GeoZentrum NordbayernBestimmung der Wasserhaushaltsgröße Verdunstung

aus hydrogeologischer Sicht

von Alfons Baier


Kurzzusammenfassung und Ausblick

In dieser Arbeit werden die wechselseitigen Beziehungen der beiden Themenbereiche "oberflächennahe Rohstoffe" und "Grundwasserhaushalt" behandelt. Diese beiden Bereiche sind durch die Verknüpfung der Rohstoffsicherung auf der einen Seite und des Umweltaspekts der Grundwassersicherung andererseits untrennbar miteinander verknüpft. Der Abbau der -- volkswirtschaftlich äußerst wichtigen -- oberflächennahen Rohstoffe Sand und Kies steht den -- überwiegend noch unzureichend geklärten -- Problemen des Wasserhaushalts, die sich bei einem Naßabbau durch die Neuerschaffung eines Gewässers ergeben, gegenüber. Dieses ergibt sich zum einen aus der Tatsache, daß der größte Teil des für die menschliche Nutzung bestimmten Grundwassers aus den unverfestigten Gesteinsaquiferen -- in der Hauptsache quartäre Sande und Kiese -- kommt. Andererseits bedingt der Abbau von oberflächennahen Rohstoffen, wie sie die in der Bundesrepublik Deutschland überall und in großen Mengen benötigten Sande und Kiese darstellen, meistens eine Ausbeutung der Lagerstätten bis in das Grundwasser. Das Grundwasser wird durch den Abbau also freigelegt und bleibt somit während der Lagerstättenausbeutung -- meistens auch nach der Abbautätigkeit in Form eines Baggersees -- den Einflüssen der Atmosphärilien, dem Eintrag organischer Stoffe und den Einwirkungen von Niederschlägen und Wasserverdunstung unmittelbar ausgesetzt. Diese Einwirkungen sind jedoch nicht nur auf den Baggersee selbst beschränkt. Zwischen diesem neugeschaffenen See und dem umliegenden Grundwasserkörper besteht im allgemeinen ein Wasseraustausch in der Form, daß der See vom Grundwasser horizontal durchströmt wird. Somit wirken sich die oben angeführten Beeinflussungen auch auf den unterirdischen Grundwasserkörper in der Umgebung des Sees aus.

Diese Problematik des Grundwasserschutzes fand seit 1989 ihren Niederschlag in der Gesetzgebung. Durch das Raumordnungsgesetz unterliegen Naßabbaue mit verbleibender Wasserfläche einer Umweltverträglichkeitsprüfung, durch welche eine ökologische Wirkungsanalyse und -prognose in gutachterlicher Form gefordert wird. Die hier eingehende Abschätzung der Seeverdunstung (potentielle Evaporation) erfolgt heute in der Regel lediglich durch Berechnungsverfahren, bei welchen eine mehr oder weniger große Anzahl klimatischer und physikalischer Meßgrößen zur quantitativen Bestimmung der Verdunstungsraten herangezogen wird. Diese Meßwerte sollten eigentlich am zum begutachtenden Ort gewonnen werden, werden jedoch oftmals durch Interpolation von Werten benachbarter Klimameßstationen festgelegt.

Bei den Verdunstungsformeln existiert eine große Anzahl unterschiedlicher Verfahrenswege, welche -- wie im Rahmen dieser Untersuchungen aufgezeigt wurde -- auch eine ebenso große Anzahl unterschiedlicher Ergebnisse liefert, durch die sich völlig widersprechende Beurteilungen des Wasserentzugs durch Verdunstung möglich werden. Für die vom Verfasser beobachtete Meßperiode reichte diese "Bandbreite" an -- durch verschiedene Verdunstungsformeln ermittelten -- Wasserbilanzergebnissen von der Interpretationsmöglichkeit, daß eine Wasserfläche als Grundwasserneubildner fungiere bis hin zu der (theoretischen) Feststellung, daß sie als Grundwasserzehrer anzusehen sei.

Die Anzahl der Verdunstungsformeln, mit denen der Wasserverbrauch von Pflanzen mit gutem Grundwasseranschluß (potentielle Evapotranspiration) bestimmt werden soll, ist im Vergleich zu jenen der Wasserverdunstung wesentlich kleiner. Jedoch ergaben sich auch hier bei den Berechnungen stark unterschiedliche Ergebnisse, durch welche -- beispielsweise bei der Grasverdunstung -- für das Beobachtungsjahr sowohl beachtliche Grundwasseranreicherung als auch starke Grundwasserzehrung errechnet werden konnten.

