Pegnitzquelle und Aschenbrunnen im Karstgebirge der NE’ Frankenalb. Eine Studie zur Situation der Grund- und Trinkwasserreserven unter dem Einfluss des Klimawandels.

von Alfons Baier

BAIER, A. (2015): Pegnitzquelle und Aschenbrunnen im Karstgebirge der NE’ Frankenalb. Eine Studie zur Situation der Grund- und Trinkwasserreserven unter dem Einfluss des Klimawandels. – Geologische Blätter für Nordost-Bayern, 65: 11-46, 16 Abb., 3 Tab., Erlangen.

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Kurzfassung

Während der außergewöhnlich warmen und trockenen Witterungsverhältnisse der Jahre 2014 und 2015 traten vor allem in Nordbayern massive Niederschlagsdefizite auf. Diese führten weiträumig zum Versiegen von Quellen, dem Austrocknen von Bächen und zu einer Beeinträchtigung der Trinkwasserversorgung. Großes mediales Aufsehen erregte im Sommer 2015 das völlige Trockenfallen der Pegnitzquelle in der Stadt Pegnitz/ Ofr. Aber auch zur Trinkwassergewinnung genutzte Karstquellen wie der "Aschenbrunnen" E’ Pottenstein zeigten während der vergangenen drei Jahre signifikant zurückgehende Schüttungsraten, die Ende Oktober 2015 ihre Minimalwerte erreichten.

Im Pegnitz/Pottensteiner Raum waren neben den Hitzeperioden der vergangenen Sommerhalbjahre vor allem die lang anhaltenden Wärmeperioden in den jeweiligen Winterhalbjahren auffällig. Bei der Auswertung von Niederschlagsdaten zeigen sich – neben dem relativ häufiges Auftreten von teils beträchtlichen Starkniederschlägen – starke Niederschlagsdefizite hauptsächlich während der Winterhalbjahre. Dies ist deshalb bedeutsam, weil während der verdunstungsarmen Herbst- und Wintermonate ausreichenden Niederschlagsspenden eine entscheidende Bedeutung bei der notwendigen Grundwassererneuerung zukommt. Die während der vergangenen Jahre beobachteten Niederschlagsdefizite bedingten im Karstgebirge der Frankenalb eine mangelhafte Grundwasserneubildung. Dieses Problem gewinnt unter Berücksichtigung des auch in Nordbayern zu beobachtenden Klimawandels, der damit verbundenen Veränderung des Niederschlagsverhältnisse sowie der zunehmenden Belastung der Grundwasserkörper durch anthropogene Schadstoffeinträge zunehmend an existentieller Bedeutung.

Als Beispiel für die Grundwasserverhältnisse im Tiefen Karst der Frankenalb werden die Abhängigkeiten der Quellschüttungsraten des Aschenbrunnen E‘ Pottenstein von den infiltrierten Niederschlägen geprüft. Die statistischen Analysen der Zusammenhänge zwischen Quellschüttungszunahmen und den Infiltrationsraten zeigen, dass diese große Karstquelle mit ein- bis fünftägiger Verzögerung auf die jeweiligen Niederschläge reagiert. Weiterhin können hier die Auswirkungen der Niederschlagsdefizite und somit der unzureichenden Grundwasser-Erneuerungsraten auf die Wasserspenden deutlich beobachtet werden.

Ein weiteres Problem zeigt sich durch das relativ häufige Auftreten von teils beträchtlichen Starkniederschlägen. Bedingt durch die karstspezifischen Gegebenheiten steigt aufgrund des sehr rasch ablaufenden Grundwasserdurchsatzes vor allem während der Vegetationsperioden das Risiko von plötzlich auftretenden Schadstoffeinträgen in das Karstwasser und somit von potentiellen Kontaminationen der Trinkwasserbrunnen. Dieser Gefährdungslage lässt sich nur durch einen konsequenten und flächendeckend angewandten Grundwasserschutz im fränkischen Karstgebirge begegnen.

 

1 Einleitung

In Deutschland waren die Jahre 2014 und 2015 von außergewöhnlich warmen und trockenen Witterungsverhältnissen geprägt. Das Jahr 2014 wird als das wärmste seit Beginn der – von 1880 ab in Deutschland getätigten – Wetteraufzeichnungen angesehen. Auch im Jahr 2015 fielen zehn von 12 Monate als zu warm aus. In Nordbayern betrug 2014 das Jahresmittel der Lufttemperaturen +10,8° C und im Jahr 2015 +10,7° C. Beide Jahre fielen somit – im Vergleich zum langjährigen Mittel der international gültigen Referenzperiode 1961 bis 1990 – rund 2 K zu warm aus (DWD 2015).

Während in Deutschland bereits das Jahr 2014 zu geringe Niederschlagssummen aufwies, war vor allem das Jahr 2015 erheblich zu trocken. Es wurden insgesamt rund 13 % zu geringe Niederschlagssummen beobachtet, wobei ab Februar 2015 besonders die Mitte Deutschlands unter einer ausgeprägten Trockenperiode litt. Diese Dürre erfasste während der folgenden Sommermonate auch Süddeutschland und dauerte mit kurzen Unterbrechungen bis zum Jahresende an. So herrschte 2015 in weiten Teilen Nordbayerns eine außergewöhnlich starke Niederschlagsarmut vor, die zu erheblichen landwirtschaftlichen Einbußen führte. Auch zahlreiche Bäche verwandelten sich während dieser Hitze- und Trockenperiode in nur schmale Rinnsale oder fielen völlig trocken. Selbst die fränkischen Hauptvorfluter wie Pegnitz, Rednitz/Regnitz und Wiesent wiesen nur sehr geringe Abflussraten auf. Um bei diesen Flüssen deren Vorflut-Funktion überhaupt aufrecht erhalten zu können, mussten aus dem Donauraum über den Main-Donau-Kanal und Rothsee sowie das Brombachsee-Überleitungssystem über 150 Mio. Kubikmeter Wasser in das Rednitz-Regnitz-Mainsystem gepumpt werden.

Infolge der lang anhaltenden Niederschlagsdefizite sanken in Nordbayern auch die Grundwasserstände flächendeckend ab. Hier waren neben den fränkischen Keupergebieten vor allem die Karstwasserkörper in der Frankenalb signifikant betroffen. Vor allem während der Sommermonate 2015 fielen im Albvorland und im fränkischen Karstgebirge zahlreiche Quellen trocken, während die übrigen Quellaustritte stark verminderte Schüttungsraten aufwiesen.

So floss am 10. August 2015 aus der Pegnitzquelle in der Stadt Pegnitz/Ofr. nunmehr ein dünnes Rinnsal (BOHN 2015a). An den darauf folgenden Tagen versiegte diese – normalerweise stark schüttende – Karstquelle völlig (BOHN 2015b). Dieser Vorgang sorgte für großes Aufsehen und fand, da ein derartiges Phänomen in der Vergangenheit nur äußerst selten beobachtet wurde, überregionales Interesse der Medien (BR 2015, DPA 2015, REINL 2015). Die weithin bekannte Karstquelle "Aschenbrunnen" E’ Pottenstein, welche zur Trinkwasserversorgung des "Felsenstädtchens" dient, zeigte bereits während der vergangenen drei Jahre signifikant zurückgehende Schüttungsraten, welche Ende Oktober 2015 ihre Minimalwerte erlangten. Bei der vorliegenden Untersuchung werden die Grundwasserverhältnisse im Karstgebirge von Pegnitz/Pottenstein dargelegt und der Einfluss der zurückliegenden Niederschlagsverhältnisse auf den Karstwasserkörper und die Schüttung der beiden Quellen geprüft.

 

2 Geologischer und hydrologischer Abriss des Karstgebirges von Pegnitz-Pottenstein

Das Karstgebirge von Pegnitz und Pottenstein liegt am NE-Rand der Frankenalb. Dieses auch als Frankenjura benannte Mittelgebirge gilt zusammen mit der Schwäbischen Alb als das größte zusammenhängende Karstgebiet Deutschlands (TRIMMEL 1968). Im Vergleich zum Albvorland mit seinem dicht ausgeprägten Netz an Bächen und Flüssen durchziehen den Karst der Nördlichen Frankenalb nur wenige perennierende Fließgewässer. Im Pegnitz/Pottensteiner Raum sind dies die Pegnitz und die Püttlach, die sich mit ihren teils "canyonartig" ausgebildeten Haupttälern konsequent in die Schichtenabfolge der Malmkarbonate eingetieft haben.

In der Frankenalb ist eine typische Karstlandschaft ausgebildet, die neben einem charakteristischen Oberflächenrelief, das durch Dolinen, Poljen und Trockentäler geprägt ist, vor allem durch eine spezielle Form der Entwässerung gekennzeichnet wird. In die verkarsteten Festgesteine dringt das auf der Landoberfläche versickernde Niederschlagswasser entlang von primär vorhandenen Schichtfugen oder tektonischen Diskontinuitätsflächen ein. Aufgrund der guten Löslichkeit der Karbonatgesteine gegenüber aggressiven Sickerwässern, die gelöstes CO₂ aus der Atmosphäre und der Bodenluft enthalten, wird das Trennflächengefüge ständig erweitert (KAULICH et al. 2000).

