Keller, H. M. (1974). Über den Chemismus kleiner Bäche in den Flyschvoralpen der Schweiz. Berichte, Eidgenössische Anstalt für das forstliche Versuchswesen: Vol. 130. Birmensdorf: Eidgenössische Anstalt für das forstliche Versuchswesen.

Eidg. Anstalt für das forstliche Versuchswesen, CH-8903 Birmensdorf

NR. 130„ 1974

ÜBER DEN CHEMISMUS KLEINER BÄCHE IN DEN FLYSCHVORALPEN DER SCHWEIZ

H. M. Keller

Separatdruck aus den Mitteilungen des Arbeitskreises "Wald und

Wasser", Essen, Nr. 6, 1974, S. 29-42

- 29 -

ÜBER DEN CHEMISMUS KLEINER BÄCHE IN DEN FL YSCHVORALPEN DER SCHWEIZ

H. M. Keller

Eidg. Anstalt filr das forstliche Versuchswesen, Birmensdorf

Kurzfassung

Elf kleine Einzugsgebiete in einer Kleinregion in den Flyschvoralpen der Schweiz sind Gegenstand hydrologischer und hydrochemischer Untersuchun- gen. Die Gebiete sind 0, 5 bis 3 km2 groß und unterscheiden sich vor allem in der Art der Bodennutzung sowie in topographischer Gestalt. Bezüglich Kli- ma und anstehendem Muttergestein zeigen sie nur wenig Unterschiede. Das hydrologische Verhalten sowie der Chemismus des Bachwassers wird bei ver- schiedenen Nutzungsarten in den Gebieten untersucht. Topographische, bo- denkundliche und vegetationskundliche Charakterisierung der Einzugsgebiete sowie Niederschlag, Abfluß, Wasser- und Lufttemperatur, Chemismus des Bachwassers, Wasserspiegelhöhe in vernäßten Flächen, Wasserwert der Schnee- decke und weitere spezifische Beobachtungen bilden die Grundlagen der Un- tersuchungen.

Die Variation des Chemismus, seine Beziehungen zur Abflußmenge, der Jah- reszeit, der Boden- und Vegetationsverhältnisse, sind die Hauptfragen des Projektes, wobei durch kontinuierliche Aufzeichnungen an 6 der 11 Bächen auch Wasser- und Stoffbilanzrechnungen durchgeführt werden sollen.

In allen Bächen nehmen die Konzentrationen von Kalzium, Karbonat, Sul- fat und Natrium mit zunehmender Wasserführung stark ab. Die Verdünnung dieser Stoffe variiert zwischen den Gebieten deutlich. Stofffrachten können vom Wasserabfluß und der entsprechenden Stoffkonzentration hergeleitet wer·

den. Es zeigen sich dabei Unterschiede zwischen den Einzugsgebieten, die durch weitere Untersuchungen ursächlich abgeklärt werden sollen.

1. Einleitung

Die Veränderlichkeit von Abflußmenge und Chemismus des Wassers aus klei- nen Einzugsgebieten ist vor allem durch 4 Faktorengruppen bestimmt:

a) die Witterung, deren zeitliche Schwankungen b) der Boden und die Vegetationsdecke im Gebiet

42203

c) die Morphologie und Topographie der Einzugsgebiete, deren Exposition, Steilheit, Form etc.

d) die Art der Nutzung des Bodens (z.B. Wald, Weide etc.).

Während Witterung und Klima vorwiegend die zeitliche Veränderung des Chemismus und der Abflußmengen beeinflussen, sind die übrigen 3 Fakto- rengruppen für die räumliche Verschiedenheit von Chemismus und Abfluß- regime verantwortlich; sie charakterisieren das Einzugsgebiet. Aus der Fül- le der vielseitigen Wechselbeziehungen soll in erster Linie folgende Abhän- gigkeit erkundet werden:

Y = f (X1, X2), wobei Y Abflußmenge, Stoffkonzentration oder Stofffr acht ist, X Witterung und Klima, und

X~ Charakteristika des Einzugsgebietes bezüglich Topographie, Boden, Ve- getation und Bodennutzungsart ist.

