Ansätze zum Thema Wasserhaushalt

Unabhängig von der Beschreibung der Wasserhaushalts im Raum wurde in der Vergangenheit versucht, eine schlüssige, verbale Klassifikation der Situation an kartierten Orten auszuführen. Man diskutierte die Verwendung von bodenphysikalisch oder pflanzensoziologisch begründeten Schemata für Feuchteregimetypen (ZEPP 1991). Letztere leiten sich aus dem Vorkommen von Zeigerpflanzen ab. Zwei abgeleitete Größen der Bodenphysik sind der Wassergehalt und die Wasserspannung. Anhand der kumulativen Wasserspannungshäufigkeiten im Oberboden (30 cm) und im unteren Bereich des Hauptwurzelraums (90 cm) und ihrer zeitlichen Verteilung bildete ZEPP ein Gefüge von Bodenfeuchteregime-Typen. Er setzt restriktive und somit subjektive Schrankenwerte zu Vorgruppierung der Örtlichkeiten ein und gruppiert im Zuge einer Clusteranalyse objektiv weiter (S. 9ff). Schließlich bemerkt er (S. 15): „Insgesamt zeigen die Ausführungen, wie problematisch der Rückschluß von bodentypologischen Eigenschaften und bodengenetischen Merkmalen auf einen quantitativ formulierten Feuchteregimetyp ist; es bedarf einer differenzierten, komplexen Bewertung der hydromorphen Profilmerkmale, der Bodenartenschichtung, der Porengrößenverhältnisse und des Grundwasserstandes.“

Die Einbeziehung des Reliefs als Regelungsfaktor etwa für den Grundwasserstand oder durch selektive Umlagerung für die Bodenartenzusammensetzung wird dort nicht einbezogen, da kein Anspruch bestand, das Feuchteregime zu modellieren, sondern anhand von Messungen bzw. Kartierungen auszuweisen. Der Zusammenhang zum vorliegenden Beitrag besteht aber darin, dass dort wie auch bei der Forstlichen Standortskartierung Klassen (Stufen) resultieren, die unter Berücksichtigung der zeitlichen Versorgung den Standort verbal mit Begriffen wie „überwiegend naß“ oder „mäßig frisch“ beschreiben (S. 11).

Hangneigung und Exposition und Substrattypen sind das „Grundlagenmaterial zur Definition von Entscheidungskriterien“ bei der Typisierung und flächenhaften Erfassung auch von Bodenfeuchteregimen in einem Gebiet der Schweizer Alpen bei GIAMBONI & DÖBELI (1997:253f). Sie entwickeln unter Verweis auf MOSIMANN (1984) eine „Entscheidungsleiter zur Ausscheidung von geomorphologisch-geoökologischen Raumeinheiten (Pedohydrotopen)“, schalten eine Standortkartei mit Meßdaten dazwischen und propagieren die Möglichkeit einer „Übertragung der Punktdaten auf die Fläche“. Es ergeben sich bei bestimmter Exposition z.B. „zeitweise trockene, mäßig speicherfähige Standorte in südost-exponierter Oberhanglage“, wenn ein Ort weder Mulde noch Kuppe bei 0°-5° Neigung, noch Solifluktionsbildungen aufweist (S. 260). Es bleibt allerdings unklar, wie z.B. überhaupt die morphographische Einheit „Mulde“ oder „Kuppe“ abgegrenzt wird. Durch das starke Kriterium der Existenz von Solifluktionsbildungen in Kombination mit zwei Neigungsklassen und das nachgeschaltete Kriterium Substrat werden Reliefeigenschaften als direkte Steuergröße bei einer Kartierung etwas zurückgedrängt, obgleich sie durch Substrateigenschaften indirekt einbezogen sind. Hier wird wieder deutlich, dass der „Wasserhaushalt“ der FSK10 allein mit Reliefeigenschaften weniger gut modellierbar sein wird, dass also Substrateigenschaften (vgl. 7.1) ebenso bekannt sein sollten.