Die Flusstäler der Frankenalb stehen mit ihren Wasserreichtum im starken Gegensatz zu den wasserlosen Hochflächen der Alb. Die Haupttäler markieren im Karst das Vorflutniveau: Hier tritt das im umliegenden Karbonatgebirge strömende Wasser über teils starke Karstquellen wieder zu Tage. Daneben existiert auf der Albhochfläche ein ausgedehntes und dicht ausgebildetes System von Trockentälern, welche aber nur zur Schneeschmelze oder nach Starkniederschlägen temporäre Wasserführung aufweisen. Ihre starke Ausformung erfuhren die Trockentalsysteme unter kaltzeitlichen Bedingungen durch die oberflächlich abfließenden Schmelzwässer über die durch Permafrost verschlossenen Karsthohlräume (BAIER 2010).

Die im Gebiet von Pegnitz/Pottenstein anstehende Schichtenfolge reicht von den Eisensandsteinen des Dogger Beta im N bis zu den Bankkalken des Malm Delta und den Frankendolomiten im S. Die Malmkarbonate sind großenteils von Alblehmen verhüllt. Zwischen den steil aufragenden, überwiegend von Wäldern bestandenen Dolomitkuppen befinden sich ausgedehnte flache Senken mit zusammen geschwemmten Alblehmen, die ackerbaulich genutzt werden. Im S’ der Stadt Pegnitz gelegenen Veldensteiner Forst taucht die Dolomitlandschaft unter die Sandstein- und Tonfazies der Oberkreide.

Der Hauptquellfluss der Pegnitz, die Fichtenohe, entspringt in der N’ des Untersuchungsgebietes liegenden Doggerlandschaft des "Lindenhardter Forst". Der kleine Fluss strömt nach S und nimmt bei Buchau den von E zuströmenden Zipsermühl-Bach, dann den von W heranfließenden Erlbach sowie den Buchauer Bach auf (BAIER et al. 1994). N’ der Stadt Pegnitz tritt die Fichtenohe in das Karstgebirge der Frankenalb ein.

Im Stadtgebiet von Pegnitz/Ofr. umströmt der Fluss – ungefähr auf der Höhe der heute so benannten Pegnitzquelle – den Hügel der Altstadt, welcher von den Unteren Mergelkalken und den Werkkalken des Malm Beta aufgebaut wird. Diese Karbonatsedimente wurden an dem dort durchziehenden Störungsbündel des "Pegnitzer Nordsprung" um rund 10 m gegenüber den N’ angrenzenden Doggerschichten abgesenkt. Die nächste, im E folgende Flussschleife umströmt den "Wasserberg", einen von den Schichtabfolgen des Malm Alpha bis Gamma aufgebauten Umlaufberg, welcher von der Störungszone des "Pegnitzer Südsprungs" durchzogen wird. Im Bereich dieser tektonischen Abschiebung liegt am N-Hang des Wasserberges die "Röschmühle". Ihr alter Name "Höhlmühl" (LAYRITZ 1794) verweist auf die – durch die intensive Bruchtektonik bedingte – karsthydrographische Besonderheit, dass hier ein Teil des Flusswassers in der Ponorhöhle "D 84" versinkt und nach einem unterirdischen, an den tektonischen Trennflächen ausgebildeten Lauf von mindestens 320 m Länge am S-Hang des "Wasserberges" in der Quellhöhle "D85" wieder austritt (BAIER et al. 1992).

In seinem weiteren Abstrom nach S durchbricht der Pegnitzfluss in einem engen, steil eingetieften Tal das Karstgebirge der Frankenalb, welches er erst bei Artelshofen S’ Velden wieder verlässt. Bei Happurg ändert die Pegnitz ihre Fließrichtung abrupt nach W und strömt durch das Keupervorland bis in das Städtegebiet von Nürnberg/Fürth, an dessen W-Rand sie in die Rednitz einmündet, welche von hier ab als Regnitz in N’ Richtung dem Main zufließt.

Der zweite Hauptvorfluter des Pegnitz-/Pottensteiner Karstgebirges ist die Püttlach. Sie entspringt im N’ gelegenen Doggervorland bei der Ortschaft Bärnreuth in der Nähe der Rotmain- und der Fichtenohe-Quelle und tritt bei dem Dorf Oberhauenstein in das Karstgebirge ein. Der hier noch kleine Fluss durchbricht die Malmtafel in einem canjonartigen, NNE-SSW verlaufenden Tal. Rund 1,6 km S’ des Dorfes ändert der Fluss seinen Lauf abrupt nach WNW und strömt durch das obere Püttlachtal, in welchem neben einer Vielzahl von kleineren Karstquellen auch der Aschenbrunnen entspringt, nach Pottenstein.

W’ dieses weithin bekannten "Felsenstädtchens" strömt die – mittlerweile zu einem stattlichen Fluss angewachsene – Püttlach durch eine enge Schlucht und mündet bei Behringersmühle, wo ihr auch der Ailsbach aus N’ Richtung zufließt, in die aus NW’ Richtungen zuströmende Wiesent. Dieser Hauptvorfluter der "Fränkischen Schweiz" entspringt aus einer starken Karstquelle bei Stadelhofen und fließt zunächst nach SE durch das Karstgebirge. Ab der Einmündung der von E zuströmenden Püttlach knickt die Wiesent nach W ab, strömt bei Muggendorf in einem tektonisch vorgezeichneten Tal zunächst nach NW, biegt dann nahezu rechtwinklig nach SW ab und fließt über Gasseldorf und Ebermannstadt bis nach Forchheim, wo sie in die Regnitz einmündet.

Die spezifischen Charakteristika der Entwässerung im fränkischen Karstgebirge bedingen auf der Albhochfläche das weitgehende Fehlen des oberirdischen Abflusses sowie den raschen unterirdischen Abfluss auf korrosiv erweiterten Wasserwegen. Dies führt im Gebirge zu einer häufig stark schwankenden Wasserführung in Abhängigkeit von den Niederschlagsereignissen sowie in den tief eingeschnittenen Tälern zum Auftreten von teils großen Karstquellen, die weite Teilgebiete des Karstsystems entwässern (KAULICH et al. 2000).

Die Malmkarbonate weisen generell sehr gute Wasserwegsamkeiten in den subterranen Karsthohlräumen auf, die sich vorwiegend entlang der tektonischen Trennflächensysteme ausgebildet haben. In den Geländebereichen, wo die Karstwasser-Aquiclude der Dogger-/Malm-Grenze an den Talflanken ausstreicht, treten häufig ergiebige Quellen auf. Deren Schüttung erweist sich dann als besonders stark, wenn diese Karstquellen in der Richtung des Schichteinfallens auftreten; Quellen, die entgegen dieser Richtung ausrinnen, weisen meist eine geringere Schüttungsrate auf und können während niederschlagsarmer Jahre versiegen (EXLER 1957).

Das Karbonatgebirge im N’ Bereich der Stadt Pegnitz/Ofr. ist durch die Grundwasserverhältnisse des Seichen Karstes geprägt: Hier liegt die Karstwasseraquiclude über dem Vorfluterniveau. Die an den Talhängen ausstreichende Dogger-/Malm-Grenze markiert in diesem Gebiet den Quellhorizont des Karstwassers. Die im Hangenden anstehenden Malm-Alpha-Schichten werden von relativ festen, jedoch stark zerklüfteten Kalken aufgebaut (ZEISS 1961). Sie erweisen sich hier – im Gegensatz zu anderen Bereichen der Frankenalb – als stark karstwasserhöffig, so dass als Karstwasseraquiclude nur der Ornatenton (Dogger Zeta) und die obersten Schichtglieder der Dogger Epsilon wirksam sind (v. FREYBERG 1961). Für den seichten Karst ist das Auftreten zahlreicher Quellen typisch, deren Schüttungsraten im direkten Zusammenhang zu den Niederschlagsereignissen stehen. Falls filtrierende Deckschichten fehlen, kann im Seichten Karst rasch eine Verunreinigung der Quellen von der Oberfläche her erfolgen, da die versinkenden Wässer bereits nach kurzer unterirdischer Passage wieder zutage treten (KAULICH et al. 2000).

Das Gebiet von Pottenstein liegt bereits im Tiefen Karst. Als wasserstauende Schichten sind hier neben dem Ornatenton auch die Unteren Mergelkalke des Malm Alpha und die Oberen Mergelkalke des Malm Gamma wirksam. Im Karstgebirge von Pottenstein tritt das Grundwasser hauptsächlich im Talsohlenbereich des canyonartig eingeschnittenen Püttlachtales aus: In diesem Gebiet herrscht ein relativ hoher Karstwasserandrang von 25 L/s*km² bis 100 L/s*km² vor (GLA 1995). Hingegen sind die wenigen, auf der Karsthochfläche auftretenden Quellen "schwebende Grundwasserkörper" an über den lokal als Aquicluden wirksamen "Oberen Mergelkalken" des Malm Gamma gebunden (vgl. BAIER 2014). Ein Beispiel hierfür stellt der überregional bekannte Tummler "Urspring" auf der Karsthochfläche 3,3 km NNE‘ Pottenstein dar. Diese nur sporadisch schüttende "Hungerquelle" weist im aktiven Zustand eine derart hohe Wasserspende auf, dass hierdurch das SW‘ anschließende Trockental völlig überflutet wird.