Während der Einfluß der Witterung auf Menge und Chemismus für jedes Gebiet einzeln festgestellt werden kann, dabei aber keine allgemeine Gül - tigkeit bekommt, so muß zur Erkundung des Einflusses von Boden, Vegeta- tionsdecke und Nutzung bereits eine Vielzahl von Gebieten betrachtet wer- den. Die in diesen Untersuchungen zur Verfügung stehende Zahl ist für sta- tistische Auswertungen allerdings nicht genügend.

2. Das Untersuchungsgebiet

Die 11 kleinen Einzugsgebiete des Alptales liegen im Flyschgebiet der Zen- tralschweizer Voralpen, südlich von Einsiedeln (KELLER, 1970). Ihre Fläche beträgt zwischen 44 und 319 ha und die Höhenlage ist 1060 bis 1655 m ü. M.

Die mittleren Gebietsexpositionen liegen zwischen ENE und ESE sowie WNW und WSW. Der Wald bedeckt zwischen 19 und 93

"/o

der Flächen, vernäßte Slmpfgebiete 4 bis 62 o/o und Alpweiden auf relativ gut drainierten Standor- ten sind mit O bis 57 o/o vertreten. Daraus ergeben sich sehr deutliche Unter- schiede bezüglich Vegetationsbedeckung, Boden und Nutzungsart. Der sub- alpine Fichtenwald ist beherrscht von der Fichte, an Schattenlagen von der Tanne reich beigemischt und in den höheren Lagen durch die Waldweide oft stark aufgelichtet. Die Sumpfgebiete sind meist natürliche, durch undurch - lässige Horizonte im Bodenprofil bedingte Naßstandorte. Die Alpweiden wer- den in den Sommermonaten Juni bis September bestoßen.

Der in Abbildung 1 angegebene Plan zeigt die Grenzen der einzelnen Ein- zugsgebiete und die Lage der verschiedenen Meßstandorte. Von den insgesamt 10 Regenmeßstandorten sind 2 mit kontinuierlichen Schreibern ausgerüstet, die

• Niederschlagsschreiber 0 Totalisator

0 Abflussmessstelle

® Grundwasserpegel

A Limnigraphenstation

- 31 -

Auszug aus der topographischen Korte der Schweiz 1, 25 ooo Nr.1152, lbergeregg

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^{1 km}

Abb. 1: Die Einzugsgebiete im Alptal, CH

übrigen sind Monatstotalisatoren, die im Winter nicht abgelesen werden. An deren Stelle treten Schneemeßstrecken in den Gebieten III und VIIL die sich sowohl im Freiland als auch in verschieden bestockten und exponierten

Waldflächen befinden (in Abb. 1 nicht eingezeichnet). Sechs der elf Abfluß- meßstellen sind mit Limnigraphen und einfachen mit Meßkanal versehenen Abflußstationen ausgerüstet. In allen Gebieten ist der Chemismus des Bach- wassers während mindestens zwei aufeinanderfolgenden Jahren durch wöchent- liche Probenahmen bestimmt worden. Die analysierten chemischen Kompo- nenten waren pH, el. Leitfähigkeit, Gesamthärte, Karbonathärte, Ca, Mg, Na, K, NH4, SiO2, NO3, NO2, Cl, SO , Oxydierbarkeit und an wenigen Proben auch Gesamtphosphor. 4 der 6 Lfmnigraphenstationen sind ebenfalls mit Registrierapparaten für el. Leitfähigkeit, Wasser- und Lufttemperatur und zeitweise pH- Messungen ausgerüstet.

Das voralpine humide Gebirgsklima zeichnet sich durch 1700 bis 2500 mm Niederschlag pro Jahr aus. Etwa ein Virtel davon wird im Winter in einer meist über einem Meter mächtigen Schneedecke vorübergehend gespeichert.

