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Dr. Gerhard Markart

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Bundesforschungszentrum für Wald 
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Artikel

Autor(en): Gerhard Markart, Bernhard Kohl, Frank Perzl
Redaktion: BFW, Österreich
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Bergwald und seine hydrologische Wirkung

Schadereignissen durch Hochwasser, Muren und Rutschungen häufen sich, zwangsläufig wird die Frage nach der Effizienz der bisherigen technischen Maßnahmen, flächenwirtschaftlichen Eingriffe und der Bewirtschaftung der Oberfläche von betroffenen Gebieten gestellt. Eine gute Waldausstattung in alpinen Einzugsgebieten wurde früher als Versicherung gegen Naturgefahren angesehen. In den letzten Jahren wird jedoch die Wirkung der Waldvegetation als Schutz vor Naturgefahren immer stärker hinterfragt.

Beregnungsversuche
Welche hydrologische Wirkung auf den Oberflächenabfluss hat die Waldvegetation in alpinen Einzugsgebieten?
Von hoher Waldwirkung bis zu keinem Unterschied zwischen Wald und Grasland

Die unterschiedlichen Autoren zeichnen ein überwiegend positives Bild der Waldwirkung. Es beruht auf den Ergebnissen von hydrologischen Untersuchungen und Analysen von Schadereignissen in einer Vielzahl von Wildbacheinzugsgebieten des Ostalpenraumes.

In einer Reihe in den letzten Jahren erschienenen Arbeiten wird die hydrologische Wirkung der Waldvegetation insbesondere bei Niederschlägen langer Dauer kritisch hinterfragt. "Bei gleichen Niederschlagverhältnissen kann somit der Wald, je nach Bodenbedingungen, eine Schutzwirkung haben oder nicht" formulieren HEGG et al. (2004). BURCH et al. (1996) stellten keinen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen Bewaldungsgrad und Hochwasserabflussspitzen fest. COSANDEY et al. (2005) erhielten bei der Auswertung mehrerer forsthydrologischer Studien in Südfrankreich deutlich divergierende Ergebnisse, von hoher Waldwirkung bis zu keinem Unterschied zwischen Wald und Grasland in der Abflussbildung.

Einfluss der Waldvegetation auf den Wasserhaushalt

Alpine Wälder können bei einem einzelnen Niederschlagsereignis je nach Baumart und Dichte des Kronendaches 4 bis 6 mm Wasser im Kronenraum zurückhalten (AULITZKY und THURNER 1982; BREITSAMETER 1996; MARKART 2000; WEISKOPF 2002).

Geringere Überschirmung, weniger Interzeption

Mit abnehmendem Überschirmungsgrad sinkt die Interzeptionsleistung sowohl bei Einzelereignissen als auch im Jahresschnitt. Beispielsweise reduziert die Entnahme von 55 % der Holzmasse in einem Fichten-Tannen-Buchenbestand der Tegernseer Berge in Bayern die Interzeption von 25 % des Jahresniederschlages auf deutlich unter 20 % (BREITSAMETER 1996).

Die Interzeptionsleistung hängt auch von der zeitlichen und mengenmäßigen Verteilung der Niederschläge ab. Bei Häufung von Ereignissen hoher Intensität ist der Kronenrückhalt geringer als etwa bei Niederschlägen geringer Intensität mit wiederholten Unterbrechungen und Abtrocknungsphasen. Man kann davon ausgehen, dass auf Grund der Interzeptionswirkung von Waldbeständen in den Ostalpen ein Fünftel bis ein Drittel des Jahresniederschlages nie auf den Boden gelangt.

Fichtenbestand verdunstet aktiv 500 bis 600 mm jährlich

Auch die Verdunstungsleistung der Vegetationsdecke hängt maßgeblich von der Niederschlagsverteilung ab. Ordnet man die Gesamt-Verdunstungsleistung einer Reihe mit Fichte bewaldeter Einzugsgebiete aus der Arbeit von MENDEL (2000) nach Klassen der jährlichen Niederschlagssummen, dann ergibt sich das in Abbildung 1 dargestellte Bild.

Abb. 1: Jahres-Gesamtverdunstung
Abbildung 1: Jahres-Gesamtverdunstung von bewaldeten Einzugsgebieten in Deutschland - Angaben für Fichte; Auswertungen tabellarischer Angaben in MENDEL
(2000); N = Jahresniederschlag, V = Verdunstung, n = Anzahl der Einzugsgebiete
je Klasse: Klasse 1: 703 mm < N < 803 mm,
Klasse 2: 1.066 mm < N < 1.299 mm,
Klasse 3: N = 2.320 mm

Bei jährlichen Niederschlägen um 750 mm gehen fast 90 % in die Verdunstung, bei 1.200 mm knapp über 40 %, bei Niederschlagsmengen über 2.000 mm zirka 20 %. Absolut gesehen heißt dies, dass ein Fichtenbestand in Deutschland pro Jahr zwischen 500 und 650 mm Wasser über aktive Verdunstung an die Atmosphäre zurückgibt.

