saale geprägt, welche STEINMÜLLER (1971) als „weichselkaltzeitliche Niederterrasse“ einordnete. Je nach der Anzahl der Wechsel zwischen Sedimentation und Erosion können an den Talhängen mehrere Hochterrassen angetroffen werden.

Die Saale schotterte zu Beginn und Ende der Kaltzeiten ihr Flussbett mit dem Frostschutt des vegetationslosen Thüringer Schiefergebirges und der umgebenden Muschelkalkhänge auf (SEIDEL ET AL. 2000: 19). Der Fluss nutzte dabei ein verzweigtes Rinnensystem, das die gesamte Talbreite annahm. STEINMÜLLER 2002 spricht dabei von einem „braided-river“-System während der Weichselkaltzeit mit einer den Talboden übergreifenden Sedimentation von Schottern, welches die pleistozänen Kiesschichten an der Basis der Auensedimente belegen. Zu Beginn der Warmzeiten bei verringertem Sedimentangebot mäandrierte die Saale auf den Terrassen und räumte einen Teil der abgelagerten Schotter wieder aus. Vegetationsbedeckung der Flussaue und ein kontinuierliches Abflussregime ließen die Erosionsprozesse in den Klima-Optima weitgehend zum Erliegen kommen. Die Reste der kaltzeitlichen Schotterterrassen blieben deshalb an den Talhängen erhalten (SEIDEL ET AL. 2000: 19). Die Niederterrassen bauen sich entsprechend der geologischen Bildungsbedingungen in klassierter Form auf. Den zumeist gröberen Basisschottern folgen Kiese und Sande, die bei vollständiger Profilausbildung bis in den pelitischen Korngrößenbereich übergehen können (UNGER & KAHLKE 1995). Die Korngrößenabnahme liegt in der abnehmenden Schleppkraft der Flüsse begründet. Diese wiederum hat ihre Ursache zum einen in zurückgehenden Abflussmengen durch das sich zurückziehende Eis, zum anderen in dem Profilausgleich des Tals durch die Sedimentation und daraus folgender Gefälleabnahme.

Neben den treppenartig angeordneten pleistozänen Flussterrassen zählen Travertinbildungen, die Auensedimente und Lössvorkommen an E- und NE-exponierten Hängen zu den quartären Sedimenten (STEINMÜLLER 1995: 9) Die weichselkaltzeitliche Niederterrasse liegt in der heutigen Flussaue bis maximal 7 m unter Gelände und hat eine Mächtigkeit von 2-4 m (STEINMÜLLER 2002: 292, SEIDEL ET AL. 2000: 19). Die offenen Fliessrinnen auf der Terrasse wurden mit holozänen Sedimenten gefüllt. Diese Sedimentserien im mittleren Saaletals lassen sich nach STEINMÜLLER (1971) in zwei Hauptphasen untergliedern: (i) eine grobklastische Akkumulation (Ablagerung von Kiesen, Sanden) und (ii) eine feinklastische Akkumulation (Auelehmdeckschicht). Die Auelehmdeckschicht im Hangenden hat eine nivellierende Wirkung bezüglich des Reliefs und erreicht eine Mächtigkeit von maximal 3 m (UNGER & RAU 1967). Unter Auelehmen werden feinkörnige, meist kalkfreie, mäßig bis stark humose Hochwasserablagerungen von Flüssen und Bächen verstanden, die aus Feinsand, Schluff und Ton in wechselnden Anteilen zusammengesetzt sind. Dabei kann die Auelehmbildung als erste Form anthropogener Überprägung angesehen werden. Auf der Grundlage von Altersbestimmungen mittels¹⁴ C-Datierungen wird als Bildungsalter der Auensedimente das Mittelalter angegeben. Der mittelalterliche Landesausbau bzw. die flächenhafte Entwaldung des Einzugsgebietes und die Auelehmbildung konnten zeitlich nebeneinander ablaufen.

Beim mittleren Saaletal handelt es sich dem morphologischen Formentyp nach um ein „Breitsohltal mit Stufenhängen“ (SCHULTZE 1955: 280). Letztere sind auf die Härteunterschiede der anstehenden Gesteine und die Eintiefungsstadien der Saale zurück zu führen. Die Auenflächen befinden sich 250 m unterhalb des Hochflächenniveaus und variieren in ihrer Breite zwischen 400 und 1400 m (LEPPER & HEINRICH 1999: 7). Charakteristisch sind außerdem die Schwemmkegel, die sich von den Seitentälern aus in die Saaleaue ausbreiten, wie z. B. der Leutraschwemmfächer, auf dem sich das Stadtzentrum von Jena befindet (SCHULTZE 1955: 16). Aktuelle Morphodynamik in Form von Hangrutschungen ist auch an den Muschelkalkhängen, z.B. bei der Diebeskrippe zu beobachten.