Die Schmelzwasser des Frühlings sind ausgeprägt und ergeben zusammen mit den Frühjahrsregen die größten Abflußspenden des Jahres. In Abb. 2 sind die Häufigkeitskurven für die Regentage sowie die Abflußmengen der Jahre 1970 und 1971 wiedergegeben. Die Beziehung zwischen Abflußregime und Niederschlagsverteilung wird dabei recht deutlich.

3. Die Wasserqualität 3 .1. Wassertemperatur

Nebst dem Chemismus des Bachwassers ist auch das Temperaturverhalten für die Beurteilung der Wasserqualität wichtig. Das Temperaturregime hängt nicht nur von der Exposition des Gerinnes selber, sondern auch vom Vorhan- densein von Quellen oder Quellhorizonten ab. Im Frühling und Sommer sind die Wassertemperaturen meist niedriger als diejenigen der Luft, im Herbst und Winter dagegen umgekehrt. Durch Oberflächenwasser gespiesene Bäche gleichen sich der Lufttemperatur rascher an als solche, die durch Quellen und tiefgesickertes Wasser gespiesen werden. Diese Einflüsse sind umso eher meßbar, wenn das Gerinne vor Ein- und Ausstrahlung geschützt ist und im Winter von Schnee überdeckt ist.

3. 2. Chemismus

In Tabelle 1 werden die Bereiche der Jahresmittelwerte (je ca. 50 Einzel- werte) pro Komponente angegeben. Die stark gepufferten Wässer werden bei den Katk:~en durch das _Kalzium (Ca ) bei den Anionen durch das Karbo-++

nat (CO3 resp. HCO3 ) dominiert. Die elektrische Leitfähigkeit wird weit-

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1970

1971

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0 50 100 150

Tage pro Jahr, Niederschlag ist überschritten

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0 100 200 300

Tage pro Jahr, Abfluss vohanden od. überschritten

Abb. 2: Die Dauerkurven für Niederschlag (a) und Abfluss (b) der Jahre 1970 und 1971 in drei Einzugsgebieten im Alptal

c,:, c,:,

gehend durch diese beiden Ionenkonzentrationen gesteuert. Alle übrigen Stoffkonzentrationen sind im allgemeinen niedrig (KELLER. 1970), Die chemische Zusammensetzung dieser Wässer dürfte für die Voralpine Flyschregion der Schweizer Voralpen charakteristisch sein.

3.3. Der Einfluß der Wasserführung

Wie in Tabelle 1 bereits angedeutet, wurde bei einem Teil der chemischen Komponenten eine deutliche Abhängigkeit der Stoffkonzentration von der Menge der Wasserführung beobachtet (KELLER, 1970, 1973). Nimmt die Konzentration bei zunehmender Wasserführung ab, so handelt es sich um eine Verdünnung, wie sie für elektrische Leitfähigkeit, Kalzium, Natrium, Karbonat und Sulfat festgestellt wurde. Umgekehrt gilt eine Konzentrations- zunahme für Ammonium (NH ) und Oxidierbarkeit.

Die Abflußabhängigkeit kann iuit folgender Gleichung charakterisiert werden:

C = a + b . lnQ, wobei

-1 -2 C die Stoffkonzentration in mg/1, Q die Abflußmenge in 1, sec . km und a und b Konstanten sind, für den Fall der Verdünnung ist b immer negativ.

Bei der elektrischen Leitfähigkeit variiert diese "Verdünnungskonstante" b zwischen -28, 9 (Gebiet Vll) und -41, 3 (Gebiet II). Auch für CO und Ca variieren die "Verdünnungskonstanten" in ähnlichen Bereichen. Es3ist wohl kaum verfehlt, diese "Verdllnnung" als einen Prozeß zu bezeichnen, der dadurch entsteht, daß Niederschlagswasser, welches oberflächlich oder ober- flächennah abfließt, sich mit dem Grundwasserabfluß (Niedrigwasserabfluß) vermischt. Es ist auch anzunehmen, daß die lnfiltrationsbedingungen in einem Einzugsgebiet maßgeblich für die Oberflächenabflußverhältnisse und somit für die Größe der Verdünnungskonstanten b verantwortlich sind. Die in Abbildung 3 dargestellten Beziehungen zwischen der "Verdünnungskon- stanten" b und dem Sumpfflächenanteil des Einzugsgebietes (KELLER 1973a) geben einen deutlichen Hinweis auf diesen Zusammenhang. Es mag erstau- nen, daß der Waldanteil in keiner unmittelbaren Beziehung zu dieser "Ver- dünnungskoru;tanten" steht. Wäre der Wald allerdings in seiner Verteilung nicht von Menschen beeinflußt worden, bestünde eine komplementäre Be- ziehung zum Sumpfflächenanteil. Die meisten Weideflächen sind auf Wald- rodungen zurückzuführen; ohne den Einfluß des Menschen wären sie von Wald bestockt.