Berechnungen des Wasserumsatzes einer dicht bestockten 25-jährigen Zirben-Aufforstung in Haggen im Tiroler Sellraintal von MARKART (2000) ergaben Transpirationswerte zwischen 26 und 55 % des Niederschlages von ca. 400 mm in den Sommermonaten Juli bis September. Bei günstiger Niederschlagsverteilung fand in der Aufforstung in den Sommermonaten nahezu keine Tiefensickerung statt. Die Zirbenaufforstung wies ein deutlich rascher abnehmendes Wasserangebot im Boden auf als eine benachbarte, mit Gräsern und Besenheide bewachsene Freifläche.
Dabei ist der Anteil des von der Baumvegetation über die Wurzeln aufgenommenen und über die Nadeln oder Blätter an die Luft abgegebenen Wassers (aktive Verdunstung/Transpiration) deutlich größer - doppelt bis viermal so hoch - wie zum Beispiel von kurzwüchsigen alpinen Rasen (Abb. 2).

Böden unter Wald oder alpinen Zwergsträuchern deutlich aufnahmefähiger

Bei gleichem Niederschlagsangebot sind Böden unter Wald oder alpinen Zwergsträuchern auf Grund der hohen Interzeptions- und Transpirationsleistung daher in der Regel deutlich aufnahmefähiger als Böden unter kurzwüchsigen Vegetationsformen wie etwa alpinen Rasen.

Abb. 2: Niederschlagsumsatz
Abb. 2: Niederschlagsumsatz in den Sommermonaten Juli-September am Beispiel
eines Hangsegmentes für die Tiroler Inneralpen; Angaben in mm;
Quellen: BRONSTERT (1994); LYR et al. (1992); MARKART (2000); MENDEL (2002);
Grün = Wald, rot = Rasen, alpines Grasland

BREITSAMETER (1996) registrierte in aufgelichteten Fichten-Tannen-Buchen-Beständen im Flysch und im Kalkalpin der Tegernseer Berge infolge geringerer Interzeption und niedrigerer Verdunstung höhere Bodenfeuchte als in dichten, nicht durchforsteten Beständen. Je älter die Bäume sind und je dichter sie stehen, umso rascher steigen die Wasserspannungen in der intensiv durchwurzelten Zone.

Auch HAGER (1988) beobachtete in Abhängigkeit vom Durchforstungsgrad seiner Fichten-Versuchsflächen am Jauerling in Niederösterreich ein typisches Aufsättigungsmuster. Je lockerer der Bestand, umso langsamer und weniger tiefgreifend wird das Wasser dem Boden entzogen.

Einfluss der Waldvegetation auf die Abflussbildung bei Starkregen

Nach COSANDEY et al. (2005) sollte die Diskussion der hydrologischen Wirkung von Wäldern (am Beispiel Südfrankreich) auf die Frage vegetationsloser Boden versus vegetationsbedeckter Boden reduziert werden. Die Frage der Wirkung der Waldvegetation im Vergleich zu anderen Vegetationsformen sei von untergeordneter Bedeutung.

Dieser Meinung muss nach aktuellem Kenntnisstand für den Ostalpenraum massiv widersprochen werden. In einer Reihe von Felduntersuchungen ist mittlerweile belegt, dass im Alpenraum großräumig vorkommende gehölzfreie Vegetationseinheiten wie z. B. Bürstling-Rasen oder auch einzelne Formen von Schwingel-Rasen auf Grund des hohen Anteiles an toter organischer Substanz die Aufnahmefähigkeit des Mineralbodens stark herabsetzen (Strohdacheffekt) und aus diesen Einheiten durchwegs hohe Oberflächenabflussspenden zu erwarten sind (MARKART et al. 1996, 2000). Zusätzliche Abfluss fördernde anthropogene Eingriffe (Planien, Weide etc.) sind dabei noch gar nicht berücksichtigt.

Waldvegetation und dichte Zwergstrauchdecke verringern Oberflächenabfluss

Die positiven hydrologischen Wirkungen der Waldvegetation bzw. einer dichten Zwergstrauchdecke bei Starkregen liegen nicht primär in der Interzeptionsleistung zum Zeitpunkt des Starkregenereignisses, sondern in der Brechung der kinetischen Energie des Niederschlages und dessen dosierter Ableitung über die Bodenvegetation und die Humusauflage, die den Aufprall der Tropfen weiter abpuffern, in den Mineralboden und den geologischen Untergrund leiten kann.