3.1.2 Böden

Flussauen als taltiefste Geländeelemente entstehen durch die geologische Wirkung des fließenden Wassers, in dem Zusammenspiel von Erosion, Transport und fluviatiler Sedimentation. Sie sind der Teil des Flusstales, der innerhalb einer definierten Hochwasserlinie liegt und damit an den Flusslauf mit seiner Dynamik gebunden ist. „Unter Auen werden die aus holozänen fluviatilen Sedimenten aufgebauten Talsohlen von Flüssen und Bächen verstanden, soweit sie von Hochwässern überschwemmt werden können“ (MIEHLICH 2000: 3). Das Auftreten eines Bodentyps ist stark abhängig vom Ausgangsgestein. Tonböden (Pelosole) sind charakteristisch für den Rötsockel an der Steilstufe zum Unteren Muschelkalk. Auf den Stufen des Muschelkalks sind fast ausschließlich Rendzinen, Böden mit hoher Basensättigung, vorhanden (LEPPER & HEINRICH 1999: 30). Unter Wald, besonders im Buntsandstein, treten auch Fahlerden und Podsole auf. Charakteristisch für die Auen sind Lehm-Vegen, wobei sich auf feuchteren Standorten Gleye ausgebildet haben (RAU 1974: 974). Auenböden zeichnen sich im wesentlichen durch periodischen Wechsel von Sedimentationsphasen im Zuge von Überschwemmungen und bodengenetischen Prozessen in überflutungsfreien Phasen aus. Bei der Entwicklung der Aueböden spielt dabei die Überflutungshäufigkeit eine entscheidende Rolle. Höhere Überflutungshäufigkeiten im flussnahen Bereich, führen aufgrund der Unterbrechung der Bodenbildung durch Sedimentation oder Erosion, nur zur Ausbildung von Rohböden. Demzufolge liegt ein alluviales, geschichtetes Ausgangsgestein vor. Bei fortschreitender Bodenentwicklung aus fluviatilen Sedimenten kommt es zur Ausbildung der Bodenklassen Aueböden und Gleye, welche durch einen auetypischen Wasserhaushalt charakterisiert sind. Innerhalb der Aue kommt es zur Differenzierung der Korngrößen sowohl vertikal als auch horizontal. Die Korngrößenzusammensetzung des Auelehms ist dabei abhängig vom Substrat des Einzugsgebiets und von der Entfernung zum Flussbett. Während sich in Ufernähe grobe und mittelkörnige Sande ablagern, erfolgt die Sedimentation von feinkörnigen Material und Schwebstoffen in größerer Entfernung vom Fluss (STEINMÜLLER 1971:1117). So können drei Phasen unterschieden werden, die sich jeweils durch unterschiedliche Korngrößenzusammensetzungen auszeichnen. Durch fluviale Unterwassersedimentation werden Sande und Kiese akkumuliert; die telmatische Sedimentation im Wechselbereich Luft-Wasser führt zur Ablagerung von Sanden und Schluffen und die Hochflutlehmbildung (Auelehme) bestehen aus Schluff und Ton. Hochwässer führen dabei häufig zur Erosion ältere und Akkumulation jüngerer Auensedimente, als auch zur Akkumulation organischen Materials in Senken und Altarmen. Dadurch stellen Aueböden einen besonderen Standorttyp dar, der geprägt ist durch ein besonders heterogenes, kleinflächiges Bodenmosaik (KUNTZE ET AL. 1994: 309). Der typische Bodentyp im Auenbereich ist Kolluvisol, meist tonig-schluffige Böden, die in Abhängigkeit vom Grundwasserflurabstand als Lehm-Vegen, Gley-Vegen oder Ton-Gley angesprochen werden können (LEPPER & HEINRICH 1999). Aueböden werden durch starke Grundwasserschwankungen geprägt. Der durch das Grundwasser beeinflusste G-Horizont befindet sich bei den Auenböden zumeist unterhalb von 8 dm unter Geländeoberfläche (GOF). Bei Gleyen tritt der Grundwassereinfluss schon in den oberen Horizonten oberhalb von 4 dm unter GOF auf. Es bilden sich hydromorphe Horizonte aus. Daher ist bei Gleyen folgende Profilabfolge nachzuvollziehen: Ah/Go/Gr, wobei Ah den humosen Oberboden, Go den oxidierten und Gr den reduzierten grundwasserbeeinflussten Horizont darstellt (SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 2002: 507; WIECHMANN 2000: 23). Zumeist sind die Auengebiete anthropogen überprägt. Dies kann sich auf die Bodenentwicklung auswirken und somit auch in der Ausbildung der Horizonte äußern Der Untersuchungsstandort innerhalb der Saaleaue wurde durch die ackerbauliche Nutzung anthropogen überprägt und weisst durch das Pflügen des Oberbodens einen Ap-Horizont auf (AK BODENSYSTEMATIK 1998: 14). In Abbildung 6 ist ein Querschnitt durch das Saaletal bei Jena mit der Verbreitung der genannten charakteristischen Bodentypen dargestellt.

