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Lexikon der Geowissenschaften: anthropogene Beeinflussung des Wasserkreislaufes

anthropogene Beeinflussung des Wasserkreislaufes, vom Menschen ausgehende Beeinflussung des Wasserkreislaufs bzw. seiner Teilprozesse (z.B. Niederschlag, Grundwasserneubildung, Abfluß bzw. Durchfluß). Die menschliche Einflußnahme erfolgt in vielfältiger Weise, wobei sich Einwirkungen auf die Teilprozesse zugleich auf den gesamten Wasserkreislauf auswirken. Anthropogene Eingriffe können sowohl direkt im Gewässerbett oder in dessen unmittelbarer Nähe, als auch auf den Landflächen erfolgen. Dabei unterscheidet man solche, die durch menschliches Handeln unmittelbare Auswirkungen auf den Wasserkreislauf zeigen und jene, die durch indirektes Handeln Veränderungen verursachen.

Bei den Eingriffen im Gewässerbett handelt es sich v.a. um Schutzeinrichtungen gegen Überflutungen, um Flußausbauten für die Schiffahrt sowie um Bauwerke zur Energiegewinnung (Laufwasserkraftwerke). Es werden Talsperren, Rückhaltebecken, Stauanlagen und Flußdeiche angelegt sowie Flußbegradigungen und Uferbefestigungen durchgeführt. Dies hat eine zeitliche und örtliche Umverteilung des Durchflusses zur Folge, was sich auch auf Verdunstung und Versickerung im ufernahen Bereich auswirkt. Von besonderer Bedeutung ist der Bau von Deichen. Sie verhindern dauernd (Winter- oder Hauptdeiche) oder für die meiste Zeit des Jahres (Sommer- oder Leitdeiche) die Überflutung der ausgedeichten Flächen. Dadurch werden dort Versickerungen und die Sedimentation der im Wasser mitgeführten Mineralien verhindert. Als Schutzmaßnahmen vor Hochwasser werden an Fließgewässern häufig Polder oder Staubecken angelegt (Hochwasserrückhaltung).

Eine weitere Gruppe von Wasserbauwerken stellen die Speicherseen zur Trinkwasser- und Energiegewinnung dar (Talsperre, Pumpspeicherwerk) sowie die Schiffahrtskanäle. Sie bilden zum Teil ausgedehnte künstliche Wasserflächen mit hoher Verdunstung. Außerdem treten, gegenüber dem früheren Zustand, größere Grundwasseranreicherungen auf, wenn nicht Abdichtungen im Gewässerbett oder an der Sohle der Kanäle bzw. der Speicherbecken vorgenommen wurden. Im Tidengebiet (Gezeiten) erbaute Flutsperrwerke ändern die Überflutungsverhältnisse für das Hinterland und den Salzgehalt des Grund- und Oberflächenwassers in ihrem Einflußbereich.

Durch wasserbauliche Maßnahmen an Fließgewässern ergeben sich besondere Probleme für den Abflauf von Hochwasserwellen. Durch die Verkürzung der Lauflängen (Durchstiche, Begradigungen), Verminderung der Rauheit (Uferbefestigung, Beseitigung von Buschwerk, Pflege von Auwaldungen), Erhöhung der Fahrwassertiefen bei Mittel- und Niedrigwasser (Bau von Leitwerken, Buhnen) wird die Fließgeschwindigkeit erhöht.

Durch die Eindeichungen und Begradigungen verlieren die Flußläufe zum großen Teil ihr natürliches Rückhaltevermögen (Retention). Dies führt beim Ablaufen der Hochwasserwelle längs der Flußstrecke zu einer verminderten Abflachung des Hochwasserscheitels. Durch die Beschleunigung des Hochwasserwellenablaufes kann es zu einem zeitlichen Zusammenrücken der Hochwasserspitze des Hauptflusses mit der seiner Nebenflüsse kommen. Dadurch vergrößert sich der Hochwasserscheitel für Flußabschnitte unterhalb des Zusammenflusses. Die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit beeinflußt auch den Schwebstoff- und Geschiebehaushalt. Es tritt Erosion auf, mit Senkung des freien Wasserspiegels und der Grundwasseroberfläche im ufernahen Bereich. Dies wirkt sich wiederum auf die Ufervegetation aus.

Ebenso zeigt der Bau von Staustufen zur Energiegewinnung und Schiffbarmachung eines Gewässers deutliche Auswirkungen. Dabei wird ein Dauerstau herbeigeführt, der bis zu mehreren Metern über dem früheren Wasserspiegel liegt. Zugleich werden die Grundwasserverhältnisse im ufernahen Bereich verändert. Die starke Senkung der Fließgeschwindigkeit bewirkt erhebliche Ablagerungen von Feststoffen in den Staubereichen. Gleichzeitig treten unterhalb der jeweils letzten Staustufe im Gewässerbett Eintiefungen durch Erosion auf. Ablagerungen können zu Verklebungen der Oberfläche und Erosion zum Anschneiden stark poröser Schichten führen und die Austauschvorgänge zwischen Oberflächen- und Grundwasserabstrom verändern.