In der Bundesrepublik Deutschland werden in zunehmenden Maße zur Verdunstungsbestimmung mathematische Modellrechnungen als Beweisführung angewandt, ohne daß diese -- zumindest stichprobenartig -- empirisch geprüft werden. Der einzige Vorteil der Verdunstungsberechnungen liegt in einer schnellen (da computerunterstützten) und durch wenig Aufwand gekennzeichneten Vorgehensweise, ohne daß jedoch etwas über deren Richtigkeit ausgesagt wird. Völlig unverständlich wird dieser Verfahrensweg, wenn selbst bei der einfachen Formel nach HAUDE (1948, 1952, 1954, 1955) die zur Berechnung nötigen Daten von Lufttemperatur und -feuchte nicht am zu untersuchenden Ort gemessen werden, sondern durch Interpolation der Daten von "benachbarten", in praxi jedoch oftmals weit entfernten Klimastationen zu bestimmen versucht werden. Für diese Verfahrensweise braucht eigentlich kein chaotisches Wirkungsprinzip mehr zur Erklärung unterschiedlicher Wasserhaushaltsmodelle herangezogen werden; sie führt sich per se ad absurdum.

Zur empirischen Klärung dieser Problematik wurden in einer Verdunstungsmeßstation die Evaporations- und Evapotranspirationsraten von Wasser, von den emersen Hydrophyten Typha latifolia und Phragmites communís, von feuchten Sandboden und von Gras mit hochstehenden Grundwasserspiegel gemessen. Durch diese Versuchsanordnung sollten also für ein Beobachtungsjahr die potentiellen Verdunstungsraten im nachgeahmten telmatischen Milieu untersucht werden und somit direkte Vergleiche zwischen den einzelnen Ökotopen, aber auch die Überprüfung der mittels von Verdunstungsformeln gewonnenen Werte ermöglicht werden. Es zeigte sich, daß die Evaporationsraten der Wasserfläche und des Sandbodens ähnlich waren und in etwa den Beträgen der während des Beobachtungsjahres gefallenen Niederschlägen entsprachen; hier war also die Wasserbilanz weitgehend ausgeglichen. Hingegen erwiesen sich die Feuchtgebietspflanzen Gras und -- vor allem -- die emersen Hydrophyten Typha latifolia und Phragmítes communís als sehr starke Grundwasserverbraucher.

So überstiegen die während des Beobachtungsjahres registrierten Verdunstungsbeträge der Schilfpflanzen die Niederschlagssummen um etwa die Hälfte. In natura werden diese Verdunstungsmehrbeträge den -- dem Feuchtgebiet benachbarten -- Grundwasserkörpern entzogen. Dieser Gesichtspunkt sollte besonders bei der in jüngerer Zeit verstärkt propagierten Neuschaffung von Feuchtgebieten berücksichtigt werden. Die hohen Verdunstungsraten der emersen Hydrophyten implizieren einen starken Grundwasserverbrauch in den Feuchtgebieten. Ohne nun den zweifellos vorhandenen ökologischen Nutzen dieser Feuchtökotope bestreiten zu wollen, soll doch darauf hingewiesen werden, daß die "Verteufelung" von neugeschaffenen Baggerseen infolge eines angeblich zu hohen Grundwasserverbrauchs durch Verdunstungsverluste bei einer andererseits forcierten Steigerung der Verdunstung durch neu angelegte Feuchtgebiete einen in sich völlig widersprüchlichen Vorgang darstellt. Begründet liegen diese administrativen Vorgänge in den anhand von Formel-, bzw. Modellrechnungen erstellten Verdunstungsbestimmungen, bei welchen die Evaporation freier Wasserflächen meist stark überschätzt, die Evapotranspiration von Feuchtgebietspflanzen hingegen äußerst stark unterschätzt wird. Um diese Diskrepanz auszuräumen, sollten bei künftigen Untersuchungen zunächst empirische Messungen dieser verschiedenen Ökotope durchgeführt werden, um überhaupt verläßliche Angaben und somit eine Beurteilung der Verdunstungs-Gesamtbilanz erstellen zu können. Die Berechnungen der Evaporation oder Evapotranspiration sind hingegen viel zu ungenau, um für Schlußfolgerungen auf öffentlich/administrativer Ebene verwendet werden zu können. Die unterschiedlichen Geschehnisse in der Natur sind in ihren wechselseitigen Beziehungen zu kompliziert, um ihre Bestimmung anhand von relativ simplen mathematischen Gleichungen nachvollziehen zu können. Der mit der Erstellung von Grundwasserbilanzen befaßte Hydrogeologe muß demzufolge auf empirische Messungen zurückgreifen, um das komplizierte System der Natur hinreichend nachvollziehen zu können. Dieses gilt insbesondere bei einem hydraulischen System, wie es zwischen einem See und den umgebenden Feuchtgebieten sowie den hierauf wachsenden Pflanzen besteht.