Aufgrund der Auencharakteristik des Untersuchungsstandortes kann der Bodentyp als Kolluvisol bezeichnet werden. In Abhängigkeit des Grundwasserstandes wird der Boden als Lehm-Vega angesprochen (ORTLEPP 2004).

Abb.6: Geländequerschnitt durch die Muschelkalk-Landschaft im Randplattenbereich des Thüringer Beckens bei Jena mit Saaletal (RAU 1974: 975)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1.3 Klima

Thüringen liegt im Übergangsbereich zwischen maritimen Küstenklima und Binnenklima. Die Gebirge von denen Thüringen umrahmt wird, wie der Harz, der Frankenwald, das Fichtelgebirge und das Erzgebirge, greifen mit ihren Stau- und Föhnerscheinungen modifizierend in das Wettergeschehen ein. Kleinräumige klimatische Unterschiede des Mittleren Saaletals sind das Ergebnis verschiedener räumlicher Gliederung und der topographischen Lage (LEPPER & HEINRICH 1999: 12). Dabei ist das mittlere Saaletal geprägt durch ein warmes Klima mit relativ milden Wintern und zeitigem Frühlingsbeginn und erweist sich als Gunstraum aufgrund der Windgeschütztheit (BAUER 1959: 732). Das Lokalklima des Untersuchungsgebietes wird stark von der Exposition und den geländeklimatischen Effekten beeinflusst, die sich zwischen Tal und Hang bzw. Hochfläche ergeben. Aufgrund der Reflexion der Strahlung an den kahlen Muschelkalkwänden und der windgeschützten Kessellage erreichen die Sommertemperaturen sehr hohe Werte. Im langjährigen Mittel (1961-1990) hat Jena 46 Sommertage (T ≥ 25°C), darunter 10 Tropentage (T ≥ 30°C). Die Wintermonate sind fast ozeanisch mild, so dass Jena insgesamt das mildeste Klima aller Stationen in Thüringen besitzt. Das 30-jährige Mittel der Lufttemperaturen liegt bei 9,3°C und der jährlichen Niederschlagshöhe bei 587 mm (Tab.3, S.37, KLUGE & MÜLLER-WESTERMEIER 2000). Aufgrund der topographischen Lage kommt es zu kleinsträumigen Differenzierungen der Jahresmitteltemperatur und der Niederschlagsmengen. So fallen in den Talsenken, durch örtliche Lee - Effekte, bis zu 100 mm/a weniger Niederschlag als auf den Hochflächen. Auf den etwa 200 bis 250 m höher gelegenen Hochflächen, wo Luftbewegungen und Baumbewuchs die Temperaturen mildern, ist die Jahresmitteltemperatur bis 1,5 °C niedriger. Absolute Tiefsttemperaturen treten im Winter jedoch in der Saaleaue auf. So können die Temperaturen im Winter an den oberen Hangflächen bis zu 10 °C höher sein als im Saaletal (LEPPER & HEINRICH 1999: 13).