Generell werden die perennierenden Flüsse im Tiefen Karst – wie die Püttlach bei Pottenstein oder die Pegnitz S’ der gleichnamigen Stadt – von einer Reihe von Quellen begleitet, die häufig auch als "aufsteigende Quellen" im Flussbett selbst austreten (v. FREYBERG 1961). So konnte SPÖCKER (1935, 1950) für den S’ der Stadt Pegnitz/Ofr. bereits im Tiefen Karst verlaufenden Pegnitzfluss bis zur Ortschaft Velden 56 Quellaustritte beobachten, wobei hier – im Vergleich zum N’ angrenzenden Seichten Karst – die Quellendichte abnimmt, die einzelnen Quellschüttungen jedoch stark zunehmen. Quellen, die ihr Wasser aus dem Grundwasserkörper des Tiefen Karstes beziehen, sind in ihrer Schüttung wesentlich gleichmäßiger als die Quellen des Seichten Karstes und sprechen überwiegend erst nach längerer Zeit auf die gefallenen Niederschlagsmengen an (KAULICH et al. 2000).

 

3. Gebirgsbau und Lagerungsverhältnisse

Tektonisch gesehen befindet sich das Karstgebiet von Pegnitz/Pottenstein an der NE-Flanke der herzynisch streichenden, über 200 km langen und 6 km bis 10 km breiten Frankenalbfurche, welche als weitgehend linear verlaufende Muldenstruktur die Bruch- und Verbiegungsstrukturen im fränkischen Karst großräumig beeinflusst hat. Das Sedimentpaket fällt im Raum Pegnitz/Pottenstein bei herzynischem Generalstreichen nach SW zum tektonisch dominierenden Senkungsgebiet der Frankenalbfurche ein. Hierdurch bedingt streichen an den Flanken des Fichtenohe- und des Pegnitztales bei Pegnitz/Ofr. die Dogger- und die unteren Malmschichten aus, während im Püttlachtal bei Pottenstein bereits die Riffdolomite des Malm Delta bis Epsilon anstehen.

Im Karstgebirge von Pegnitz/Pottenstein herrscht Ausweitungstektonik vor. Die Frankenalbfurche wird beiderseits durch Flexuren und Großabschiebungen begrenzt. Im Gebiet um Pegnitz/Ofr. bildet die "Auerbacher Linie" die NE-Grenze der Frankenalbfurche (v. FREYBERG 1961). Zu ihr gehört im NW die "Pegnitzer Flexur" und im Untersuchungsgebiet die Störungsbündel der beiden Großabschiebungen des "Pegnitzer Nord- und Südsprungs".

Im Pegnitzer Raum sind lokale Dislokationen der einzelnen Schichtpakete auf die beiden Hauptstörungen zurückzuführen. Bei diesen Bruchstrukturen handelt es sich um flachherzynisch streichende Abschiebungen, wobei die Versatzbeträge in der Regel zwischen 0,5 m und 7,0 m betragen. Der "Pegnitzer Nord-Sprung" verläuft vom Gebiet unmittelbar S’ der "Pegnitzquelle" über den Bahneinschnitt S’ des Bahnhofes von Pegnitz bis etwa 500 m N’ Hainbronn. Der parallel zum "Nord-Sprung" streichende "Süd-Sprung" durchzieht direkt den Wasserberg. Beide Großabschiebungen werden von einer Vielzahl kleinerer Verwerfungen und Scherklüften begleitet (BAIER et al. 1994). Bedingt durch die tektonische Muldenstruktur der Frankenalbfurche liegt die Karstwasseraquiclude der Dogger/Malm-Grenze im Gebiet von Pegnitz/Ofr. bei rund 390 m NN, während sie im Raum von Pottenstein bereits bis auf rund 245 m NN absenkt wurde.

 

4. Grundwasserbewegungen im Karstgebirge von Pegnitz/Pottenstein

Die in dieser Arbeit betrachtete Pegnitzquelle in der gleichnamigen Stadt sowie der Aschenbrunnen im Oberen Püttlachtal stellen zwei markante Haupt-Grundwasseraustritte im dortigen Karstgebirge dar. Die nach Angaben des Bayerischen Geologischen Landesamtes (GLA 1995) sowie eigenen Geländeaufnahmen erstellte Grundwassergleichenkarte zeigt die generellen Abstromrichtungen des Haupt-Karstgrundwasserkörpers im Pegnitz/Pottensteiner Gebiet. Hieraus ist ersichtlich, dass im W’ der Stadt Pegnitz gelegenen Karstgebirge die Grundwasseroberfläche der Malmwässer auf rund 430 m NN liegt und sowohl zum Pegnitztal mit der Pegnitzquelle (425 m NN) als auch – hauptsächlich – zum Püttlachtal (rund 390 m NN) hin abfällt: Die Grundwasserfließrichtungen sind hier sowohl nach E als auch nach W gerichtet. Bedingt durch die intensive tektonische Verkippung der Karbonatschichten erweisen sich die Grundwasserverhältnisse insgesamt als kompliziert und noch nicht hinreichend genau erforscht: So kennzeichnete das GLA (1995) sowohl den Bereich der Pegnitzquelle als auch ihr NNW’ gelegenes, rund 3,4 km² großes Einzugsgebiet irrtümlich als "grundwasserfrei".

Das vermutlich mindestens 7,8 km² große Einzugsgebiet des Aschenbrunnen E’ Pottenstein liegt im Karstgebirge N’ des Oberen Püttlachtales. Die detaillierten Abstromverhältnisse sind hier – bedingt durch die intensive tektonische Dislokation der Malmschichten (vgl. WIPPERN 1953) – noch weitgehend ungeklärt, befinden sich jedoch in Bearbeitung. Insgesamt scheint ein genereller, von N nach S gerichteter Karstgrundwasser-Abstrom zu den Quellen im Püttlachtal vorzuherrschen.

 

4.1. Pegnitzquelle

Die meist kräftig schüttende Pegnitzquelle entspringt am Fuß des Schloßberges im W-Teil der Stadt Pegnitz/Ofr. Tektonisch gesehen ist diese Karstquelle an die flachherzynisch verlaufende Abschiebungszone des "Pegnitzer Nordsprungs" gebunden. Die Quelle speist ein kreisrundes, zur Forellen-Aufzucht genutztes Wasserbecken und mündet nach kurzem Lauf in die Fichtenohe ein, welche von hier ab den Namen Pegnitz trägt.

Der eigentliche, hydrographisch korrekte Quellfluss der Pegnitz ist die Fichenohe, die im Lindenhardter Forst S’ Bayreuth in der Nähe der Quelle des Roten Mains entspringt und in ihrem nach S gerichteten Abstrom bis zur Stadt Pegnitz bereits einen kleinen Fluss bildet. Die Feststellung, dass die Quelle des Pegnitzflusses hier in der Stadt entspringt, kam – wohl aus lokalpatriotischen Gründen – erst in jüngerer Vergangenheit auf. LAYRITZ (1794) erwähnt den ursprünglichen Quellnamen als "Zausebrunnen" (benannt nach Hans Zauß, welcher um 1450 die E’ gelegene Mühle errichten ließ) und nennt das hydrographisch korrekte Quellgebiet des Pegnitzflusses im Lindenhardter Forst: "Der Fluß Pegnitz nimmt seinen Ursprung ohnweit Lindenhard, einem in Pegnitzer Oberamtsbezirk liegenden Marktflecken aus zwey Quellen, davon die eine die Forren oder Forellen, die andere aber der heilige Brunnen genennt wird« (LAYRITZ 1794).

Die Schüttung der Pegnitzquelle war noch zu Beginn des 20. Jhd. so stark, dass in ihrem unmittelbaren Abstrombereich das Wasserrad der "Zaussenmühle" betrieben werden konnte. HERMAN (1908) nennt eine durchschnittliche Quellschüttung von 5,6 L/s, welche jedoch nach der Schneeschmelze bis 18 L/s ansteigen kann. Das Quellwasser entspringt aus Malm-Beta-Werkkalken entlang einer flachherzynisch streichenden Kluft, welche parallel zur Störungszone des "Pegnitzer Nordsprungs" verläuft. HERMAN (1908) konnte am damals noch weitgehend unbebauten Quelltopf beobachten, dass die wasserspendende Kluftfläche senkrecht in das Gebirge einfällt.

Die Pegnitzquelle liegt am SSE-Rand einer WSW-ENE streichenden, in S‘ Richtung einfallende und durch herzynisch verlaufende Störungen begrenzte Gebirgsscholle. Rund 100 m S’ des Quellaustritts verläuft die Bruchzone des "Pegnitzer Nordsprungs". S’ dieser Abschiebung grenzen an die Malm-Beta-Werkkalke unmittelbar die – tektonisch abgesenkten – "Oberen Mergelkalke" des Malm Gamma an, so dass hier im Gebirge die aus NNW’ Richtungen anströmenden Karstgrundwässer an den tonreichen Mergelkalken regelrecht aufgestaut und zum Austritt an der Pegnitzquelle gezwungen werden (v. FREYBERG 1961). Durch die tektonische Situation ergibt sich ein lokal im Karstgebirge ausgebildeter "subterraner Badewanneneffekt", welcher die normalerweise starke und gleichmäßige Schüttung der Quelle bedingt. Seinen Nachschub erhält dieses Karstwasser-Reservoir neben den aus N‘ Richtungen zuströmenden Grundwässern auch durch Sickerwässer aus den Lockersedimenten des unmittelbar N‘ angrenzenden Trockentales.