Der Messung des Niederschlags als wichtigste Eingangsgröße für den Wasserhaushalt kam im Rahmen der Arbeit eine besondere Bedeutung zu. Die Untersuchungen erstreckten sich auf den standardisierten "HELLMANN-Schreiber" mit einer Niederschlagsauffangfläche in 1,2 m Meßhöhe, den "HELLMANN-Sammler" in Erdbodenniveau, ferner auf den im Wasserbilanzschreìber n. KLAUSING integrierten kleinen Regenmesser sowie einen -- oberflächenmäßig den Verdunstungspfannen entsprechenden -- Regenschreiber in Erdbodenniveau. Die Vergleiche zwischen den in diesen Niederschlagsmeßgeräten aufgefangenen Niederschlagsmengen erbrachten bei den Standardmeßhöhen (1,2 m über der Erdbodenoberfläche) stets zu geringe Summen im Vergleich zu den in Erdbodenniveau registrierten Mengen. Diese Beobachtungen wurden auch durch Windkanaluntersuchungen der Regenmesser bestätigt. Beim HELLMANN-Schreiber und beim Wasserbilanzschreiber verursachen vor allem die Windverwirbelungen über den Auffangöffungen ein teilweises Verdriften der Niederschlagsteilchen, so daß sich Meßdefizite gegenüber den in Erdbodenniveau installierten Geräten ergeben müssen. Diese Defizite nahmen während des Beobachtungsjahres zur jeweiligen Windgeschwindigkeit unkorrelierbare Dimensionen an. Bemerkt werden muß in diesem Zusammenhang, daß die Erlanger Meßstation sich in einer relativ windgeschützten Lage befand. Dieses läßt die Vermutung aufkommen, daß bei einer Versuchsanordnung in einer windexponierten Gegend die mittels des Standard-HELLMANN-Schreibers registrierten Niederschläge derart verfälschte Jahressummen ergeben, daß diese Messungen für die korrekte Erstellung von Wasserbilanzen eigentlich nicht zu verwenden sind.

Als Resümee soll für die Verdunstungsformeln und für die in Standardmeßhöhe registrierenden Niederschlagsmesser angeführt werden, daß durch diese, überwiegend der Meteorologie entstammenden Berechnungs- und Meßarten eine hinreichend genaue Quantifizierung der Wasser-, der Land- und/oder der Pflanzenverdunstung nicht erfolgen kann.

Die mathematische Problematik der Verdunstungsberechnung liegt bei der Evaporation darin begründet, daß hier sehr viele physikalische Parameter auf die Verdunstungsintensitäten einwirken. Diese sind in ihrer Gesamtheit bei einer Wasserfläche schwer zu bestimmen und zeigen in ihren Zusammenwirken ein physikalisches Bild, welches durch einfache Formelberechnungen anhand nur weniger, ausgewählter Faktoren nicht zu erfassen ist. Die hierzu durchgeführten statistischen Untersuchungen zwischen den gemessenen Verdunstungsraten und den jeweiligen klimatischen Parametern (wie dem Sättigungsdefizit der Luft um 14:00h Ortszeit oder dessen Tagesmittel) bestätigten diesen Sachverhalt.

Die Bestimmung der Verdunstungsraten einer mit Pflanzen bestandenen Wasser- oder Bodenoberfläche entzieht sich vollständig einer auch nur annähernd verläßlichen Berechnungsmöglichkeit. Bei der Evapotranspiration treten zu den physikalischen Vorgängen noch die Lebens- und Stoffwechselvorgänge der Pflanzen hinzu, wodurch sich -- selbst bei ständig vorhandenen Wasserdargebot -- derart komplizierte Einzelgeschehnisse zu einem Gesamtereignis summieren, daß eine formelmäßige Beschreibung a priori völlig versagen muß. Auch hier bestätigten die statistischen Untersuchungen zwischen den gemessenen Evapotranspirationswerten und den klimatologischen Meßgrößen die Unmöglichkeit, anhand weniger Klimafaktoren exakte Rückschlüsse auf die Verdunstungsraten ziehen zu können.