3.1.4 Hydrologie

Die Saale entspringt im Fichtelgebirge nahe des Ortes Zell und mündet nach einer Länge von 427 km und einem Gesamtgefälle von 734m bei Barby in die Elbe. Sie besitzt ein Einzugsgebiet von ca. 23770 km². Die Saale ist das dominierende Gewässer im Bereich von Jena und durchquert auf einer Gesamtlänge von 15 km von Süd nach Nord das Stadtgebiet (KREUTZIGER 2006: 22). Der Fluss weist ein nivo-pluviales Abflussregime mit einem Maximum der Wasserführung im März/April und Minimum im August/September auf. Seit der Inbetriebnahme der oberstromig liegenden großen Saaletalsperren, Bleiloch (1932) und Hohenwarthe (1941), wird die Dynamik des Flusses stark reguliert: Hochwasserspitzen werden gekappt bzw. es erfolgt eine Niedrigwassererhöhung. Im Einzugsgebiet der Saale können trotz der Speicheranlagen Hochwässer nicht immer verhindert werden. Ausgelöst durch plötzlich einsetzende intensive Schneeschmelze verbunden mit ergiebigen Dauerregen sowie durch an Gewitterfronten gebundene Starkregenereignisse in den Sommermonaten erreicht der Saalepegel die Hochwasserwarnstufen. Erhebliche Schäden der Uferbereiche sowie der natürlichen Retentionsflächen sind bedingt durch eine zunehmende Besiedlung und der landwirtschaftlichen Nutzung der Überflutungsflächen.

Im Mittel liegt der Durchfluss zwischen den beiden Pegelmessstellen Rothenstein (ca. 10 km flussauf) und Camburg-Stöben (ca. 20 km flussab) bei ca. 30 m³/s und der Normalpegel in Rothenstein beträgt 1,51 m (TLUG Jena). Die dem Vorfluter zufliessenden Gembdenbach, Ammerbach, Steinbach, Roda, Pennickenbach sowie beide Leutrabäche im Gebiet von Jena zeigen sich für die morphologische Gestaltung der Seitentäler verantwortlich (LEPPER & HEINRICH 1999: 67ff.). Im Muschelkalk und im Gipsröt sind Karstsysteme entwickelt. Der Grenzbereich zwischen Oberem Buntsandstein und Unterem Muschelkalk bildet einen regionalen Quellhorizont, da hier über den Tonschichten des Röt das im Kalk versinkernde Wasser austritt. Grundwasserleiter existieren zudem im Unteren und Mittleren Buntsandstein sowie in den Kiesen der Talfüllungen (SEIDEL 1996: 30ff.).

3.1.5 Hydrogeologische Situation

Als Flussauen werden räumlich jene Talzonen bezeichnet, die sich innerhalb des Einflussbereiches von Hochwasser liegen. Sie sind Ökosysteme höheren Ranges, die aus dem Fliessgewässersystem und den angrenzenden hochflut-beeinflussten Teillebensräumen bestehen (GEPP 1986). In Talauen mit einem guten hydraulischen Kontakt zwischen Gewässer und Grundwasser können selbst kurzzeitige Hochwasserereignisse die Grundwasserstände in der Aue verändern. Die Grundwasserströmung in Flussauen wird von zwei Faktoren beeinflusst, die sich gegenseitig überlagern. Einerseits zeigt sich die Dynamik des Vorfluters als wesentlicher Faktor, andererseits die Dynamik des unterirdisch in den Talraum zuströmenden Grundwassers (SOMMER ET AL. 2000: 139). Auengebiete sind aus hydrogeologischer Sicht als Entlastungsgebiete zu betrachten. Abbildung 7 zeigt, dass diese Funktion des Einzugsgebietes durch einen aufwärts gerichteten Grundwasserstrom gekennzeichnet ist und mit dem Speisungs- und Transitgebiet den hydrologischen Bilanzraum bildet.

Abb.7: Schematische Darstellung von Strom- und Potentiallinien des Grundwassers in einem Flusstal (SOMMER 2000: 29)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auenbereiche sind im wesentlichen durch zwei entgegengesetzte Fliesswege des Grundwassers gekennzeichnet. Der durch die Entlastungsfunktion in Auen bis zur Grundwasseroberfläche sowie durch kapillaren Aufstieg vertikal aufwärts gerichtete Grundwasserstrom als eine Komponente und der von der Geländeoberkante bis zum Kapillarsaum abwärts gerichtete Wasserfluss sind für Talauen charakteristisch (SOMMER 2000: 28).