Bei der Modellierung des Bodenwasserhaushalts im unkartierten Raum wird heute i.d.R. zwischen dem Rückschluß von „punktuell gemessenen Größen auf größere Flächen (upscaling)“ und dem „Schließen von großräumigen Wasserhaushaltsinformationen auf den Bodenwasserhaushalt an Einzelstandorten (downscaling)“ unterschieden (Z & H 2001:16). Dabei liegt zugrunde, dass im Prinzip bereits

Dies weicht von der vorliegenden Arbeit insofern ab, als dass hier von einem ideellen Parametrisierungsraum und einem bezüglich des Wasserhaushalts unbekannten Zielraum ausgegangen wird (1.2.2 und 6.1.2). Andererseits kann man auch jede einzelne Zelle eines Zielraums als Einzelstandort auffassen, für den eine Prognose gemacht wird; dann würde es sich gewissermaßen um downscaling handeln. Das aktuelle Problem der Forststandortmodellierung käme der upscaling-Problemstellung dann nahe, wenn gemessene, kartierte Standorteigenschaften an Punkten als Datenbasis genutzt werden und damit der umgebende Zielraum mit Information belegt würde.

ZEPP & HERGET geben weiter eine methodische Dreiteilung der Zielgröße an: 1. Momentane Bodenfeuchtigkeit, 2. Bodenfeuchteregime und 3. Bodenwasserflüsse. Forststandörtlich handelt es sich um das Bodenfeuchteregime als zu modellierende Zielgröße(-klasse). Bodenhydrologische Kennwerte wie die nutzbare Wasserspeicherkapazität (nFK) und Wasserleitfähigkeit (kf-Wert) sind heute aus kartierbaren Bodenarten ableitbar. Auch Modelle der Grundwasserneubildung, basierend auf Nutzungsarten, der nFKwe, Relief und Grundwasserflurabstand liegen vor (S. 16).

Ohne bereits digitale Werkzeuge zu nutzen, sondern unter Verwendung einer „Insolationskartierung“

zeigt BIEDERBICK (1992:134) die Quantifizierung des Gesamtwasserhaushalts. Die dort vollzogene

„Kartierung“ beruht auf für Breitenkreise gültigen monatlichen Energie-Monatswerten (MORGEN 1957), die über gemessene langjährige Sonnenscheindauer an Beispielstationen reduziert und dann in Besonnungssummendiagramme eingetragen werden. Sie zeigen die Hangneigung und den Energieeintrag auf den Diagrammenachsen und den Zusammenhang der Steuergrößen durch Linien, die für die Haupthimmelsrichtungen repräsentativ sind. Die Diagramme werden im Gelände, wo die Reliefsituation bestimmt wird, benutzt und der Energieeintrag abgegriffen. Dort wird auch die „Horizontbegrenzung“

durch umliegende Höhen in Azimuth-Abständen von 22,5° gemessen und daraufhin der Eintrag reduziert.

Aus Vegetationszeitniederschlägen und der nWSK unter Annahme von vorratsfrischen Böden wurde die Summe des potenziell pflanzenverfügbaren Wassers berechnet, dem die mögliche von der Einstrahlung abhängige Verdunstungsmenge gegenübergestellt und somit bilanziert. Neben der Einstrahlung nennt BIEDERBICK Windverhältnisse bzw. Ventilation und konstatiert, dass diese die Verdunstung beeinflussenden Größen nicht wie die Insolation kartierbar sind.

Den einstrahlungsbasierten Reliefeinfluss finden auch WESSOLEK et al. (1993), allerdings auf landwirtschaftlichen Flächen, im südlichen Niedersachsen. Die Grundwasserneubildung im Jahr differiert auf nord- bzw. südausgerichteten Hängen bei nur 10 % Neigung bereits um 50 mm zugunsten des Nordhanges, was mit der verringerten Evapotranspiration zusammenhängt. WESSOLEK et al. stellen vier Bodenarten und die drei Reliefeinheiten Nord- und Südhang verschiedener Neigung und Ebene gegenüber und meinen, dass „der Einfluß des Reliefs ... auf den Wasserumsatz ... mindestens gleichbedeutend wie Unterschiede in der nutzbaren Feldkapazität“ ist.

DUTTMANN (2001:24f) stellt die Bodenfeuchte als Steuergröße der Bodenerosion an einem Beispielgebiet des Innersteberglandes in Niedersachsen vor. Dazu werden sommerliche Bodenfeuchtefelder hergeleitet (Wassergehalte in Vol.-%). Angestrebt sind somit Momentaufnahmen, nicht verallgemeinernde Beschreibungen des Feuchtezustands in der für das Baumwachstum bedeutsamen Vegetationszeit, was ein Unterschied zur vorliegenden Arbeit ist. Als relevant werden Eigenschaften (Faktoren) nach Boden-, Nutzungs- und Reliefkriterien angeführt. Die Feuchteverteilung wird mit „Regressionsgleichungen“