3.4. Einfluß des Bodens, der Vegetation und des Muttergesteins

Eine Untersuchung der Seitenbäche und der von ihnen entwässerten Flächen innerhalb der untersuchten 11 Einzugsgebiete hat bestätigt, daß niedrige Kon -

- 35 -

Abb. 3: Die Verdiinnungskonsta.nte b in Abhängigkeit des Sumpfflächen- anteils in den Einzugsgebieten des Alptales

zentrationen von

co

3 und Ca sowie relativ kleine Werte der elektrischen Leitfähigkeit meist sumpfigen Flächen mit Böden von gehemmter Durch- lässigkeit und beschränkter Infiltration entstammen.

Durch die Geologie bedingte Unterschiede der Wasserqualität können auch am relativen Anteil der einzenlen Ionen an der Gesamtionenkonzentration beurteilt werden. In Tabelle 2 ist das l.onengleichgewicht, berechnet aus den Jahresdurchschnittswerten der einzelnen Komponenten, gegeben (KELLER 1973a). Die Unterschiede sind im allgemeinen klein. Die 11 un- tersuchten Gebiete scheinen auf geologisch sehr ähnlichem Muttergestein

Tabelle 1: Die Bereiche der Jahresmittelwerte von 13 chemischen Kompo- nenten der untersuchten Bachwässer im Alptal

Komponenten Bereich Bemerkung

pH-Wert 7. 9 bis 8.1 gut gepufferte Wässer el. Leitfähig-

-1 mit der Abflußmenge negativ

keit pmhos. cm

.

168 bis 278 korreliert 20° C

co

_{3• mg/1} ^{52 bis 83} mit der Abflußmenge negativ korreliert

so

_{4 , mg/1} 5 bis 27 mit der Abflußmenge negativ korreliert

Cl, mg/1 0, 3 bis 0. 9 mit der Abflußmenge nicht korreliert

N03, mg N/1 0.14 bis 0. 35 mit der Abflußmenge nicht signifikant korreliert

Ca, mg/1 34 bis 55 mit der Abflußmenge negativ korreliert

Mg. mg/1 2 bis 8 mit der Abflußmenge nicht korreliert

Na, mg/1 1.4 bis 5. 7 mit der Abflußmenge negativ korreliert

K, mg/1 0.4 bis 1.3 mit der Abflußmenge nicht korreliert

NH4, mg N/1 0. 02 bis 0. 06 mit der Abflußmenge positiv korreliert

Siv2, mg/1 1.6 bis 3.8 mit der Abflußmenge nicht korreliert

Oxydierbarkeit

4.2 bis 14.3 mit der Abflußmenge positiv

mg KMn 0/1 korreliert

Tabelle 2: Das Ionengleichgewicht im Bachwasser der 11 Einzugsgebiete im Alptal

G e b i e t

I II III IV V VI VII Vlll IX

ca.

o/o

87. 0 84.4 87.1 89.4 87.7 81.5 87 .1 85.2 86.0

Mg,

o/o

8.4 11. 5 9.2 6.8 8.9 10.5 9.1 9.1 10.3

Na,

o/o

3.8 3.4 3.2 2.9 2.8 7.1 3.1 4. 8 2.9

K,

o/o

0.7 0.7 0, 6 0.9 0. 6 0.9 0.7 0.9

o.