Die grundwasserführenden Schichten im Saaletal bei Jena sind zum einen der quartäre Kies- und Schotterkörper, mit einer Mächtigkeit von ca. 1,7-3,5 m sowie die Buntsandsteinformation (HOPPE 1952). Die Tiefenlage der grundwasserführenden Kiesschicht schwankt dabei zwischen 2,3 m und 4 m (ORTLEPP 2004). Sedimentologische Untersuchungen von ORTLEPP 2004 am Untersuchungsstandort haben gezeigt, dass die Mächtigkeit der Auelehmdeckschicht zwischen 1,5 und 2,6 m variiert. Die Basis der weichselkaltzeitlichen Niederterrasse befindet sich in ca. 6 m Tiefe und lagert direkt auf den Oberen Buntsandstein. Abbildung 8 zeigt einen geologischen Schnitt durch den quartären Untergrund des Untersuchungsstandortes und kann als repräsentative Schichtenfolge für das mittlere Saaletal angewendet werden. Das Profil verläuft am südlichen Rand des Geländes von W nach E.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.8: Geologisches Profil des quartären Untergrundes (verändert aus KREUTZIGER 2006: 20 nach GÖTZE 1985)

Die Hauptversorgungsbasis mit Trinkwasser für Jena bilden heute die ergiebigen Wasservorräte v.a. aus dem Unteren und Mittleren Buntsandstein. Sie besitzen eine gute Wasserqualität und unterliegen nur geringen jahreszeitlichen Schwankungen.

Die Grundwasservorräte des Kies- und Schotterkörpers wurden noch bis in die 40er Jahre zur Trinkwasserversorgung genutzt. Jedoch wurde die Nutzung aufgrund der geringen Ergiebigkeit und der Gefahr, in trockenen Zeiten uferfiltriertes Flusswasser zu erhalten, eingestellt (LEPPER & HEINRICH 1999). Die hydrogeologische Situation des Untersuchungsstandortes ist durch ungespannte Grundwasserverhältnisse gekennzeichnet. Wasserundurchlässige Schichten (Aquicluden), wie z.B. flächenhafte Tonüberdeckungen, wurden nach ORTLEPP (2004) nicht nachgewiesen. Auch Wechsel von ungespannten, halbgespannten und gespannten Verhältnisse aufgrund der räumlichen Variabilität des Auelehms wurden nicht bestätigt. Einen detaillierten Überblick über die sedimentologische Situation des Untersuchungsgebietes liefert die Arbeit von ORTLEPP (2004).

Die Grundwasserspeisung des quartären Grundwasserleiters erfolgt durch Zuflüsse von Nebenbächen (Steinbach, Gembdenbach) sowie im wesentlichen aus dem angrenzenden Festgestein des Muschelkalks. Mit einer Grundwasserneubildungsrate in der Saaleaue von 126 mm/a wird der Grundwasserspeisung aus Niederschlägen eine geringe Bedeutung zugesprochen (GÖTZE 1985). Größtenteils fließt das Grundwasser der Saale breitflächig zu, stellenweise auch senkrecht zur Saale.

3.2 Das Experimentelle Design des Jenaer Experiments

Alle Untersuchungen und Probenahmen wurden auf der Versuchsfläche des so genannten „Jena - Experimentes“ durchgeführt, einem Biodiversitätsexperiment (BioDiv), das im Frühjahr 2002 begonnen wurde. Effekte der Biodiversität auf Elementkreisläufe und Wechselwirkungen der pflanzlichen Artenvielfalt mit Bodenfauna und Herbivoren stehen im Mittelpunkt des Experimentes (ROSCHER ET AL. 2003: 107). So untersucht STEINBEIß (2006) den Einfluss der Biodiversität von Pflanzen auf die Speicherung von Kohlenstoff in Böden und auf den Austrag von gelöstem organischem Kohlenstoff (STEINBEIß 2006).

Der Boden der Fläche ist klassifiziert als Eutric Fluvisol (FAO, 1998). Er ist aus bis zu 2 m dicken lehmigen Flusssedimenten aufgebaut und beinhaltet nur wenige Gerölle. Aufgrund der fluvialen Dynamik des Vorfluters variiert die Textur von sandigem Lehm in der Nähe der Saale bis zum schluffigen Ton mit größerer Entfernung zur Saale. Diese systematische Variation in der Bodentextur wird im experimentellen Design aufgenommen, indem die Versuchsflächen in vier parallel zur Saale laufenden Blocks eingeteilt sind, welche durch homogene Bodentexturen gekennzeichnet sind (ORTLEPP 2004).