Der Quellaustritt liegt mit einer Höhenlage von 425 m NN bereits 32 m über der Dogger-/Malm-Grenze, so dass die Pegnitzquelle eigentlich bereits dem Tiefen Karst zuzuordnen ist. Karsthydrologisch weist der Quellaustritt jedoch noch alle Merkmale des Seichten Karstes auf wie stark schwankende, auf Niederschläge rasch ansprechende Schüttungsraten sowie Trübeeinbrüche und Schadstoffbelastungen nach Starkniederschlägen: Beispielsweise konnte SCHMÜLLING (2000) während der Herbstmonate 1998 im Wasser der Pegnitzquelle Nitratkonzentrationen >60 mg/L beobachten, welche unmittelbar im Anschluss an landwirtschaftliche Düngemaßnahmen auftraten.

 

4.2. Aschenbrunnen

In der massigen Dolomitfazies des Pottensteiner Karstgebirges erfolgen die Grundwasserbewegungen hauptsächlich entlang der korrosiv erweiterten tektonischen Trennflächen wie Großklüfte und Störungszonen. Werden die entlang dieser Diskontinuitätsflächen angelegten, wasserführenden Höhlen und Druckröhren durch Täler angeschnitten, bilden sich – überwiegend ergiebige – Quellaustritte aus (EXLER 1957). Im Oberen Püttlachtal E’ Pottenstein treten über 20 Karstquellen auf (DEBRAY 2000), von denen einige – wie der Aschenbrunnen – eine außergewöhnlich hohe Schüttung aufweisen und in ihrer Gesamtheit die Wasserführung der Püttlach beträchtlich erhöhen: So ergaben am 25.08.2015 durchgeführte Abflussmessungen der Püttlach zwischen der Straßenbrücke in Oberhauenstein (Eintritt der Püttlach in das Karstgebirge) und der großen Holzbrücke 200 m W’ des Aschenbrunnen eine über fünffache Zunahme ihrer Wasserführung von 0,081 m³/s auf 0,448 m³/s. Im Püttlachtal W’ der Stadt Pottenstein geht die Anzahl an oberirdisch sichtbaren Quellen plötzlich zurück; vermutlich tritt ab hier ein Großteil des Karstgrundwassers im Bachbett der Püttlach als sog. Grundquellen aus (ANSORGE 2000).

Der Name des offenbar seit vielen Jahrhunderten bekannten und aufgesuchten Aschenbrunnen leitet sich von ahd. "asca" (= "Esche") her und reiht sich in die Vielzahl von Quell- und Gewässernamen ein, die nach dem Baumbestand gekennzeichnet wurden (MAAS 1995). Der in einer Brunnenarchitektur gefasste, perennierende Aschenbrunnen stellt ein typisches Beispiel einer Quelle des Tiefen Karstes dar. Sie entspringt aus Frankendolomit – an der NE’ Flanke des Püttlachtales 1430 m E’ Pottenstein – auf einer Höhenlage von 376,6 m NN. Die Dogger-/Malm-Grenze liegt hier auf einem Höhenniveau von 298 m NN und somit rund 79 m unter dem Aschenbrunnen.

Der Quellaustritt des Aschenbrunnen scheint an eine rheinisch streichende tektonische Störungsfläche gebunden zu sein. Wahrscheinlich verläuft hier eine NNE-SSW verlaufende Seitenverschiebung; dieser spezielle Verwerfungstyp konnte bereits an anderen Lokalitäten der Frankenalb als bevorzugt für die Ausbildung von hydraulisch besonders wirksamen Karstwasserröhren nachgewiesen werden (BAIER 2008, 2010, 2013).

Der Aschenbrunnen dient seit über 100 Jahren zur Wasserversorgung von Pottenstein. Das – bereits in den Jahren 1893 bis 1902 erbaute – Wasserwerk wurde zunächst als Niederdruckanlage eingerichtet; im Jahr 1928 erfolgte der Umbau mittels eines durch Wasserkraft angetriebenen, heute noch im Betrieb stehenden Pumpwerkes zur Hochdruckanlage. Hierdurch konnte das Quellwasser permanent zu dem, auf rund 440 m NN gelegenen, ca. 1927 errichteten Hochbehälter am Pottensteiner Burgberg befördert werden.

Das Karstwasser des Aschenbrunnen versorgt noch heute das gesamte Trinkwassernetz des bekannten "Felsenstädtchens". Im Jahr 1991 erfolgte sogar der Anschluss des Ortsteils Weidmannsgesees, welcher vorher eine eigenständige Wasserversorgung hatte, an das Trinkwassernetz von Pottenstein (freundl. schriftl. Mittl. Herr Thiem-Förster/Stadtverwaltung Pottenstein). Während von der Pegnitzquelle nur visuelle Beobachtungen der Wasserstände vorliegen, werden die täglichen Schüttungsraten des Aschenbrunnen seit dem 24. Februar 2013 kontinuierlich gemessen und vom "Niedrigwasser-Informationsdienst" des Bayerischen Landesamt für Umwelt im Internet veröffentlicht (http://www. nid.bayern.de/). Die mittlerweile bis zum 23.02.2016 vorliegenden (danach trat ein zweiwöchiger Ausfall der Registriereinrichtung auf) und somit eine Zeitspanne von drei Jahren umfassenden Messwerte des Aschenbrunnen bilden eine der Datengrundlagen für die folgenden Untersuchungen.

 

5. Grundwasserneubildungen im Karstgebiet von Pegnitz/Pottenstein

Einer der Forschungsschwerpunkte der Hydrogeologie besteht darin, konkrete Angaben über die Grundwasserneubildung eines Gebiets zu erhalten. Nur bei einer möglichst genauen quantitativen Ermittlung dieser Wasserhaushaltsgröße können Aussagen über die vorhandenen Grundwasservorräte und deren Nutzung für die Trink- und Brauchwassergewinnung gewonnen werden. Diese Problemstellung gewinnt unter Berücksichtigung des zu beobachtenden Klimawandels, der damit verbundenen Veränderung des Niederschlagsgeschehen sowie der zunehmenden Belastung der Grundwasserkörper durch anthropogenen Schadstoffeintrag zunehmend an existentieller Bedeutung.

Durch die Bestimmung der Verhältnisse zwischen Wassereinnahmen ("input", überwiegend durch Niederschläge) und Wasserausgaben ("output", vorwiegend durch Verdunstung sowie – in weit geringerem Maße – durch ober- und unterirdischen Abfluss) können für das jeweilige Gebiet und den entsprechenden Zeitraum Aussagen über die Grundwassermengen getroffen werden. Hierzu werden für den betrachteten Zeitraum aufgrund von Niederschlagsmessungen sowie der Bestimmung der Verdunstung auf empirische oder mathematische Weise quantifizierte Aussagen getroffen, ob während dieser Beobachtungszeiträume Wassermengenentzüge, Wassermengenkontinuität oder Wassergewinne im Gebirge zu verzeichnen sind.

Die Neubildung des Grundwassers ist gekennzeichnet durch die Versickerung bzw. direkte Einbringung von Niederschlagswasser abzüglich der gleichzeitig stattfindenden Verdunstung. Die Verdunstung ist entsprechend den – am betreffenden Ort gegebenen – klimatischen Verhältnissen jahreszeitlich und in einzelnen Jahren verschieden und darüber hinaus entscheidend von der Vegetation, der Bodenbeschaffenheit, der Landbewirtschaftung und den mikroklimatischen Verhältnissen abhängig: So ist beispielsweise der Versickerungsbetrag auf ackerbaulich genutzten Flächen wesentlich höher als unter Wald; am meisten versickert an nassen, unbewachsenen Bodenstandorten (BAIER & LÜTTIG 2000). Auf der Hochfläche der Frankenalb führen die karstspezifischen Infiltrationsbedingungen dazu, dass relativ große Anteile des Niederschlags zur Grundwasserneubildung beitragen: In gemäßigt humiden Bereichen mit Vegetationsdecke sind dies n. BÖGLI (1978) rund 50 % der Niederschlagsmenge, im unbedeckten "nackten" Karst versinken sogar > 80 % der Niederschläge.

Zur Bestimmung des Wasserhaushalts eines Gebietes ist die zahlenmäßige Erfassung der einzelnen Wasserhaushaltsgrößen Niederschlag, Verdunstung und Abfluss erforderlich:

Die mengenmäßige Erfassung der Bilanzgröße "Niederschlag" ist hierbei mit noch relativ einfachen Mitteln, wenn auch mit systematischen Messungenauigkeiten wie Benetzungsfehlern und Messdefizite durch Windeinfluss behaftet, möglich. In kleinen Einzugsgebieten mit nur mäßigem Relief ist die Übertragung des gemessenen Punktniederschlages auf die Fläche des Einzugsgebietes ein meist geringeres Problem als die zuverlässige Bestimmung des Punktniederschlages an sich (SOKOLLEK 1983).

Unter dem Begriff "Verdunstung" werden grundsätzlich mehrere physikalisch/biologische Vorgänge zusammengefasst: Die Evaporation hängt als Verdunstung von einer unbewachsenen Boden- oder Wasseroberfläche allein von physikalischen Komponenten wie ein- und ausgestrahlter Sonnenenergie, Lufttemperatur und Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit etc. ab. Bei der pflanzlichen Transpiration spielen neben physikalischen Gesetzmäßigkeiten vor allem die Lebensvorgänge der entsprechenden Vegetation eine entscheidende Rolle. Diese beiden Verdunstungsarten summieren sich zum totalen Wasserverlust des jeweiligen Gebietes an die Atmosphäre, zur Evapotranspiration.