8

co3,

o/o

93.1 91. 8 93.2 93.7 93.4 89.4 92.0 93.5 89.7

SO4 5.9 7 .4 5.6 5.3 5.7 9.6 7.2 5.9 9.2

Cl,

o/o

^0.9

o,

7 1.1 0.8 0.8 0.8 0,7 0,5 0.9

NO3,

o/o

0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.1 0.2

X 83.2 10.3

5.5 1. 0

91. 3 7.7 0.9 0.1

XI 81.4 15.1 2.8 0.6

80.4 18. 6 0.9 0.1

---1 c.v

zu liegen. Einzig die Gebiete VI und XI fallen durch ihre relativ niedri- gen Kalzium-Anteile resp. relativ hohen Sulfat-Anteile auf. Was für Pro- zesse im Zusammenhang mit dem geologischen Untergrund hier wichtig sind bleibt noch zu untersuchen.

Der Einfluß der Vegetationsbedeckung kann nur beschränkt von der Wirkung des Bodens getrennt werden. Vegetation und Boden bilden den Standort, der als Gesamtwirkung den Chemismus der Bachwässer beeinflußt, wobei dem Boden sicher eine größere Einflußnahme eingeräumt werden muß. Hingegen wirkt sich die Vegetationsdecke stark auf die Wassermenge aus, die den Boden überhaupt erst erreicht (lnterzeption). Die Wasserführung wird daher durch die Vegetationsdecke ebenfalls beeinflußt (KELLER 1973a).

3. 5. Kurzfristige Veränderungen des Chemismus

Mit Einsetzen eines Regens wird eine Reihe von Reaktionen auf Menge und Chemismus des abfließenden Wassers ausgelöst. Benetzung der oberirdischen Vegetationsteile, Infiltration und Perkolation im Boden bis zu dessen Was- sersättigung bewirken allein kein Ansteigen der Wasserführung. Hingegen führt Niederschlag, der direkt ins Gerinne fällt, oberflächennaher Abfluß aus Teilflächen mit gehemmter Infiltration (Sumpf, Fels etc.) rasch zu einem Anstieg der Abflußmenge. Dieses oberflächennah und rasch abfließende Nie- derschlagswasser ist ähnlich dem Niederschlag arm an Mineralstoffen und be- wirkt deshalb in der Vermischung mit dem Niedrigwasserabfluß (Basisabfluß) eine rasche Verminderung einiger Stoffkonzentrationen im Bachwasser. Mit anhaltendem Regen nimmt die Abflu ßmenge zu, einige Konzentrationen weiterhin ab. Erst nach Ende des Regens nimmt der Anteil des oberflächen- nah abfließenden Wassers wieder ab und damit steigen auch die Stoffkonzen- trationen bei abnehmender Wasserführung wieder an.

In Abbildung 4 ist der Verlauf von Niederschlag, Abfluß, elektrischer Leit- fähigkeit und Grundwasserspiegel eines Naßstandortes innerhalb eines Einzugs- gebietes im Alptal dargestellt. Die gegenseitige Beeinflussung der angegebe- nen Faktoren wird mindestens in qualitativer Hinsicht deutlich. Hingegen bedarf es noch weiterer Untersuchungen, um die saisonalen Schwankungen, die Unterschiede zwischen ansteigender und abfallender Wasserführung sowie die Signifikanz des Grundwasserniveaus für den allgemeinen Fall interpretie- ren zu können.

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- 39 -

10. 1!5. 20. 2!5. 30.

Juni 1971

Abb. 4: Niederschlag, Abfluss, elektrische Leitfähigkeit lllld Grund- wasserspiegel im Jlllli 1971 für ein Einzugsgebiet im Alp- tal (III)

N 1

~

E 8

6

Vogelwaldbach m 1970 Vogelwaldbach m 1971 Gämschboch :2:II 1970 Frifongbach JZ: 1971

SF

_{50 %,}

in 50% der Zeit vorhandene oder über- schrittene Stoffracht

_. 4

1

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Q)

cn C (.)