Die letzten 40 Jahre wurde das Feld intensiv landwirtschaftlich genutzt, bis zu einer Tiefe von etwa 30 cm gepflügt und regelmäßig Dünger aufgebracht (KREUTZIGER 2006).

Das Hauptexperiment wurde auf 92 Versuchsparzellen (Abb.9), von je 20 x 20 m, im Frühjahr 2002 eingerichtet.

Abb.9: Experimentelles Design - Ausrichtung und Bezeichnung der Plots und Blöcke,

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Farbliche Differenzierung der Plots in Abhängigkeit von der Artenanzahl (KREUTZIGER 2006: 24)

Zum Erhalt des Biodiversitätsgradienten werden die Parzellen 2x jährlich jeweils im April und im Juli gejätet. Die Bewirtschaftung erfolgt gemäß extensiv genutztem Grünland mit 2-maliger Mahd im Jahr und bisher ohne Düngung.

Ausgehend von einem 60 typische Pflanzenarten umfassenden Artenpool wurden auf diesen Flächen zufällig verschieden diverse Artenmischungen angesät. Dabei wurde ein Artenverlust in 6 Stufen simuliert (60, 16, 8, 4, 2, 1 Pflanzen) sowie die Anzahl an funktionellen Gruppen variiert (KREUTZIGER 2006: 24). Dabei sollten auch experimentelle Effekte der Bodenheterogenität betrachtet werden. Die objektiven Kriterien für die Zuordnung der Einzelarten in funktionelle Gruppen waren morphologische (z.B. Wuchshöhe, Wurzeltiefe, Fähigkeit zur vegetativen Reproduktion), phänologische (z.B. Blütezeit, Laublebensdauer) sowie das physiologische Merkmal von Arten Stickstoff zu fixieren (ROSCHER ET AL. 2003). Die 60 Arten wurden somit in vier funktionelle Gruppen unterteilt: Gräser (16 Arten), Kräuter mit niedrigem Wuchs (12 Arten), Kräuter mit höherem Wuchs (20 Arten) und Leguminosen (12 Arten).

In genesteten Teilflächen, auf einem Randstreifen von 5 m der großen Plots, erfolgte die Installation von projektspezifischen Teilversuchen. Weiterhin wurden ca. 400 kleine Versuchsflächen (3,5 x 3,5 m) angelegt, um spezifische Hypothesen zu überprüfen. Innerhalb des Jena - Experimentes werden Zusammenhänge zwischen Pflanzendiversität und Ökosystemprozessen untersucht. Ziel ist es, anhand des Modellökosystems Grünland die Konsequenzen des Verlustes von biologischer Vielfalt für Ökosystemfunktionen zu analysieren und zu einem besseren Verständnis der funktionellen Bedeutung der Artenvielfalt zu gelangen (ROSCHER ET AL. 2003). Schwerpunkt liegt dabei auf den Stoffkreisläufen (Kohlenstoff + Wasser)als wesentliche Merkmale und Regulatoren eines Ökosystems sowie auf den Interaktionen zwischen den Nahrungsebenen. Detaillierte Übersichten über das BioDiv - Experiment geben ROSCHER ET AL. (2003) sowie KREUTZIGER (2006).

4 Material und Methoden

Die Erfassung hydrologischer Charakteristika und ihres räumlichen Bezuges bedingt ein entsprechendes Messkonzept. Oberste Priorität hat Registrierung der Grundwasserstände, die in Abhängigkeit von der Entfernung zum Flussufer entweder Auskunft über die Wirkung einer potentiellen Kolmationsschicht bei Mittel- und Niedrigwasserverhältnissen gibt oder aber die radiale Ausdehnung der “Hochwasserwelle im Grundwasserleiter” dokumentiert. Eng damit verbunden ist die Erfassung der Flusswasserstände. Abschließend stellt die Vermessung (Höhe und Lage) aller Messpunkte sowie auch der Geländeoberfläche eine unumgängliche Grundlage für die Darstellung und raumbezogene Analyse der stattfindenden Prozesse dar. Zur Untersuchung der zeitlichen und räumlichen Variabilität des Grundwasserstandes wurden im Bereich des Untersuchungsstandortes vorhandene Grundwassermessstellen sowie neuerrichtete Messstellen verwendet. Um detailliertere Informationen zu den Eigenschaften der Sedimente und der hydrochemischen Charakteristik des Grund- und Bodenwassers zu gewinnen, sind Laboranalysen herangezogen worden.