ermittelt, wobei konkrete Variablen und Koeffizienten nicht angegeben werden (S. 31). Es ergeben sich durch Felduntersuchungen nachgewiesene Regelhaftigkeiten, wie z.B. dass die Feuchte an Nordhängen mit steigender Hangneigung zunimmt, dass niedrigste Werte im Durchschnitt auf südlich exponierten Oberhangbereichen mit vertikal und horizontal konvexer Wöbung zu finden sind und dass Muldenbereiche bzw. konkave Bereiche größere Feuchte aufweisen. Desweiteren wird Flachgründigkeit angeführt und die Unterscheidung nach Wintergetreideanbau und Anbau von Sommergetreide bzw.

anderen Feldfrüchten getroffen (S. 30-31). Da es sich um landwirtschaftliche Standorte handelt, sind die Erkenntnisse nicht direkt übertragbar: Dort sind Durchwurzelung und Bewuchs anders als auf Waldflächen. In moderaterer Form sind die Verteilungen im Raum aber ähnlich.

In bewaldeten, stark reliefierten Gebieten der Südlichen Appalachen in 600-1500 m Höhe arbeiteten HELVEY et al. (1972). Sie gliederten die Messlokalitäten in Rücken, Mittelhang und Hangfuß und stellten dann für Tiefenstufen in 30 cm-Schritten bis 210 cm Tiefe separate Regressionsgleichungen auf.

Horizontale und vertikale Distanzen von der Lokalität zur Tiefenlinie bzw. zur Wasserscheide und die prozentuale vertikale Distanz in Relation zu Tiefenlinie und Wasserscheide kamen neben Hangneigung und –richtung als geomorphologische Variablen und klimatischen und bodenphysikalischen Variablen zum Einsatz. Die Höhendistanz zur Tiefenlinie (vgl. 5.2.3.9) wurde für das untere Viertel der Hänge als relevant erkannt. Exposition, der oft Bedeutung für Pflanzengesellschaften beigemessen wird, war nicht eindeutig mit der Bodenfeuchte korrelierbar. Der Grund können die hohen Niederschläge bei zugleich günstiger Wasserspeicherkapazität der Böden sein. Die jahreszeitlichen Wechsel der Feuchte in allen Tiefen waren auf Oberhängen am größten, auf Unterhängen am geringsten.

Das Programm SARA (KÖTHE & LEHMEIER 1993) wurde nicht nur im Rahmen von bodenkundlich-substratbezogenen Arbeiten verwendet (4.2), sondern fand auch in Bereiche der Hydrologie, der Abflußsimulation, Eingang (GEROLD 1999:81). „ ... flächenhafte Reliefeinheiten wurden mit ...

Messungen zur Erfassung der Bodenfeuchte ... in Beziehung gesetzt und der Zusammenhang ... geprüft.“

Es konnten „vier verschiedene Reliefeinheiten als HRU’s [hydrological response units] mit charakteristischen Unterschieden in der Bodenfeuchte statistisch abgesichert werden. Dabei nimmt die Bodenfeuchte im Mittel von den Senken- über die Konvergenz- und Intermediär- / Divergenzbereiche bis zu den Scheitelflächen kontinuierlich ab.“.

Im weiteren Sinn gehören auch Anwendungen der Reliefanalyse im medizinisch-klimatischen Bereich zu dem Thema „Wasserhaushalt“. GÜSSEFELDT & SAURER (1992) stellten ein Regressionsmodell der Wärmebelastung des Menschen auf und bestimmten den Reliefeinfluss mittels einer Hauptkomponentenanalyse. Diese war angebracht, da nur 38 synoptische Klimastationen im südwestdeutschen Mittelgebirgsraum, aber eine relativ große Anzahl von Variablen vorhanden waren.

Zuerst wurde aus der absoluten Höhe eine „relative“ Höhe abgeleitet und danach die Verringerung der Informationsredundanz der „Variablen“ per Hauptkomponentenanalyse durchgeführt. Variablenreduktion wird in Abschnitt 6.2.3 behandelt. Variablen waren 121 relative Höhenwerte eines 11x11-Zellen-Fensters (Zellen á 300 m), in dessen Mitte die betrachtete Station liegt. Es ergaben sich schließlich 12 Hauptkomponenten, die Oberflächentypen (~Oberflächenformen, ~Relieftypen) repräsentieren. Sie