Wasserhaushalt und Verlagerung wasserlöslicher Stoffe in Lößdecken des Main-Taunus-Vorlandes

Abstract

Das Ziel der Untersuchungen war die Bestimmung der Wasserhaushaltskomponenten, insbesondere der Sickerwassermenge und -strecke in der ungesättigten Zone von Lößdecken des Main-Taunus-Vorlandes. zweijährige (1983 - 1985) kontinuierliche Wassergehaltsmessungen mit der Neutronensonde bis in maximal 4,5 m und Saugspannungsmessungen bis in 2 m Tiefe führten gemeinsam mit meteorologischen Daten zu umfassenden Bilanzierungen des Bodenwasserhaushaltes auf sechs Standorten mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Nutzung. Austrocknungstiefe und -intensität der Parabraunerden sind vor allem abhängig von der Tiefenlage und Mächtigkeit der Bt-Horizonte. Die mittleren Wassergehalte der weitgehend feuchtekonstanten Lößschichten unterhalb von 2 m können mit den Tongehalten der fossilen Horizonte, mit dem Abstand zur Lößbasis und differenzierter Pufferwirkung der ungesättigten Zone auf langfristige Witterungswechsel erklärt werden. <br /> Die Witterung im Untersuchungszeitraum war im Jahr 1984 durch Monate mit überdurchschnittlich hohen, versickerungswirksamen Niederschlägen geprägt. In diesem Jahr setzte der Beginn der bodenhydrologisch trockeneren Jahreszeit je nach Standort bis zu 2,5 Monate später als im Jahr 1985 ein. Ebenso begann 1984 die bodenhydrologisch feuchte Phase nach der sommerlichen Austrocknung um 1,5 bis 3 Monate früher als 1983. <br /> Die Ermittlung der Sickerwassermengen erfolgte durch ein kombiniertes Wasserscheidenwasserhaushaltsverfahren; verschiedene Bilanzierungsalternativen wurden diskutiert. Im Durchschnitt der zwei Untersuchungsjahre versickerten zwischen 135 und 205 mm (22 bzw. 33 % von 615 mm Niederschlag). Im Vergleich beider Jahre untereinander variieren die Sickerwassermengen um mehr als 10 % des Niederschlages. Die niedrigsten Sickerwassermengen wurden auf einem Standort mit einer nur 1,7 m mächtigen Lößauflage (Getreide - Brache-Fruchtfolge) registriert; auf den mit Obstbäumen bestandenen Flächen (3 m Lößauflage) versickerten etwa 26 % des Niederschlages; die größten Sickerwassermengen waren auf einer mit Erdbeerpflanzen bestandenen Parzelle mit 4,5 m Lößauflage zu verzeichnen. Die langjährige mittlere Grundwasserneubildungsrate wird auf etwa 150 mm geschätzt. <br /> Begleitende Untersuchungen über die zeitliche Veränderung von Nitrat-Stickstofftiefenprofilen und der Einsatz von Chlorid als Tracer erlaubten Aussagen über die Verlagerungsgeschwindigkeit wasserlöslicher Stoffe; diese wurden mit den Sickerwassermengen in Beziehung gesetzt. Für den Hauptanteil der Wasserinhaltsstoffe wurde eine durchschnittliche Verlagerungsdistanz von 75 cm ermittelt. Im regnerischen Frühjahr 1984 konnten an Hand der differenzierten Chlorid-Verlagerung zwei unterschiedlich schnelle Sickerwasserfraktionen beobachtet werden. <br /> Für drei Standorte wurde ein Berechnungsverfahren entwickelt und angepaßt, mit dessen Hilfe aus Tagessummen des Niederschlages, der Baude-Verdunstung und halbwöchentlichen Tensiometermessungen die potentielle Verlagerungsgeschwindigkeit gelöster Wasserinhaltsstoffe ermittelt werden kann. Auf der Grundlage einer Lößmächtigkeitskartierung konnten flächenhafte Aussagen über die Verweildauer des Sickerwassers in der Lößdecke getroffen werden; stellenweise ist mit einer Aufenthaltszeit von 10 Jahren zu rechnen.

The study deals with aspects of the soil water budget of aeolian loess layers in the region between Frankfurt and Wiesbaden (West Germany). The main objectives are the determination of the values of groundwater recharge and the estimation of the transport distances of percolating water through the zone of aeration. over a period of two years (1983 - 1985) measurements of the soil water content were carried out using a neutron probe, and assessments of the soil water suction using tensiometers. In combination with climatological data they lead to comprehensive computations of the soil water balance of six experimental sites with different land use. <br /> The intensity of the soil water losses of the Luvisols is governed by the depth and the thickness of the argillic horizons. The water contents of deeper loess layers (below 2 m) can be explained by the clay content of fossil horizons, by the distance to underlying gravels and by the hydrological buffer action of the zone of aeration on long term variations of the climatic conditions. <br /> During the period of field study the climatic conditions were characterised by abundant rainfall in 1984 resulting in a retarded beginning of the dry summer period, which started up to 2.5 months later than in 1985. In 1984 the wet period began up to 1.s to 3 months earlier than in 1983. <br /> The values for groundwater recharge were determined by a "zero-flux-plane - water balance - method". According to the different sites between 135 and 205 mm seepage water (22 - 33 % of the annual average precipitation of 615 mm) were computed with an interannual variation of more than 10 % of the rainfall. Groundwater recharge was at its lowest at sites with a loess layer of 1.7 m thickness (grain - zero tillage), at an intermediate level in the orchards (loess thickness 3 m) and at its highest at a strawberry plantation. The average regional groundwater recharge amounts to approximately 150 mm/year. <br /> Additional investigations of the temporal change of nitrate-nitrogen as a function of depth and the study of chloride displacement lead to estimations of the velocity of percolating water and soluble compounds. Average annual leaching distances of 75 cm could be observed. In spring 1984 excessive rainfall caused a separation of the chloride tracer into two portions with different velocities. In order to estimate the potential vertical velocity of soluble compounds on the basis of precipitation, evapotranspiration and tensiometer data a calibrated processing method is proposed. Using the thickness of the loess layer as a transfer function from point measurements to the area of field study, the spatial variation for the time required for the seepage water to pass through the zone of aeration is deduced.