4.1 Datenerfassung im Gelände

4.1.1 Grundwassermessstellen

Auen stellen Interaktionsräume zwischen den ansonsten oftmals entkoppelten Systemen Grundwasser und Oberflächengewässer dar. Das Grundwasser unterliegt daher einer hohen zeitlichen und räumlichen Variabilität. Um diese zu erfassen, wurde ein Messnetz bestehend aus 18 Grundwassermessstellen (GWM) betrieben (KREUTZIGER 2006). Für weiterführende hydrologische und ökologische Fragestellungen, wie z.B. welchen Einfluss die Biodiversität der Standorte auf die zeitlichen und räumlichen Grundwasserschwankungen hat, wurde das Messstellenkonzept auf dem Gelände im Juni 2006 erweitert. Neben den bereits vorhandenen 18 Messstellen wurden 20 weitere Grundwasserrohre installiert. Dazu wurden Schlitz- und Vollrohre (DN50, je 1 m lang) aus PVC verwendet. Die Einbautiefe der eingebrachten Rohre variiert zwischen 1,6 m (Hochwasserpegel) und 3,6 m. Die tiefer ausgebauten Grundwassermessstellen erfassen somit die grundwasserführende Schicht der holozänen Kiese und Sande. Die bei der Installation geteuften Sedimentkerne wurden im Gelände bodenkundlich beschrieben und für weitere Analysen im Labor aufbewahrt.

Die Standorte der GWM bilden näherungsweise Transekten und verlaufen von SW nach NE, wobei sich die Anordnungen in ihrer räumlichen Auflösung unterscheiden (Abb.10; S.27). Transekt 1 verläuft innerhalb des Geländes von SW nach NE und weißt eine höhere räumliche Auflösung als Transekt 2 auf, da zumeist 2 GWM einen Plot hinsichtlich des Grundwasserstandes beschreiben. Für eine höchstmögliche zeitliche Auflösung der Grundwasserschwankungen wurden einige GWM am 20.10.2006 mit Dataloggern ausgestattet. Aufgrund der begrenzten Anzahl an Dataloggern wurde Transekt 1 mit insgesamt 9 und Transekt 2 mit 3 Drucksonden ausgestattet. Transekt 1 beinhaltet die mit Drucksonden ausgestatteten GWM B3A13W (Block, Plot, Himmelsrichtung), B3A13E, B3A02W, B2A13W, B2A03W, B2A03E, B1A14W, B1A14E und B1A04E. Die genau Position der GWM ist vergrößert in Abb.10.1 (S.28) dargestellt. Transekt 2 wird nur durch 3 GMS repräsentiert: B4A05, B4A02 und B2A16. Somit liefern die Sonden zumindest auf Transekt 1 repräsentative Ergebnisse, wohingegen Transekt 2 aufgrund der geringeren Messausstattung nur Anhaltspunkte zur räumlichen Interpretation der Grundwasserstände liefern kann. Dahingehend wird sich die Bearbeitung, Darstellung und Interpretation der Grundwasserschwankungen, aufgrund der höheren zeitlichen und räumlichen Auflösung, vorwiegend auf Transekt 1 konzentrieren.

Abb.10: Messnetz - Lage der Grundwassermessstellen auf dem Untersuchungsgebiet

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.10.1: Bezeichnung der Grundwassermessstellen auf dem Untersuchungsgebiet

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Der Untersuchungszeitraum der Grundwasserschwankungen verlief vom 20.10.2006 bis zum 30.04.2007, wobei jede Drucksonde einem Messintervall von 15 Minuten folgte.

Drucksonden ermitteln den Wasserstand aus dem Produkt der Höhe der Wassersäule über dem Sensor und der Dichte des Wassers (DVWK 1994). Zusätzlich wird mit Hilfe einer dünnen Kapillare, der Luftdruck von der Oberfläche zum Sensor übertragen und automatisch kompensiert. Grundsätzlich bestehen die Drucksonden aus einem Sensorelement, einer Signalverarbeitungseinheit und einem Gehäuse (Abb.11; S.29).