Gelegentlich werden zum Zwecke des Landschaftschutzes Eingriffe vorgenommen wie zum Beispiel die Wildbachverbauung oder die Anlegung von Sohlenschwellen zur Verminderung der Erosion. Kleinere Bachläufe werden oft in Ortschaften und auf landwirtschaftlich genutzten Flächen verrohrt. Diese Maßnahmen beschleunigen ebenso wie die anderen bereits genannten Ausbaumaßnahmen den Abfluß und vermindern die natürliche Retentionswirkung der Bäche.

Zu den direkt auf das Gewässer einwirkenden anthropogenen Maßnahmen gehören auch die direkte Entnahme, Nutzung, Ableitung und Rückleitung von Wasser. Hierunter fallen v.a. die Nutzung des Wassers für den Bewässerungsbedarf oder zur Kühlung von Wärmekraftwerken. Bei diesen Maßnahmen wird dem Flußlauf Wasser entzogen und z.T. der Atmosphäre durch den Verdunstungsprozeß zugeführt. Durch Wasserüberleitungen in andere Einzugsgebiete kann Wasser darüber hinaus seinem angestammten Gebiet entzogen werden.

Bei den anthropogenen Maßnahmen auf den Landflächen handelt es sich um direkte Eingriffe in die Landschaft durch Besiedlung, Industrialisierung, Bergbau, Umkultivierung der Landschaft (Terrassierungen) und um unmittelbare Einwirkung durch land- und forstwirtschaftliche Maßnahmen (Düngung, Bewässerung, Entwässerung, Abholzungen). Mit Urbanisierungsmaßnahmen, d.h. der Anlage von Siedlungen, Verkehrsflächen und Produktionsstätten, geht eine Versiegelung von Bodenflächen einher. Das bedeutet eine beträchtliche Verminderung der Grundwasserneubildung und der Verdunstung sowie dementsprechend eine Erhöhung des Oberflächenabflusses. Hinzu kommt, daß der auf die versiegelten Flächen fallende Niederschlag über erweiterte und ausgebaute Entwässerungssysteme (Rinnsteine, Rohrleitungen, offene Gerinne) ohne wesentliche zeitliche Verzögerung in den Vorfluter gelangt. Dadurch wird die Abflußkonzentration verkürzt und der Scheitel der Hochwasserwelle aus dem versiegelten Gebiet tritt früher auf und läuft höher auf. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die versiegelten Flächen in einem Flußgebiet sind. Für Hochwasserereignisse bei gefrorenem Boden kann der Urbanisierungseffekt vernachlässigt werden, da gefrorener Boden vorübergehend wie versiegelter Boden wirkt.

Einfluß auf den Wasserkreislauf nimmt die Wasserentnahme aus dem Grundwasser für die Wasserversorgung. Durch sie kann der Grundwasserabfluß erheblich vermindert werden, insbesondere, wenn das entnommene Wasser in benachbarte oder entfernte Gebiete überführt wird. Entnommenes Grundwasser wird überwiegend als Abwasser zurückgeleitet. Auch große Baumaßnahmen beeiflussen das im Boden befindliche Wasser. Bei Tiefbauarbeiten werden Grundwasserstände vorübergehend oder dauernd abgesenkt oder Wasserbewegungen durch unterirdische Einbauten wie Tiefgründungen, Tunnel und Dichtungswände verzögert oder sogar unterbunden. Durch tiefe Gründungen können Verbindungen zwischen verschiedenen Grundwasserstockwerken geschaffen werden. Der Bau von Stollen, z.B. für die Überleitung von Wasser, kann den Wasserhaushalt der tangierenden Gebiete erheblich verändern. Das Befahren der Böden mit schweren Fahrzeugen bringt durch Verdichtung verminderte Durchlässigkeiten. Ummantelungen der in den Verkehrsflächen verlegten Rohrleitungen mit Sand oder Kies haben unerwünschte Dränfunktionen v.a. in hängigen Lagen. Jeglicher Bergbau hat neben den Veränderungen des festen Untergrundes bis hinauf zur Oberfläche Auswirkungen auf den Wasserhaushalt. Bei Abgrabungen (z.B. Auskiesungen) entstehen häufig größere Wasserflächen mit Verdunstung. Im Tagebau können sich große Abbautiefen ergeben, so daß oft Wasserhaltungen notwendig werden (Braunkohletagebau). Dadurch ergeben sich in der Gewinnungsperiode Grundwasserabsenkungen und, nach Verfüllung, erhebliche Veränderungen gegenüber der früheren natürlichen Untergrundschichtung. Beim Untertagebau entstehen Verbindungen zwischen verschiedenen Grundwasserstockwerken. Der großräumige Abbau z.B. ganzer Kohle- und Erzflöze kann Bruchversatz bewirken und zu Störungen der Deckenschichten bis hinauf zur Oberfläche führen. Damit ergeben sich aus dem Untertagebau einerseits nachteilige Wirkungen auf den wasserführenden Untergrund (zusätzliche Abflüsse aus Wasserhaltungen, Störungen der Grundwasserströmung durch Gefälleänderungen der Schichten und Schichtbrüche) und andererseits nachteilige Wirkungen auf die Vorfluterverhältnisse an der Oberfläche (z.B. Muldenbildung mit Vernässungsfolgen).