Eine Sonderform der Evaporation ist die lnterzeption, worunter der Vorgang verstanden wird, bei dem ein Teil des Niederschlags an der Oberfläche von Pflanzen haften bleibt und somit – ohne die Boden- oder Wasseroberfläche zu erreichen – von hier aus wieder verdunstet. Diesbezügliche Untersuchungen von BAIER & LÜTTIG (2000) ergaben, dass bei emersen Pflanzenbeständen während Niederschlagsereignissen bis 1 mm in der Regel zwischen 65 % und 100 % der Niederschlagssumme an den Blattoberflächen haften blieben. Auch bei stärkeren Niederschlägen sind die lnterzeptionsverluste beträchtlich: Bei Niederschlägen mit einer Summe zwischen 1 mm und 10 mm blieben meist zwischen 25 % und 50 % des Niederschlags unproduktiv an den Pflanzenoberflächen hängen. Selbst bei Niederschlägen >10 mm konnte noch lnterzeptionsverluste zwischen 9 % und 22 % beobachtet werden.

Da nicht immer genügend Wasser zur Verfügung steht, um die maximal möglichen Verdunstungswerte von Böden oder von Pflanzen zu erreichen, ist es in der hydrologischen Praxis weiterhin äußerst wichtig, zwischen der aktuellen Evaporation (AE), bzw. Evapotranspiration (AET) und der potenziellen Evaporation (PE) bzw. Evapotranspiration (PET) zu unterscheiden.

Die aktuelle Verdunstung (AE u. AET) bezieht sich auf die vom tatsächlichen (meist stark verringerten) Bodenwassergehalt abhängige Verdunstung einer Gesteinsoberfläche oder der darauf stehenden Pflanzen, während die potenzielle Verdunstung (PE u. PET) nur bei stets in ausreichender Menge zur Verfügung stehenden Wasser wirksam wird, wie dieses in grundwassernahen Standorten wie Feuchtgebieten sowie bei Grundwasserblänken, Flüssen, Bächen etc. der Fall ist. Auf der Hochfläche der Frankenalb sind somit die AE und hauptsächlich die AET wirksam, während die PE und PET lediglich in den – flächenmäßig vernachlässigbaren – Talauenbereichen und Fließgewässern der Karsttäler vorherrscht.

Von der Bilanzgröße "Abfluss" ist nur der oberirdische Anteil in der Größenordnung fassbar. Der unterirdische Abfluss entzieht sich in der Regel aufgrund des meist inhomogenen Aufbaus, der Zerklüftung und den an Störungszonen der Gesteinsschichten im Untergrund vorhandenen Anisotropie und den – in einigen Fällen – bei unterschiedlichen Grundwasserständen wechselnden Fließrichtungen des Grundwassers einer genauen quantitativen Bestimmung.

Die quantitative Bestimmung der Abfluss-Gesamtmenge lässt sich nach der Wasserhaushaltsgleichung als Restgröße nach dem Ansatz bestimmen:

Abfluss = Niederschlag – Verdunstung – Interzeption

In Karstgebieten findet jedoch vor allem bei Starkniederschlägen und nach der Schneeschmelze ein nicht quantifizierbarer oberirdischer Abfluss über die Trockentalsysteme statt. Dieser messtechnisch nicht fassbare Anteil bedingt, dass die im Folgenden durchgeführten Bestimmungen des unterirdischen Abflusses und somit der Karstgrundwasser-Neubildung im Einzugsgebiet lediglich Maximalwerte darstellen, welche in praxi wohl nur selten erreicht werden.

Bezüglich der zeitlichen Erfassung beginnt in der hydrogeologischen Praxis – abweichend vom kalendarischen Jahr – das hydrologische Jahr gemäß DIN 4049-1 (DIN 1992) am 01. November und endet am 31. Oktober des Folgejahres; es wird in ein hydrologisches Winterhalbjahr (November bis April) und Sommerhalbjahr (Mai bis Oktober) unterteilt. Diese zeitliche Differenzierung wurde gewählt, weil in Deutschland die Wasserreserven in Grund- und Oberflächengewässern meist Ende Oktober am geringsten sind. Durch die Verschiebung werden somit auch die Niederschläge erfasst, die während der Wintermonate als Schnee und Eis im entsprechenden Einzugsgebiet gespeichert sind und erst im darauf folgenden Frühjahr als Schmelzwasser abflusswirksam werden.

 

6. Witterungsgeschehen vom November 2012 bis Februar 2016 im Karstgebiet von Pegnitz/Pottenstein

Die in dieser Arbeit verwendeten Witterungsangaben beziehen sich auf die jahrzehntelangen Messungen in der privaten Wetterstation von Herrn Helmut Strobel in der Stadt Pegnitz/Ofr. Hier liegt ein seit Januar 1934 bis heute kontinuierlich aufgezeichneter Datensatz vor, welcher neben phänologischen Beobachtungen auch Aufzeichnungen der täglichen Niederschlagsmengen, der Lufttemperaturen (leider nicht der Luftfeuchten), der Sonnenscheindauer, der Windgeschwindigkeiten sowie der Schneebedeckung und des Bodenfrostes beinhaltet.

Die Vergleiche der von November 2012 bis Februar 2016 beobachteten Monats-, Halbjahres- und Jahreswerte von Lufttemperatur und Niederschlag nehmen Bezug auf den Zeitraum der international gültigen Referenzperiode 1961 bis 1990.

So beträgt für das Gebiet von Pegnitz/Ofr. das langjährige Jahresmittel der Lufttemperatur +7,3° C und das Niederschlagsjahresmittel 795 mm/a. Beim Vergleich der im Untersuchungsgebiet beobachteten Monatsmittel der Lufttemperaturen zu den langjährigen Durchschnittswerten fällt auf, dass bis auf Februar und März 2013, August 2014, Februar 2015 und Oktober 2015 alle Monate teils beträchtlich zu warm ausfielen. Besonders auffällig erscheinen neben den Hitzeperioden während der jeweiligen Sommermonate vor allem die lang anhaltenden Wärmeperioden in den letzten drei Winterhalbjahren.

Im Vergleich zu den langjährigen Mittelwerten der Referenzperiode 1961 bis 1990 waren nahezu alle hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahre im Beobachtungsgebiet teils erheblich zu warm. Lediglich das Winterhalbjahr 2012/13 entsprach mit einer Durchschnittstemperatur von +1,6° C dem langjährigem Mittel, während die folgenden Winterhalbjahre von +1,6 K bis +2,7 K zu warm waren; diese Tendenz scheint sich auch im Winterhalbjahr 2015/16 fortzusetzen. Ebenso lagen die Lufttemperaturen während der Sommerhalbjahre mit +1,1 K bis +1,8 K teils beträchtlich über den langjährigen Mittelwerten.

Die gemessenen Jahresmittel der Lufttemperaturen zeigen mit +0,6 K bis +2,0 K gegenüber dem langjährigen Durchschnitt deutlich die wesentlich zu warmen Witterungsverhältnisse an.

Die durch eine wesentlich zu warme Witterung gekennzeichnete Beobachtungsperiode spiegelt sich auch in den registrierten Niederschlägen wider: Bereits die beobachteten Niederschlags-Tagessummen [mm/d] zeigen ein relativ häufiges Auftreten von beträchtlichen Starkniederschlägen. So konnte am 20.06.2013 ein Niederschlag mit 63,4 mm/d registriert werden: Diese Tagessumme entspricht rund 73 % der während des gesamten Juni üblichen Regenmenge. Weitere Starkniederschläge mit Tagessummen >30 mm/d wurden am 23.12.2012, 31.05.2013, 18.09.2013, 27.07.2014, 02.08.2014, 12.09.2014 und 20.11.2015 beobachtet.

Die Gegenüberstellung der in der Pegnitzer Messstation registrierten Monatssummen der Niederschläge in Relation zu den langjährigen Durchschnittswerten zeigt auf, dass vom November 2012 bis zum Februar 2013 teils beträchtlich zu hohe Niederschläge fielen, so dass zum Beginn der Quellschüttungsmessungen am Aschenbrunnen (24.02.2013) von einem gut gefülltem Karstwasserkörper im Gebirge ausgegangen werden kann. Im weiteren Witterungsverlauf traten sehr unregelmäßig verlaufende und stark schwankende Niederschlagsverhältnisse auf. Insgesamt konnten während der 40-monatigen Witterungsperiode für 15 Monate stark überhöhte (+20 % bis +171 %) Niederschlagssummen verzeichnet werden. Diesen durch Wasserzugewinne gekennzeichneten Monaten standen 16 Monate mit großen Niederschlagsdefiziten (-20 % bis -69 %) gegenüber, welche bevorzugt während der Wintermonate auftraten.

Bei den Halbjahressummen der Niederschläge fallen neben dem sehr niederschlagsreichen Sommer 2013 sowie dem Sommer 2014 vor allem die sehr niederschlagsarmen Winterhalbjahre 2013/14 und 2014/15 sowie der trockene Sommer 2015 auf. Erst vom November 2015 ab konnte wieder ein ausreichendes Niederschlagsdargebot beobachtet werden.

Bezüglich der Jahres-Niederschlagssummen wurden im hydrologischen Jahr 2013 mit 1081 mm/a um + 36 % zu hohe Niederschläge registriert, während die Jahre 2014 und 2015 mit 780 mm/a (- 2 %) bzw. 588 mm/a (-26 %) zu niederschlagsarm waren.