Abb.11: Prinzipskizze einer Drucksonde (DVWK 1994: 143)

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Differenz-Drucksonden messen die Druckdifferenz zwischen Gesamtdruck in der Einhängtiefe abzüglich des auflastenden atmosphärischen Drucks durch Deformation eines piezometrischen Messwertgebers. Die Differenzbildung erfolgt intern durch Anlegen des atmosphärischen Drucks als Gegendruck über einen Druckausgleichsschlauch vom Messstellenkopf zur Messsonde. Der Messwert entspricht damit der Höhe der Wassersäule (GILLBRICHT 1999: 24). Die Umrechnung in die äquivalente Wasserstandsänderung erfolgt innerhalb der Signalverarbeitungseinheit. Um den vollständigen Schwankungsbereich des Grundwassers zu erfassen, ist beim Einbau der Geräte in eine Messstelle auf die richtige Kabellänge zu achten. Diese Kabellänge wird als Abstich von der Geländeoberkante in die Auslesesoftware eingegeben.

4.1.2 Regionalisierung mit Kriging-Verfahren

Die nachfolgenden flächenhaften Darstellungen wurden aus den Punktdaten der GWM mittels des Kriging - Verfahrens gewonnen, um Regionalisierungen der Parameter darzustellen. Der Begriff Regionalisierung wird hier als Sammelbegriff für Methoden verwendet, die dazu dienen, eindimensionale Daten in die Fläche zu übertragen. Er ist vergleichbar dem "surface modelling" (Flächenmodellierung), welches definiert ist als Prozess der Konvertierung von Punktdaten zu Datenstrukturen, die zusammenhängende Flächen repräsentieren (SCHAFMEISTER 1997: 28). Um die vorhandenen eindimensionalen Messwerte in Kartenform darzustellen, wurde das Ordinary Kriging (gewöhnliches Kriging) verwendet, da es gegenüber anderen Interpolationsverfahren über folgende Vorteile verfügt:

- Kriging liefert den "besten" Schätzwert (B.L.U.E. = Best Linear Unbiased Estimator)
- Kriging bezieht in Form des Variogramms die räumliche Struktur der Variablen in die Schätzung mit ein.
- Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse wird für jeden Schätzpunkt in Form des Krigingfehlers (Fehlervarianz) angegeben.

Bei Kriging-Verfahren handelt es sich um lineare Regressions-Algorithmen, die nach der Methoden der kleinsten Quadratsummen arbeiten (SCHAFMEISTER 1997: 29).

4.1.3 Nivellement der Messpunkte

Für eine raumbezogene Analyse der Grundwasserschwankungen ist die Kenntnis der Messstellenposition unabdingbar. Die Grundwassermessstellen wurden im lokalen Koordinatensystem mittels des differenziellen Global Positioning System (DGPS) ProMark 3 der Firma Thales nach Höhe über Normalnull (mNN) eingemessen (Tab.1, S.31), so dass zum einen der Grundwasserflurabstand (Distanz zwischen GOK und Grundwasseroberfläche) und zum anderen der niveaubezogene Grundwasserstand, der für die Konstruktion eines Grundwassergleichenplans benötigt wird, erfasst werden konnte. Zum Einsatz kam dabei ein GPS, dass für Präzisionsvermessungen geeignet ist, welches mit einer Basisstation und einem mobilen Gerät (Rover) arbeitet.

Die Basisstation wurde auf einem trigonometrischen Punkt (TP Nr. 1048112020; RW 4473621,689, HW 5646154,477, Höhe 139,1m) aufgestellt und als Bezugspunkt verwendet (BAADE 2001). Mit dem Rover wurden von dem Basisgerät ausgehend die Geländeoberkante an den Grundwasserrohren sowie die Grundwasserrohroberkante im Modus Stop-and-Go aufgenommen. Dabei wurde an jedem Messpunkt eine 20 Minuten dauernde Messphase durchgeführt. Das Gerät arbeitet in diesem Modus mit einer vertikalen Genauigkeit von 1,5 cm + 2,5 mm (ProMark3, Thales Navigation 2002). Zur Überprüfung dieser Genauigkeit wurde die Höhe von der Geländeoberkante bis zur Grundwasserrohroberkante mit der manuell mit dem Zollstock gemessenen Höhe verglichen.

Abweichende Messunterschiede wurden durch Wiederholungsmessungen korrigiert. Nach dem GPS-Post-Processing mit dem Softwarepaket Ashtech Solutions wurden die aufgenommenen Höhendaten weiterverarbeitet und für die Kartenerstellung sowie zur Berechnung der Grundwasserspiegelstände in m ü. NN verwendet.

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