Projekt 13598/01

Menge, Dynamik und Qualität des Sickerwassers im Zittauer Becken

Projektdurchführung

Internationales Hochschulinstitut ZittauLehrstuhl Umweltsystemwissenschaften
Markt 23
02763 Zittau

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Sickerwasserbewegung ist für alle Aufgaben, die im Zusammenhang mit dem Schutz des Bodens und des Grundwassers stehen, der dominierende Prozess. Für die Region des Zittauer Beckens in der Grenzregion Deutschland, Polen, Tschechien mit ihren spezifischen meteorologischen (geringe Niederschläge, hohe Verdunstung) und Immissionsbedingungen (hohe Belastung in den 70er und 80er Jahren durch Industrie, Bergbau und Energieerzeugung) soll deshalb neben dem zeitlichen und räumlichen Verlauf des Eindringens von Niederschlags- und Schmelzwasser auch die Qualität des perkolierenden Wassers untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Methodik zur Lösung der Aufgabe besteht in der wechselweisen Anwendung von experimentellen Untersuchungen und mathematischen Modellen sowie GIS-gestützten Regionalisierungsverfahren. Für die dominierenden Lößböden des Untersuchungsgebietes erfolgt die Bestimmung von Menge und Quali-tät des Sickerwassers in der gesamten Komplexität beispielhaft auf der Zittauer Ökologischen Forschungsstation. Eine umfangreiche messtechnische Ausrüstung erlaubt die detaillierte experimentelle Standortuntersuchung und die Kalibrierung des zur Anwendung vorgesehenen mathematischen Modells. Expeditionsmäßige Messungen im Gebiet liefern zusätzliche Daten.