In der Gesamt-Niederschlagssumme konnten während dieser drei Jahre mit 2449 mm sogar um rund 3 % zu hohe Niederschläge bilanziert werden. Die stark zeitlich differenzierte Verteilung der Niederschläge legt die Vermutung nahe, dass den – vor allem in den verdunstungsarmen Herbst- und Wintermonaten beobachteten – Niederschlagsdefiziten eine entscheidende Rolle bei der fehlenden Karstgrundwasser-Neubildung zukam, was sich letztlich in den stark zurückgehenden Quellschüttungen oder dem gänzlichen Versiegen der Quellen bemerkbar machte: So sank beim Aschenbrunnen die mittlere Schüttungsrate von rund 16 L/s (Feb. 2013) auf ca. 12 L/s (Okt. 2015) ab. Im Folgenden sollen somit die vermuteten Abhängigkeiten der Quellschüttungsraten des Aschenbrunnen von den infiltrierten Niederschlägen geprüft werden. 

 

7. Statistische Analysen der Zusammenhänge zwischen den Quellschüttungsraten des Aschenbrunnen und den infiltrierten Niederschlägen

Um die zeitliche Verschiebung der Abhängigkeiten zwischen zwei Variablen zu bestimmen, wird das statistische Verfahren der Kreuzkorrelation angewandt. Diese Art der statistischen Analyse hat vor allem für hydrogeologische Untersuchungen eine große Bedeutung, da sich bei den hier ablaufenden Prozessen die Einflussgrößen häufig mehr oder weniger zeitverzögert bemerkbar machen. Das Ziel bei dieser statistischen Analyse besteht darin, die Anzahl der zeitlichen Verschiebungen k herauszufinden, für welche über einen entsprechenden linearen Korrelationskoeffizienten r_k ein signifikanter Zusammenhang ermittelt werden kann.

Die Werte r_k werden hier als Kreuzkorrelationskoeffizienten r_k bezeichnet und das Ergebnis als Kreuzkorrelogramm aufgetragen (LANGGUTH & VOIGT 1980). Diejenigen Werte von r_k , welche das jeweilige Signifikanzniveau erreichen oder übersteigen, zeigen die jeweilige Zeitverzögerung des Zusammenhangs zwischen der verursachenden Einflussgröße X (hier: infiltrierter Niederschlag) und der Zielgröße Y (hier: Quellschüttung) an.

Im Folgenden wird mit Hilfe der Kreuzkorrelationsanalyse geprüft, ob mathematisch fassbare Zusammenhänge zwischen den – von Februar 2013 bis Oktober 2015 beständig, aber nicht linear zurückgehenden – Schüttungsraten des Aschenbrunnen E’ Pottenstein und den im Raum Pegnitz/Ofr. registrierten Niederschlägen bestehen und als wie stark sich diese Zusammenhänge gegebenenfalls charakterisieren lassen.

Für den Zeitraum von 1095 Tagen (24.02.2013 bis 23.02.2016) werden die Abhängigkeiten der mittleren täglichen Quellschüttungsraten Q [L/s] und der registrierten Niederschlagsraten [mm/d] bis zu einer maximalen Zeitverschiebung von 30 Tagen untersucht. Insgesamt werden 31 lineare Korrelationskoeffizienten r₀ bis r₃₀ berechnet.

Zur Bestimmung von r₀ werden n. LANGGUTH & VOIGT (1980) zunächst die beiden Zeitreihen Q (= Quellschüttung) und N (= Niederschlag) ohne Zeitverschiebung miteinander korreliert. Im nächsten Schritt wird die Zeitreihe des Niederschlags N um einen Tag nach unten verschoben, so dass jeweils die Quellschüttung Q des Tages t mit dem Niederschlag des Tages t-1 ein Wertepaar bildet. Entsprechend werden auch die Kombinationen für die weiteren mehrtägigen Verschiebungen angewandt. Die maximale Anzahl der Verschiebungen beträgt somit m = 30 und – da für die nach unten verschobenen Niederschlagswerte am Anfang des Messzeitraums die Messdaten der vorangegangenen Februartage "nachrücken" – der Stichprobenumfang für die Korrelationen einheitlich n = 1095.

Zum Signifikanztest werden versuchsweise drei Signifikanzniveaus (5 %, 1 % und 0,1 %) verwendet. Diese auch als Alphaniveau benannte Größe gibt an, wie hoch das Risiko ist, das man einzugehen bereit ist, eine falsche Entscheidung zu treffen. Bei der Prüfung von Hypothesen können prinzipiell zwei Arten von Fehlern gemacht werden: Entweder wird eine richtige Hypothese abgelehnt (alpha-Fehler) oder eine falsche Hypothese wird angenommen (beta-Fehler). Die Wahrscheinlichkeit, einen der beiden Fehler zu begehen, ist abhängig von der Wahl des Signifikanzniveaus. So erschweren ein relativ geringes Signifikanzniveau (a = 0,05) die Annahme einer Hypothese, ein hohes Signifikanzniveau (a = 0,001) die Ablehnung einer Hypothese. Je nachdem, ob es folgenschwerer ist, einen alpha- oder einen beta-Fehler zu begehen, wird a entsprechend höher oder niedriger gewählt. Prinzipiell muss aber bei der Interpretation eines statistischen Testergebnisses immer berücksichtigt werden, dass die Annahme einer Hypothese nichts über deren Richtigkeit aussagt. Es werden lediglich zwei Hypothesen miteinander verglichen und eine Hypothese wird aufgrund des Untersuchungsbefundes der anderen Hypothese vorgezogen (LANGGUTH & VOIGT 1980).

Jeder Signifikanztest ist stets mit einer gewissen Irrtumswahrscheinlichkeit behaftet. Die jeweils besten Korrelationskoeffizienten werden in einem zweiten Schritt nach dem Ansatz von SACHS (1974) nochmals auf ihre genaue Signifikanz geprüft. Dies geschieht mittels Berechnungen der Irrtumswahrscheinlichkeit zur Bestimmung des kritischen Prüfwertes z_a. Die hierbei relevante Irrtumswahrscheinlichkeit "alpha" dient als Kriterium für die Annahme oder Zurückweisung einer Hypothese. Überschreitet der errechnete Prüfwert z den kritischen Wert z_a, so ist auf dem entsprechenden Signifikanzniveau eine Korrelation gesichert. Aussagen, bei denen ein alpha = 0,05 zugrunde liegt, können als signifikant, Aussagen mit alpha = 0,01 als sehr signifikant bezeichnet werden (LANGGUTH & VOIGT 1980).

 

7.1. Statistische Analysen der Zusammenhänge zwischen Quellschüttungsraten und gefallenen Niederschlagsmengen

Im ersten Schritt werden die statistischen Beziehungen zwischen den gemessenen Quellschüttungsraten (Q) des Aschenbrunnen und den registrieren Tagesniederschlagsummen (N) in einer 30 d-Kreuzkorrelation untersucht. Die kritischen Werte r_{FG, a} zum Test der Kreuzkorrelationskoeffizienten betragen nach SACHS (1974: 330) für den zweiseitigen Test und n = 1095 - 2:

• r_{1093; 0,050} = 0,062 (r_k auf 5% Signifikanzniveau);
• r_{1093; 0,010} = 0,081 (r_k auf 1% Signifikanzniveau);
• r_{1093; 0,001} = 0,104 (r_k auf 0,1% Signifikanzniveau).

Das Kreuzkorrelogramm zwischen den Tageswerten von Q [L/s] und N [mm/d] überschreitet in acht Fällen das 5 %-Signifikanzniveau sowie in einem Fall (N: t-2) sogar das 1 %-Signifikanzniveau; dies bedeutet, dass ein statistischer funktionaler Zusammenhang zwischen den jeweiligen Datensätzen nachgewiesen werden kann. Die Korrelation zwischen der Quellschüttung und den zwei Tage zuvor gefallenen Niederschlägen ist mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 0,75 % gesichert. Jedoch zeigen die entsprechenden Korrelationskoeffizienten mit Werten von max. +0,08 nur "äußerst geringe bis zweifelhafte" statistische Zusammenhänge zwischen den beiden Messgrößen auf.

Diese sehr schlechte Korrelation ist dadurch begründet, dass die registrierten Niederschlagssummen nicht den entsprechenden Infiltrationsraten entsprechen: Vor allem die Evapotranspirationsvorgänge sowie die unterschiedlichen Anteile an Interzeptionsverlusten zehren den überwiegenden Teil der Niederschläge auf, bevor die verbliebenen Wassermengen im Karstgebirge versinken können. Weiterhin wurde aufgrund der Niederschlagsdefizite während der vergangenen beiden Jahre eine Verringerung der Grundwasservorräte im Karstgebirge verursacht, welche sich letztlich im Trockenfallen der Pegnitzquelle und im Zurückgehen der Schüttungsraten des Aschenbrunnen bemerkbar machte. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Messdauer ein Abfallen des hydraulischen Drucks im Karstgebirge zu verzeichnen war. In einem zweiten Schritt gilt somit zu prüfen, ob sich bessere Kreuzkorrelationen auf höheren Signifikanzniveaus zwischen der jeweiligen Quellschüttungszunahmen des Aschenbrunnen und den Infiltrationsraten nach Niederschlägen ergeben.