Der natürliche Wasserkreislauf geht im allgemeinen so vor sich, daß die Niederschläge in erster Linie die obersten Bodenschichten und somit auch die Pflanzen nähren. Jeder kräftige Regen schickt jedoch außerdem eine größere Wassermenge in die Tiefe, aus der sich dann die Grundwassermenge erneuert. Dieses örtlich neugebildete Grundwasser erscheint so als Überschuß der kräftigen Regen sowie der Niederschläge in den Zeiträumen, in welchen die Pflanzen infolge der Winterruhe wenig Wasser für sich beanspruchen. Die Wassermenge, die durch Niederschlag dem Boden zugeführt, aber nicht durch Verdunstung entfernt wird, wird durch Abfluß oder Versickerung fortgeführt und speist die Flüsse oder erhöht den Grundwasserstand. Die Erhöhung der Verdunstung wird zur einen Hälfte dem Abfluß entnommen, kommt zum anderen jedoch durch den inneren Kreislauf des atmosphärischen Wasserdampfes wieder den Niederschlägen zugute.

Man kann diese Vorstellung durch folgende Art stützen: Was mehr verdunstet wird, wird auf die Dauer auch mehr kondensiert. Eine Abnahme des Abflusses kommt in einer Steigerung der Niederschlagmengen wieder zum Vorschein. Wenn die Verdunstung aus der Differenz Niederschlag minus Abfluß bestimmt wird, muß ihre Änderung doppelt so groß erscheinen als die des Abflusses und des Niederschlages. Eine Steigerung der Verdunstung um 60 mm wäre also mit einer Niederschlagsmehrung von 30 mm und einer Abflußmínderung von 30 mm verbunden. In Deutschland wird ein Teil dieser Mehrverdunstung in Form von Niederschlag jedoch nicht dem Ort des Wasserentzugs, sondern den weiter östlich liegenden Gegenden zugute kommen.

Die verdunsteten Wassermengen gehen als reines Wasser in die Atmosphäre über und kehren über diese auch wieder auf die Erdoberfläche zurück. So scheint es unverständlich, weshalb dieser angebliche Wasserverlust als denkbar schlechtes Defizit für den Wasserhaushalt angesehen wird. Da vor allem in den sechziger und siebziger Jahren unseres Jahrhunderts die Mehrzahl der Oberflächengewässer in der Bundesrepublik Deutschland und in Europa durch Begradigung der Fließgewässer, durch Verringerung der Anzahl von Stillgewässern und durch die großflächige Trockenlegung von Feuchtgebieten eine beträchtliche Verringerung ihrer verdunstungsaktiven Oberflächen erfahren hat, muß sich demzufolge eine -- zumindestens regional bemerkbare -- Verringerung der Luftfeuchten und somit der Niederschläge ergeben haben. Ob hiermit ursächlich eine Verbindung zu den im vergangenen Jahrzehnt beobachteten Trockenperioden in Deutschland besteht, läßt sich nur schwer beurteilen. In praxi wirkten sich diese Trockenperioden jedoch insofern aus, daß die fehlenden Niederschlagsmengen u.a. durch vermehrte Bewässerungsmaßnahmen der Agrarkulturen ausgeglichen werden mußten. Das Wasser zu diesen Bewässerungsmaßnahmen wurde wiederum hauptsächlich aus Brunnen entnommen, welche vom Grundwasser gespeist werden. In diesem Paradoxon -- Verringerung der verdunstungsaktiven Oberflächen einerseits und energieaufwendige Grundwasserentnahme andererseits -- offenbart sich bereits eine Diskrepanz in der wasserwirtschaftlichen Vorgehensweise: Nicht durch die Verminderung von Wasserflächen oder Feuchtgebieten und deren Verdunstungsraten, sondern durch deren gezielte Unterstützung und Neuanlage ließe sich eine -- wenn vielleicht auch nur regionale -- Verbesserung des Wasserkreislaufes erreichen. Der gegensätzliche Weg, nämlich eine Degradierung von Fließgewässern zu geradlinigen Abflußkanälen und die Verringerung der Anzahl von Stillgewässern impliziert zwangsläufig eine Verringerung der Verdunstung sowie des Wasserdampfgehaltes der Atmosphäre und somit eine nachhaltige Störung des sensiblen Systems des Wasserkreislaufes.


abaier@geol.uni-erlangen.de

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* Dr. A. Baier; last Update: Mittwoch, 04. September 2013 20:44