Der Wasserhaushalt wird auch durch die Landwirtschaft, wie Be- und Entwässerung, Anbau verschiedener Kulturen mit wechselnder Fruchtfolge, Bodenbearbeitungstechniken, Düngung und Umkultivierung der Landschaft beeinflußt. Die Nutzungsart (angebaute Kulturen) und die Fruchtfolge verändern den Abfluß und seine saisonale Verteilung über die Verdunstung, da jede Pflanzenart einen für sie spezifischen Wasserverbrauch hat. Die Verdunstung kann zusätzlich erhöht werden, wenn mehrere Fruchtfolgen in einer Wachstumsperiode nacheinander angebaut werden. Eine weitere Erhöhung der Verdunstung und Einflußnahme erfolgt durch den Einsatz von Düngemitteln, weil eine erhöhte Produktion der Biomasse auch erhöhte Transpiration erfordert. Bewässerung vermindert den Abfluß und vermehrt die Verdunstung, umgekehrt verhält es sich mit der Entwässerung landwirtschaftlicher Flächen. Sie ist erforderlich, wenn der Grundwasserstand bis nahe an die Bodenoberfläche reicht und dadurch eine landwirtschaftliche Nutzung erschwert wird. Durch die Entwässerung wird der Grundwasserstand gesenkt und somit die Verdunstung vermindert. Bei Hochwasser können dränierte Flächen abflußmindernd wirken, indem das entleerte Porenvolumen ein kurzzeitig höheres Speichervolumen darstellt. Nach Entwässerungsmaßnahmen sind auch Erhöhungen des Abflußscheitels beobachtet worden. Durch Austrocknung der Böden entstehen Makroporen, durch welche sie ein verbessertes Durchlaßvermögen erhalten.

Neue Situationen ergeben sich durch Umkultivierungen der Landschaft. So können durch Großterrassierungen die natürlichen Gefälleverhältnisse verändert werden, was ebenfalls den Oberflächenabfluß verändert. Geläufig, dennoch oft mißachtet, sind Wirkungen veränderter Bodenbearbeitung. Flächen, die hangparallel bearbeitet werden, haben einen geringeren Oberflächenabfluß als solche, bei denen die Bearbeitung in Richtung der Hangneigung erfolgt. Die maschinenfreundlichere und darum meist bevorzugte Hangbearbeitung mit der Neigung führt zu erhöhter Erosion durch Abschwemmung großer Teile des Bodens besonders bei Starkregen. Bei der Bearbeitung landwirtschaftlich genutzter Flächen bewirkt das Befahren mit schweren Fahrzeugen eine Verdichtung des Bodens, das Aufbringen von Gülle führt zu einer Verschlämmung der Böden. Beides vermindert das Infiltrationsvermögen (Infiltration), wodurch bei starken Niederschlagsereignissen mehr Wasser oberflächlich und damit schneller abfließt. Dies führt zu einer Verschärfung der Hochwassergefahr v.a. in ländlichen Gebieten.