 

7.2. Statistische Analysen der Zusammenhänge zwischen Quellschüttungszunahmen und den Infiltrationsraten der gefallenen Niederschläge

Zur Prüfung der Korrelationen zwischen der Quellschüttung Q und der jeweiligen Infiltrationsrate J wird zunächst die Differenz zwischen dem jeweiligen 30-Tage- Mittelwert von Q und den entsprechenden Tageswerten der Quellschüttung bestimmt. Dieses 30 d-Mittel von Q ("geglättete Schüttungskurve") entspricht in etwa dem jeweiligen Grundwasserandrang aus dem Gebirge, während die jeweils gegenüber diesen Mittelwerten ansteigenden Quellschüttungsraten Q_s durch die niederschlagsimplizierten Versickerungsmengen im Karstgebirge bedingt sind.

Weiterhin werden anhand der in Pegnitz/Ofr. beobachteten Klimadaten die Interzeptionsverluste der Niederschläge n. BAIER & LÜTTIG (2000) bestimmt und in einem zweiten Schritt die Näherungswerte der aktuellen Verdunstung n. TURC (1955) berechnet. Die Verdunstungsformel n. TURC (1955) dient zur Ermittlung von Näherungswerten der aktuellen Evapotranspiration (AET). Sie berücksichtigt die registrierten Niederschlagsmengen und die beobachteten Lufttemperaturwerte. Die Überlegungen, welche dieser Bestimmungsart zugrunde liegen, gehen davon aus, dass zwar die potentielle Verdunstung durch klimatische Gegebenheiten bedingt wird, die aktuelle Verdunstung aber von vorhandenen Wasserdargebot abhängt: Nur wenn die Niederschläge gegenüber der potentiellen Verdunstung überwiegen oder stets genügend Grundwasser zur Verfügung steht, entspricht die potentielle der aktuellen Verdunstung. Die jeweilige Infiltrationsrate J [mm/d] ergibt sich somit nach dem Ansatz:

Infiltration [mm/d] = Niederschlag [mm/d] - Interzeptionsverluste [% von N] - AET [mm/d]

Während die jeweilige Infiltrationsrate ("Grundwasser-Input") während der Sommermonate direkt in Ansatz gebracht werden kann, muss während der Wintermonate eine Differenzierung zwischen direkten Einsickerungsmöglichkeiten während frostfreier Zeiträume und Perioden mit Bodenfrost und Schneebedeckung vorgenommen werden. Bei längeren Frostperioden werden die Versickerungsraten gleich Null gesetzt und die während dieser Zeit gefallenen Niederschlagsmengen erst während der darauf folgenden Tauperioden zum Ansatz gebracht.

Für die gesamte dreijährige Beobachtungsperiode werden zum statistischen Test der Zusammenhänge zwischen den Quellschüttungszunahmen Q_s und den – um unterschiedliche Zeitintervalle verschobenen – Zeitreihen der Infiltrationsraten J die Korrelationskoeffizienten der jeweiligen linearen Regressionen berechnet. Die kritischen Werte r_{FG, a} zum Test der Kreuzkorrelationskoeffizienten sind aufgrund der gleichen Datenmenge identisch zu jenen in Kap. 7.1.

Das Kreuzkorrelogramm für die gesamte dreijährige Beobachtungsperiode zeigt, dass bei siebzehn Bestimmungen der 30-tägigen Prüfperiode das 5 %-Signifikanzniveau und bei sechs Korrelationen sogar das 0,1 %-Signifikanzniveau überschritten wird. Ein funktionaler Zusammenhang zwischen Q_s und J kann somit statistisch nachgewiesen werden. Durch die rechnerische Bereinigung der Niederschlagswerte zu Infiltrationsraten können somit die Korrelationen zu den beobachteten Quellschüttungsraten wesentlich verbessert werden. Der maximale Kreuzkorrelationskoeffizient r₂ = 0,26 tritt bei der zweitägigen Verschiebung ein und ist mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von <0,01 % gesichert. Daneben sind auch r₅ und r₆ ähnlich signifikant.

Ein noch besser differenziertes Bild ergibt sich bei der Betrachtung nach Winter- und Sommerhalbjahren. Die kritischen Werte r_{FG, a} zum Test der Kreuzkorrelations-Koeffizienten betragen nach SACHS (1974: 330) für den zweiseitigen Test und n = 552 - 2:

• r_{550; 0,050} = 0,088 (r_k auf 5% Signifikanzniveau);
• r_{550; 0,010} = 0,115 (r_k auf 1% Signifikanzniveau);
• r_{550; 0,001} = 0,146 (r_k auf 0,1% Signifikanzniveau).

Während sich für die Winterhalbjahre nur diffus verteilte Korrelationskoeffizienten mit geringen bis sehr zweifelhaften Zusammenhängen zwischen Infiltration und Quellschüttung bestimmen lassen, zeigt das Kreuzkorrelogramm der Sommerhalbjahre relativ scharf ausgeprägte Abhängigkeiten zwischen J und Q_s.

Während der Wintermonate sind diese Gegebenheiten wohl einerseits den relativ geringen Niederschlagsraten geschuldet, können andererseits aber auch auf das im Einzugsgebiet des Aschenbrunnen jeweils sehr unregelmäßige Abschmelzen der Schneedecken und die inhomogen ablaufenden Auftauvorgänge der Böden zurückgeführt werden. Während der Sommermonate sind hingegen die Zusammenhänge zwischen den in Klüften und Ponoren versinkenden Niederschlägen, dem Durchlauf durch die Röhrensysteme im Karstgebirge und den Wiederaustritt in Karstquellen wesentlich deutlicher ausgeprägt. Der maximale Kreuzkorrelationskoeffizient r₂ = 0,29 tritt bei der zweitägigen Verschiebung ein und ist mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von <0,05 % gesichert. Daneben sind auch r₅ und r₆ sowie r₂₂ ähnlich signifikant.

Vom hydrogeologischen Standpunkt aus betrachtet bedeutet dies, dass sich die Niederschlagswässer im Einzugsgebiet des Aschenbrunnen mit ein- bis zweitägiger sowie fünf- bis sechstägiger Verzögerung auf die Schüttung dieser großen Karstquelle auswirken; ein dritter, schwach ausgeprägter Grundwasserzustrom scheint nach 22 Tagen aufzutreten und dürfte aus sehr weit im N gelegenen Arealen des Einzugsgebietes erfolgen. Der hauptsächlich sehr rasch erfolgende Grundwasserdurchsatz mag für eine Quelle des Tiefen Karstes zunächst überraschen; jedoch sind auch aus anderen Gebieten des süddeutschen Karstgebirges Grundwasser-Fließgeschwindigkeiten bis 450 m/h bekannt (BÖGLI 1978). Diese Gegebenheiten weisen deutlich auf die potentielle Gefährdung durch plötzlich auftretende Schadstoffeinträge in das Karstwasser und somit Kontaminationsgefahren für Trinkwasserbrunnen hin.

 

8. Wasserbilanzen

Die Bestimmungen der Wasserhaushaltsgröße "Abfluss" aus der Differenz zwischen Niederschlägen und den Verdunstungsarten AET und Interzeption sind in der folgenden Tabelle für die jeweiligen hydrologischen Halbjahre und Gesamtjahre dargelegt.

Die Bilanzgrößen in der rechten Spalte geben die ermittelten Höhen für die entsprechenden Abflussspenden an, welche im fränkischen Karstgebirge zu weit überwiegenden Anteilen in die Grundwasserneubildung eingehen.

Während des Winter- und Sommerhalbjahres 2012/2013 waren stark positive Halbjahresbilanzen zu verzeichnen. Die Gesamt-Jahresbilanz von +414 mm bedingte ein sehr gut gefülltes Karstwasserreservoir, welches sich auch in hohen Schüttungsraten des Aschenbrunnen von >16 L/s bemerkbar machte.

Das Winterhalbjahr 2013/14 war hingegen äußerst niederschlagsarm. Die Gesamt-Halbjahressumme unterschritt den langjährigen Mittelwert um -152 mm (- 37%). Dieses Niederschlagsdefizit äußerte sich allerdings in nur mäßig abfallenden Schüttungsraten des Aschenbrunnen, da der Karstwasserkörper über noch ausreichende Reserven verfügte. Diese günstigen Verhältnisse veränderten sich jedoch mit Beginn der Vegetationsperiode im Sommerhalbjahr 2014. Vor allem das starke Niederschlagsdefizit im Juni 2014 bedingte ein rasches Absinken der Quellschüttungsraten auf ein Niveau von rund 13,5 L/s, auf welchen der Aschenbrunnen auch während des gesamten Sommers verblieb. Der während dieses Sommerhalbjahres registrierte Niederschlags-Überschuss von +137 mm (+35 %) wirkte sich wohl nur in einer Stagnation der Grundwasserverhältnisse im Karstgebirge aus.

Auch während des Winterhalbjahres 2014/15 waren Niederschlagsdefizite zu verzeichnen. Die Halbjahressumme von 332 mm unterschritt das langjährige Mittel um -75 mm (-18 %). Die Schüttungsraten des Aschenbrunnen zeigten während der ersten Monate dieses Winters bei Durchschnittswerten um 13 L/s ein jeweils prägnantes, jedoch kurzzeitiges Ansprechen auf einzelne Niederschlagsereignisse, was für schon deutlich verringerte Karstwasserreserven im Gebirge spricht. Gegen Ende dieses Winters ging die Quellschüttung auf Werte um 12 L/s zurück. Die hydrologische Bedeutung der Wintermonate für die notwendige Grundwassererneuerung wird anhand dieses negativen Beispiels drastisch veranschaulicht.