Ergebnisse und Diskussion

Infiltration, Sickerwasser und Grundwasserneubildung stehen im engen Zusammenhang miteinander. Unterscheidendes Kriterium
ist die betrachtete Bezugsebene am oberen Rand, innerhalb oder am unteren Rand der ungesättigten Bodenzone. So ist Infiltration der Eintritt des Wassers in den Boden durch dessen Oberfläche. Sickerwasser ist die Wassermenge, die pro Zeiteinheit die betrachtete Ebene in der Bodenzone durchdringt, und Grundwasserneubildung ist die Sickerwassermenge, welche die Grundwasseroberfläche erreicht. Wesentliche Einflussfaktoren auf Sickerwasserbewegung und Grundwasserneubildung sind Niederschläge, Verdunstung, Bodenart, Bodenform und Landnutzung sowie die Topographie und die von ihr stark beeinflussten lateralen Abflusskomponenten.
Das Untersuchungsgebiet ist der knapp 100 km² große deutsche Teil des Zittauer Beckens im Dreiländereck Deutschland, Polen und Tschechien, in dem fruchtbare Lößböden großer Mächtigkeit dominieren. Es zeichnet sich durch relative Niederschlagsarmut und hohe Verdunstungswerte aus, so dass die Sickerwassermengen klein bleiben, in Trockenperioden auch ganz versiegen. Charakteristische Merkmale der Landnutzung sind ein geringer Waldanteil (7,2%) sowie hohe Anteile der landwirtschaftlichen Nutzung (73%) und von Siedlungen (17%). Rekultivierte Flächen des ehemaligen Braunkohlenbergbaus sind anteilmäßig klein (2%), aber dennoch einflussreich auf den Landschaftswasserhaushalt. Für die Stoffeinträge ist die landwirtschaftliche Nutzung prägend. Die Schwefeldioxid- und Staubimmissionen haben in den 90er Jahren stark abgenommen, ebenso die Schwermetalldeposition, so dass auf das Gebiet der Beiname Schwarzes Dreieck nicht mehr zutrifft. Der Untersuchungszeitraum zeichnet sich durch abnehmende Sickerwassermengen infolge von Niederschlagsdefiziten aus. Dennoch konnten zur Sickerwasserdynamik detaillierte Ergebnisse eines Prozessstudiums erzielt werden. Das Gleiche gilt für die Nitratverlagerung sowie die zugrundeliegenden Transportphänomene Filterbewegung, Makroporenfluss und Druckfortpflanzung. Der Austrag von Stoff mit dem Sickerwasser ins Grundwasser hängt neben der Konzentration des Stoffes in der Bodenlösung ganz entscheidend von den räumlich und zeitlich variablen Sickerwassermengen unterhalb der Wurzelzone ab. Für das Zittauer Becken ergeben sich aufgrund der generell geringen Sickerwassermengen in relativ kurzen Zeiträumen (durchschnittlich von Februar bis April) nur kleine Stoffausträge. Eine Gefährdung des oberen Grundwasserleiters durch anthropogene Stoffeinträge ist für die untersuchten Stoffe nicht festzustellen.
Die Sickerwasserdynamik wird durch verschiedene Transportphänomene verursacht. Sie zu unterscheiden ist für die Beurteilung von Stoffverlagerungen ausschlaggebend. Wird ein konvektiver Stofftransport postuliert, bei dem Dispersion und Diffusion als hydromechanische Anteile und Adsorption, Ionenaustausch und Stoffumwandlung als biochemische Prozesse vernachlässigbar sind, erfolgt der Stofftransport mit der Abstandsgeschwindigkeit des Boden- oder Grundwassers. Sie beträgt bei den untersuchten Bö-den und den interessierenden Sättigungsgraden zwischen 0,1 und 1 cm h-1. Echte Stoffverlagerung ist auch mit dem Makroporenfluss verbunden, dessen Geschwindigkeit nach unseren Untersuchungen in der Größenordnung von 10 cm h-1 liegt. Noch größere Geschwindigkeiten, allerdings ohne kontinuierlichen Massentransport durch das gesamte Untersuchungsvolumen, lassen sich beim Phänomen der Druckfortpflanzung beobachten. 20 bis 50 cm h-1 waren bei der untersuchten vertikalen Sickerung typisch.
Die regionalen Verallgemeinerungen durch die Anwendung mathematischer Modelle weisen für das Gesamtgebiet durchschnittliche bis geringe Sickerwassermengen aus. Das resultiert sowohl aus den Wasserhaushaltsuntersuchungen als auch aus der Nutzung des gegliederten hydrologischen Modells WaSiM-ETH. Mit dem Hinweis auf ein Expertensystem im Preprocessing mathematischer Niederschlag-Abfluss-Modelle wird ein Weg zur künftigen Behandlung der Abflussbildung und damit auch der Sickerwasserbewegung gewiesen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

28.09.01 öffentliches Statusseminar zum Abschluss des ForschungsprojektesDie Ergebnisse wurden in der Schriftenreihe des Internationalen Hochschulinstituts Zittau veröffentlicht: Menge, Dynamik und Qualität des Sickerwassers im Zittauer Becken, IHI-Schriften H. 15, 2001 (ISSN-Nr.: 1431-2948).


Fazit

Die im Projekt erzielten Ergebnisse weisen für das untersuchte Gebiet aufgrund des gegebenen Wasserhaushalts und der Böden eine geringe Sickerwasserdynamik nach. In den 90er Jahren ist die Immission (bes. an Schwefeldioxid und Schwermetallen) zurückgegangen. Es waren keine Kontaminationen des Bodens mit Schwermetallen festzustellen. Den größten Einfluss auf die Sickerwasserqualität hat die landwirtschaftliche Nutzung im Gebiet, wobei aufgrund der durch die Landwirtschaftsbetriebe vorgenommenen Düngung nach Entzug und des bestehenden Tierbesatzes keine Stoffanreicherungen (z.B. Nitrat) im Boden festzustellen sind. Eine großflächige Gefährdung der oberen Grundwasserleiter durch anthropogene Stoffeinträge kann ausgeschlossen werden.