Durch den Klimawandel wird auch für das wasserreiche Deutschland die Frage wichtig, wie wir mehr Wasser in der Landschaft zurückhalten können. Dabei sind unsere Böden der zentrale Teil des Wasserhaushalts der Landschaften. Um nachhaltige Strategien zu entwickeln, ist es entscheidend, die Wassermenge zu quantifizieren, die den durchwurzelten Bodenbereich nach unten verlässt. Wir bezeichnen dies als Sickerwasserrate
Das gebildete Sickerwasser füllt den Grundwasserspeicher auf oder verlässt die Sickerzone als Zwischenabfluss. Grundwasser ist die wichtigste Ressource für die Trinkwasserversorgung in Deutschland mit einem Anteil von über 70%.
Um zu verstehen, wieviel Wasser den Boden verlässt, reicht es nicht aus, die Prozesse im Boden zu berücksichtigen. Entscheidend ist eine integrierte Betrachtung des gesamten Systems aus Atmosphäre-Pflanze-Boden-Grundwasser, der sogenannten kritische Zone (siehe Abb 1). Daher wird im Folgenden auf die wichtigsten Prozesse bei der Bildung von Sickerwasser eingegangen.
Die Niederschlagsmenge, die nach Abzug der Interzeption und des Oberflächenabflusses in den Boden infiltriert, steht zunächst für die Versorgung der Pflanzen zur Verfügung. Die Wassermenge die durch die Wurzeln aufgenommen und über die Blätter verdunstet wird (Pflanzenverdunstung = Transpiration), sowie die Menge, die direkt an der Bodenoberfläche verdunstet (Bodenverdunstung = Evaporation), kann nicht den Wurzelraum nach unten verlassen. Überschreitet der Wassergehalt des Bodens die Feldkapazität – also die Menge an Wasser, die der Boden gegen die Schwerkraft halten kann – setzt die Sickerwasserbildung ein. Das infiltrierte Wasser folgt der Schwerkraft nach unten. Wenn es den Wurzelraum verlässt und somit nicht mehr von den Pflanzen aufgenommen werden kann, trägt es auf diese Weise zur Grundwasserneubildung bei oder fließt als Zwischenabfluss ab.
Das Sickerwasser bestimmt auch die Verlagerung und Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen aus dem Boden ins Grundwasser und in Oberflächengewässer. Deshalb ist die Sickerwasserrate besonders auch für qualitative Aspekte des Gewässerschutzes eine wichtige Größe.
Die Sickerwasserrate lässt sich für einzelne lokale Standorte oder auch mittelgroße Gebiete mittels numerischer Simulation berechnen. Für eine deutschlandweite Berechnung haben sich jedoch vereinfachte Berechnungsverfahren bewährt, da numerische Simulationen auf diesem Maßstab sehr rechenintensiv sind. An der BGR wurde unter Mitwirkung der Technischen Universität Berlin (TUB) dazu das TUB-BGR-Verfahren (WESSOLEK et al. 2004) entwickelt, eine Weiterentwicklung des Verfahrens nach RENGER & WESSOLEK (1990). Gegenüber vorherigen Ansätzen hat das TUB-BGR-Verfahren eine bundesweite Gültigkeit, besonders auch für Klimaregionen mit höheren Niederschlägen bzw. höherer potentieller Verdunstung des Bodens und der Pflanze (potentielle Evapotranspiration), für stärker geneigte Flächen mit signifikantem Oberflächenabfluss bei ackerbaulicher Nutzung und für grundwassernahe Böden durch bessere Berücksichtigung der kapillaren Nachlieferung aus dem Grundwasser. An Stelle der Haude-Verdunstung wurde darüber hinaus die bundesweit einheitliche FAO-Gras-Referenzverdunstung in das Verfahren integriert.
Die acht Regressionsgleichungen berechnen die Sickerwasserraten für die vier Landnutzungsklassen Ackerland, Grünland, Laub- und Nadelwald jeweils für grundwassernahe sowie grundwasserferne Standortbedingungen. Als Eingangsparameter werden die Nutzungsart, die mittlere korrigierte Niederschlagshöhe jeweils des Jahres und des Sommerhalbjahres, die mittlere jährliche potentielle Evapotranspiration, die effektive Durchwurzelungstiefe, die nutzbare Feldkapazität und der mittlere Grundwassertiefstand verwendet. Die Berechnungsvorschriften sind im Methoden-Wiki als Verknüpfungsregel 4.12 aufgeführt.
Das Verfahren verfolgt den Ansatz, dass das Verhältnis von realer Evapotranspiration zur potentiell möglichen Evapotranspiration abhängig von der Menge der pflanzenverfügbaren Wassermenge im Sommerhalbjahr ist. Außerdem definiert ein Schwellenwert die so genannte „kritische Wasserversorgung“. Unterhalb dieses Wertes ist die tatsächliche Verdunstung vornehmlich vom Wasserdargebot abhängig (.
Zur Überprüfung des TUB-BGR-Verfahrens wurde für 106 Einzugsgebiete unterschiedlicher Größe, Landnutzung, Bodeneigenschaften sowie geomorphologischer und klimatischer Bedingungen die einzugsgebietsgemittelte Sickerwasserrate zuzüglich Oberflächenabfluss mit den am entsprechenden Kontrollpegel gemessenen Abflüssen verglichen. Im Durchschnitt lagen die gemessenen Werte ca. 8% unter den berechneten Werten. Dies kann zum Teil auf anthropogene Tätigkeiten (z. B. Grundwasserentnahme für Trinkwasser und Beregnung) zurückgeführt werden. Die Regressionsgleichungen des TUB-BGR-Verfahrens sind mit Klimadaten entwickelt und geben daher die Sickerwasserrate eines durchschnittlichen Jahres wieder. Da die Zusammenhänge bei einzelnen Witterungsereignissen davon abweichen können, sollten die Gleichungen nicht zur Berechnung der Sickerwassermenge in kürzeren Zeiträume genutzt werden. Zudem berücksichtigt das TUB-BGR-Verfahren die Interaktionen der Prozesse im Wasserhaushalt unter den bisherigen Klimabedingungen in Mitteleuropa. Für Prognosezwecke unter veränderten Klimabedingungen oder der Übertragung auf andere Regionen der Erde sind die Regressionsgleichungen kritisch zu prüfen und gegebenenfalls anzupassen.
Literatur
- DUIJNISVELD, W.H.M, HENNINGS, V., STOLZ, W.; MARTIN, N, RICHTER, A. & J. BEHRENS (2003) Mittlere jährliche Sickerwasserrate aus dem Boden.- In: BMU (herg. 2003): Hydrologischer Atlas von Deutschland, 3. Lfg.; Freiburg i. Br.
- Bodenatlas, Kapitel Wasser