Die mittlerweile stark reduzierten Grundwasservorräte im Karstgebirge erfuhren auch im Sommerhalbjahr 2015 keine Erholung. Diese Monate waren mit einem summarischen Niederschlagsdefizit von -132 mm (-34 %) erheblich zu trocken und aufgrund der lang anhaltenden Hitzeperioden für den Wasserhaushalt geradezu katastrophal. Die für dieses Sommerhalbjahr errechnete negative Wasserbilanz zeigt auf, dass während dieses heißen und sehr niederschlagsarmen Witterungsabschnittes summarisch überhaupt keine nennenswerte Grundwasserneubildung stattfinden konnte. Die defizitären hydrologischen Vorgänge bedingten schließlich das Trockenfallen der Pegnitzquelle sowie die Schüttungsminima des Aschenbrunnen von rund 11,8 L/s. Der stark abgesunkene Karstwasserspiegel im Gebirge und das hierdurch implizierte geringe hydraulische Gefälle zwischen den Grundwasserhöhen und dem Quellaustritt des Aschenbrunnen äußerte sich zum Ende des Sommers 2015 sehr anschaulich im schnellen Ansteigen der Quellschüttung unmittelbar nach den vereinzelten Niederschlägen sowie der nach kurzer Zeit wieder auf die Ausgangswerte zurückgehenden Wasserspende.

Erst mit dem Einsetzen von ergiebigen Niederschlägen zu Beginn des Winterhalbjahres 2015/16 begann sich das Grundwasserreservoir im Karstgebirge wieder aufzufüllen. Zwischen dem 01. Nov. 2015 und dem Ende der Quellschüttungs-Beobachtungen am 23. Feb. 2016 fielen im Untersuchungsgebiet insgesamt 418 mm (+ 52 %) Niederschläge und somit 71 % der Gesamt-Niederschlagssumme des vergangenen hydrologischen Jahres 2015. Dieses günstige hydrologische Geschehen äußerte sich – neben dem "Wiederanspringen" der Pegnitzquelle – in rasch zunehmenden Schüttungsraten des Aschenbrunnen bis 14,3 L/s. Allerdings sind die Grundwasservorräte in Franken bislang noch nicht auf den Stand von 2012 ergänzt. In Zukunft weiterhin folgende heiße Sommer und trockene Winter könnten zu einer ernsthaften Reduzierung der Grundwasservorräte und somit zur massiven Gefährdung der öffentlichen Trinkwassergewinnung führen, so dass zum Zeitpunkt März 2016 von einer Entwarnung noch nicht gesprochen werden kann.

 

9 Schlussbetrachtung und Ausblick

In Deutschland waren die Jahre 2014 und 2015 von außergewöhnlich warmen und trockenen Witterungsverhältnissen geprägt. Hydrologisch bedeutsam waren hierbei neben den lang andauernden Hitzeperioden vor allem die massiven Niederschlagsdefizite, welche in Nordbayern zum Versiegen von Quellen, dem Austrocknen von Bächen und der Beeinträchtigung der Trinkwasserversorgung führten. Überregionale öffentliche und mediale Aufmerksamkeit erregte im August 2015 das Trockenfallen der Pegnitzquelle in der Stadt Pegnitz/Ofr. Auch die zur Trinkwasserversorgung von Pottenstein genutzte Karstquelle "Aschenbrunnen" im Oberen Püttlachtal wies während der vergangenen drei Jahre signifikant zurückgehende Schüttungsraten auf, welche Ende Oktober 2015 ihre Minimalwerte erlangten.

Prinzipiell gewinnt in Deutschland – und hier vor allem in Nordbayern – das Problem der Grundwasserneubildung unter Berücksichtigung des auch hier zu beobachtenden Klimawandels, der damit verbundenen Veränderung der Niederschlagsverhältnisse sowie der zunehmenden Belastung der Grundwasserkörper durch anthropogene Schadstoffeinträge an existentieller Bedeutung.

Im Pegnitz/Pottensteiner Raum waren neben den Hitzeperioden der letzten drei Sommerhalbjahre vor allem die lang anhaltenden Wärmeperioden in den jeweiligen Winterhalbjahren auffällig. Bei der Auswertung der Niederschlagsdaten zeigten sich – neben dem relativ häufigen Auftreten von teils beträchtlichen Starkniederschlägen – starke Niederschlagsdefizite vor allem während der Winterhalbjahre. Dies ist deshalb stark zu besorgen, weil während der verdunstungsarmen Herbst- und Wintermonate ausreichenden Niederschlagsmengen eine entscheidende Bedeutung bei der notwendigen Grundwassererneuerung zukommt. Die während der vergangenen Jahre beobachteten Niederschlagsdefizite bedingten in Nordbayern eine mangelhafte (Karst-) Grundwasser-Neubildung.

Als Beispiel für die Grundwasserverhältnisse im Tiefen Karst der Frankenalb wurden die Abhängigkeiten der Quellschüttungsraten des Aschenbrunnen E‘ Pottenstein von den infiltrierten Niederschlägen geprüft. Die statistischen Analysen der Zusammenhänge zwischen Quellschüttungszunahmen und den Infiltrationsraten zeigen, dass sich die Niederschlagswässer im Einzugsgebiet des Aschenbrunnen hauptsächlich mit ein- bis fünftägiger Verzögerung auf die Schüttung dieser großen Karstquelle auswirken. Weiterhin können am Aschenbrunnen die Auswirkungen der Niederschlagsdefizite und somit der unzureichenden Grundwasser-Erneuerungsraten deutlich beobachtet werden.

Der durch die karstspezifischen Gegebenheiten bedingte, sehr rasch ablaufende Grundwasserdurchsatz deutet in Verbindung mit den zunehmend auftretenden Starkniederschlagsereignissen aber auch auf eine weitere potentielle Gefährdung hin. Karstgrundwasser erweist sich prinzipiell als besonders anfällig für Verschmutzungen. Die Grundwässer reagieren sehr sensibel auf Änderungen der hydrologischen Bedingungen, die hauptsächlich vom Niederschlag und von der Verdunstung abhängen. Bei Starkniederschlägen vor allem während der Vegetationsperiode, bzw. unmittelbar nach Düngemaßnahmen steigt das Risiko bezüglich plötzlich auftretender Schadstoffeinträge in das Karstwasser und somit von Kontaminationsgefährdungen der Trinkwasserbrunnen.

Im Wasser der Pegnitzquelle und auch in den Grundwässern des Tiefen Karstes von Pottenstein konnten noch in jüngerer Vergangenheit erhebliche Konzentrationsunterschiede bei der Nitrat-, Chlorid- und Sulfatfracht beobachtet werden, welche mit einer etwas verzögerten zeitlichen Abhängigkeit von den landwirtschaftlichen Düngemaßnahmen auftraten. Bei Starkniederschlägen sowie bei der Schneeschmelze besteht somit die Gefahr, dass Kontaminationen über Ponore sowie offene Klüfte rasch und ohne wirksame Filterung in das Karstwasserreservoir gelangen. So konnte beispielsweise in den Jahren 1997 und 1999 das Quellwasser des Aschenbrunnen aufgrund parasitärer Belastung (Giardia-Zysten und Cryptosporidien-Oozysten) zeitweise nicht zur Trinkwassernutzung verwendet werden (RAUM 1997, DEBRAY 2000). Derartige Beeinträchtigungen der Wasserqualität wurden in den Folgejahren durch Absprachen mit den Landwirten und dem durch Ausgleichszahlungen gestützten Verzicht auf Gülleaustrag im Einzugsgebiet dieser Trinkwasserquelle bis heute erfolgreich vermieden. Diese Maßnahmen können als vorbildlich für den Grundwasserschutz im fränkischen Karstgebirge angesehen werden.

10 Danksagungen

Mein herzlicher Dank gilt Herrn Gerhard Thiem-Förster und Herrn Manuel Zitzmann von der Stadtverwaltung Pottenstein für die sehr entgegenkommenden, umfangreichen Aktenrecherchen und die rasche, unkomplizierte Übermittlung der Quellschüttungsdaten des Aschenbrunnen im Püttlachtal E’ Pottenstein/Ofr.

Ebenso herzlich möchte ich Herrn Helmut Strobel für die freundliche, prompte Überlassung der umfangreichen, von ihm äußerst sorgfältig aufgezeichneten Witterungsdaten aus seiner privaten Wetterstation in Pegnitz/Ofr. danken.

Bei Herrn Richard Reinl (Nordbayerische Nachrichten Pegnitz) möchten ich mich für seine seit langer Zeit verlässlichen, tatkräftigen Unterstützungen bei den Geländetätigkeiten, seine unschätzbare Hilfe bei der Regelung und Erledigung der administrativen Voraussetzungen sowie der Bereitstellung von Zeitungsberichten und der Überlassung von Photoaufnahmen ganz besonders bedanken.

Zwei ungenannten Gutachtern sei für wertvolle Hinweise und für die Durchsicht des Manuskriptes gedankt.

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11 Literaturverzeichnis

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* Dr. Alfons Baier, last Update: Freitag, 24. Februar 2023 12:56

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