Wälder stellen durch ihre hohe Transpiration einen großen Wasserverbraucher dar. Durch die Interzeption der Vegetationsdecke und gute Infiltrationseigenschaften haben Waldböden eine hochwassermindernde Wirkung. Folglich sind Scheiteldurchflüsse nach starken Niederschlägen von bewaldeten gegenüber unbewaldeten Gebieten wesentlich geringer. Auch der in den Waldbeständen anders verlaufende Auf- und Abbau der Schneedecke bewirkt, daß sich die Schneeschmelzabflüsse in bewaldeten Gebieten über eine längere Zeitspanne erstrecken und dadurch die Scheitelabflüsse geringer sind. Aus diesen Gründen können Durchforstung oder gar Kahlschläge einen beachtlichen Einfluß auf den Wasserhaushalt haben. Nach Kahlschlägen von Waldbeständen kann durch den Fortfall der Interzeptionswirkung und durch Erosionserscheinungen auf Schleifrunsen in größeren Teilen des Einzugsgebietes die Rohhumusauflage beseitigt werden. Dadurch entfällt deren Speicherwirkung, und es wird das Infiltrationsvermögen und als Folge davon die Grundwasserneubildung vermindert, wobei erheblich vergrößerte Oberflächenabflüsse auftreten können. Daneben werden größere Massen von Feststoffen wegtransportiert. Diese Stoffe werden in Talsperren oder Rückhaltebecken abgelagert und können zu einer Verkürzung der Lebenszeit solcher Speicher beitragen. Beeinträchtigungen dieser Art müssen auch als Folge der zu beobachtenden Waldschäden erwartet werden.

Die meisten erwähnten Einwirkungen können Veränderungen in der Höhenlage der Grundwasseroberfläche verursachen, verbunden mit Umstellungen in der Artenzusammensetzung der natürlichen Flora und Fauna, sowie Folgen für die land- und forstwirtschaftliche Bodennutzung. Neben diesen ökologischen Auswirkungen können Senkungserscheinungen an Bauwerken und Beeinträchtigungen von Wassergewinnungsanlagen eintreten.

Je nach der Durchlässigkeit des Untergrunds und je nach der Art der Vegetation können die Pflanzenwurzeln Grundwasser bis zur Tiefe von etwa einem bis drei Meter in Anspruch nehmen, ausgesprochene Tiefwurzler wie die Rebe noch darüber hinaus. Während Grundwasserabsenkungen zu Trockenschäden führen, verursachen Grundwasseranhebungen Vernässungsschäden.

Auf Bauwerke können sich je nach Bodenverhältnissen und Gründungsart Grundwasserabsenkungen negativ auswirken. Bei im Bereich bindiger Bodenarten liegenden Gründungssohlen, können Grundwasserabsenkungen zur Austrocknung der Böden und damit zu deren Schrumpfung führen. Es können sich Risse im Bauwerk bilden. Ähnlich wirken Grundwasserabsenkungen durch Wegfall des Auftriebs auf das Bauwerk. Die Anhebung der Grundwasseroberfläche bis in den Bereich der Kellerräume führt zu Vernässungserscheinungen.

Neben den direkten Eingriffen des Menschen in den Wasserkreislauf können auch andere, indirekt wirkende Maßnahmen Einflüsse auf den Wasserhaushalt zeigen. Hierzu gehören jene Einwirkungen, die das Klima beeinflussen. Beispielsweise treten infolge einer lebhafteren Thermik über urbanisierten Gebieten häufiger Starkniederschläge auf. Die allgemein erwarteten globalen Klimaänderungen verursachen Rückwirkungen auf den gesamten Wasserhaushalt in der räumlichen und zeitlichen Verteilung von Niederschlag und Abfluß bzw. Durchfluß (saisonale Verteilung, Extremwerte).

Ferner werden durch Emissionen verschiedener Herkunft (Industrie, Haushalte, Kraftfahrzeuge) Spurengase, Aerosole und andere Stoffe in die Atmosphäre gebracht, die nach Deposition die Böden hinsichtlich ihres Chemismus beeinflussen und dann zu Vegetationsschäden (z.B. Waldschäden) und somit zu Veränderungen der Bodennutzung führen.

Durch eine Vielzahl der angeführten Maßnahmen, Einleitungen durch Abwasser von Industrien, der gewerblichen Wirtschaft und Haushalten, Lagerung von Abfallstoffen, Überdüngung landwirtschaftlich genutzter Flächen, Einsatz von Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmitteln und anderes wird die Wasserbeschaffenheit von Oberflächen- und Grundwasser beeinflußt ( Abb. ). [HJL]


anthropogene Beeinflussung des Wasserkreislaufes: Schematische Darstellung der den Wasserkreislauf beeinflussenden anthropogenen Maßnahmen: Mehrzwecktalsperre (1), Erholung, Sport, Fischerei (2), Wasserkraftgewinnung (3), öffentliche Wasserversorgung (4), Abwasserbehandlung (5), Wasserentnahme für Bewässerung (6), Stauhaltung und Eindeichung (7), Bewässerungskanal (8), Stauwehr (9), Hochwasserrückhaltebecken (10), Naturschutzgebiet (11), landwirtschaftliche Bodenbearbeitung (12), Staustufe mit Schiffahrtsschleuse (13), Gewässerausbau (14), landwirtschaftliche Bewässerung (15), forstliche Maßnahmen z.B. Abholzungen (16), Urbanisierung(17). anthropogene Beeinflussung des Wasserkreislaufes:

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