Cl

2

0

0 20 40 60 80 100 %

Dauer pro Jahr, Stoffracht vorhanden oder überschritten

Abb. 5: Die Stofffracht-Dauerkurven für drei Einzugsgebiete im Alp- tal (1970, 1971)

- 41 -

4. Die Stofffrachten

Aus Wassermenge und Stoffkonzentration läßt sich die Stofffracht während irgend einer Periode berechnen (KELLER 1970, 1973). Für Stcffe, die ab- flußunabhängig sind, sind die Stofffrachten allein eine Funktion der Was- serfilhrung, d. h. in abflußreichen Jahren entsprechend größer als in Trocken- jahren. Anders verhält es sich mit Stoffen, deren Konzentrationen abfluß- abhängig sind. Dann milssen die Abflußmengen mit den zugehörigen Kon- zentrationswerten gewichtet werden, um die Stofffrachten errechnen zu können. In Abbildung 5 sind als Beispiele einige Kalzium-Fracht-Dauerkurven der Jahre 1970 und 1971 dargestellt. Die Unterschiede der Fachten zwischen den Jahren, wie auch zwischen den einzelnen Gebieten sind deutlich. Die- se relativen Unterschiede ergeben eine weitere Basis, den Einfluß der Bo- den- und Vegetationsverhältnisse zu erkunden. Dies bildet auch eine der Fragestellungen künftiger Forschungsarbeiten.

5. Schlußbemerkungen

Diese Untersuchungen wurden zur Abklärung des Einflusses des Waldes auf Menge und Chemismus des abfließenden Wassers angestellt. Neben der rein statistischen Information geht es auch darum, die wichtigen Prozesse ken- nen zu lernen. Für das hier beschriebene Untersuchungsgebiet scheint es, daß der Wald vor allem direkt auf die Menge, weniger aber direkt auf den Chemismus einen Einfluß ausilbt, so lange es sich um vergleichbare Böden handelt. Im allgemeinen gehen vom Wald im Vergleich zu anderen Vege- tationsdecken folgende 2 Wirkungen aus:

1. Höhere Evapotranspirationsverluste und damit kleinere Abflußmengen 2. Höhere biologische Aktivität im Boden und davon ausgehend größere

Stoffkonzentrationen in der Bodenlösung.

Während die erste Wirkung in der Fachliteratur vielfach nachgewiesen wor- den ist, ist die 2. Wirkung erst durch neuere Arbeiten an die Hand genom- men worden.

Literatur

KELLER, H.: 1970. Der Chemismus kleiner Bäche in teilweise bewaldeten Einzugsgebieten in der Flyschzone eines Voralpentales. Mitt. Schweiz. Anst.

f.d.forstl. Versuchswesen 46 (3): 113-155

KELLER, H.: 1973. Abflußregime und Transport gelöster Stoffe in kleinen vor alpinen Einzugsgebieten. Verh. Schweiz. Naturforsch. Gesellschaft, Luzern 1972, S.236-242.

KELLER. H. : 1973a. Land use, water quality and stream flow from small catchments in the prealps of central Switzerland. Paper for the "Reunion QMM/UNESCO sur les problemes d¹Hydrologie en Eui:ope". Bern 1973, 15 p.

Diskussion

Hoffmann: Was bedeutet es, daß Sie bei einigen Ihrer Angaben über N03 keine Korrelation zur Abflußmenge festgestellt haben?

Keller: Beim N03-Austrag sind an einigen Meßstellen bescheidene negative Korrelationen zur Abflußmenge festgestellt worden. Wenn ich es aber zu- sammenfasse, so muß ich sagen, daß keine Korrelation besteht.

Hoffmann: Das wäre also gleichbedeutend damit, daß ein Verdünnungs- effekt besteht.

Keller: Zur Frage Stofffrachten oder Konzentrationen möchte ich noch fol- gendes hinzufügen: Wenn wir ein System behandeln und den Kreislauf be- stimmter Stoffe in diesem System verfolgen wollen, dann brauchen wir un- bedingt die Stofffracht. Beim Wasser messen wir ja auch die Menge, um Aussagen über den Wasserhaushalt machen zu können.