Dabei wirken abgestorbene Baumwurzeln noch oft über Jahre und Jahrzehnte nach ihrem Absterben als Hohlräume (AIGNER 1991) und ermöglichen damit eine rasche Wasserableitung. Dies erhöht den Abfluss im Boden, er kann erheblich sein, aber er ist nach WOHLRAB et al. (1996) mindestens zwanzigmal langsamer als der Oberflächenabfluss.

Seit Ende des 19. Jahrhunderts hatten zahlreiche Studien zum Ziel, die unterschiedlichen Abfluss- und Infiltrationseigenschaften von Wald- und Nichtwaldstandorten (Freiland) quantitativ zu belegen. Schon die Arbeiten von ENGLER (1919) zeigen im Prinzip eindrucksvoll, dass "bei Gewitterregen der Abflussfaktor für Wald immer bedeutend kleiner als für das Freiland ist".

Nach den Anfangsverlusten durch Interzeption im Kronendach und in der Streudecke (zusammen zwischen 5 und maximal 10 mm) werden nach SCHWARZ (1986) 10 bis 30 mm Niederschlag benötigt, um eine Teilsättigung der obersten grobporenreichen Bodenschicht (A-Horizont) zu erreichen und hier oberflächennahen Abfluss auszulösen (EINSELE et al. 1986).

Die Arbeiten von BREITSAMETER (1996) im Flysch und in den Kalkalpen der Tegernseer Berge zeigen, dass geschlossener Bergwald einen nahezu vollständigen Schutz der Böden im Gebirge gegen flächenhaften Bodenabtrag darstellt. Der messbare Abtrag aus vollständig bewaldeten Gebieten entsteht primär in den Rinnen und Gräben sowie den unmittelbar angrenzenden steilen Ufereinhängen. Selbst bei starker Auflichtung auf die Hälfte ergab sich kein Oberflächenabfluss bzw. Bodenabtrag, ein Effekt, der auf die günstige Bodenstruktur (hohes Porenvolumen, Grobporenanteil, hohe Aggregatstabilität) und die intensive Durchwurzelung zurückzuführen war.

Bei der Bildung von Oberflächenabfluss wird oft nur auf den Abflussbeiwert, also das Verhältnis von Oberflächenabfluss zur Niederschlagsmenge, Bezug genommen. Von besonderer Bedeutung bei der Hochwasserentstehung ist jedoch auch die zeitliche Verzögerung der Abflussbildung.

Am Institut für Naturgefahren und Waldgrenzregionen (INW) wurden die Resultate von über 230 Starkregensimulationen (Beregnungsversuche mit Großregenanlagen auf Flächen von 50 bis 100 m2) auf verschiedensten Vegetationsformen verrechnet und die Werte der Konzentrationszeit für Standorte mit unterschiedlicher Abflussbereitschaft abgeleitet (Tabelle 1). Als Konzentrationszeit wird die Zeitspanne vom Regenanfang bis zu dem Augenblick,an dem ein Gleichgewichtszustand zwischen Zufluss und Abfluss erreicht wird, das heißt in dem der Abfluss ein Maximum erreicht, bezeichnet (SIFALDA 1996).

Tabelle: Abnahme der Initialabstraktion mit zunehmender Abflussbereitschaft 
Initialabstraktion (in min)
Abflussbeiwertklasse (AKl)
Oberflächenabfluss in % des Niederschlages
unendlich 0
0
28 1
1 - 10
20
2
11 - 30
15
3
31 - 50
11
4
51 - 75
7
5
75 - 99
5
6
100

Waldvegetation und alpine Zwergsträucher sind nach den vorliegenden Resultaten der Beregnungen primär den Klassen mit geringer Abflussbereitschaft zuzuordnen (BUNZA et al.1996; LÖHMANNSRÖBEN et al. 2000; MARKART et al. 2004). Diese beiden Vegetationsformen weisen in der Regel eine sehr raue Oberfläche auf, über die große Oberfläche und den stockwerkartigen Aufbau (Baumschicht, Kraut-/Zwergstrauchschicht, Moosschicht, Humusauflage, Mineralboden) wird die Abflussbildung gebremst. Daher erfährt die Hochwasserspitze in bewaldeten Einzugsgebieten eine deutliche Verzögerung und ist deutlich niedriger (COSANDEY 2005).

Abb. 3: Einfluss der Vorbefeuchtung
Abbildung 3: Einfluss der Vorbefeuchtung des Bodens auf den Oberflächenabfluss verschiedener Vegetationseinheiten (n = 78 Versuche, < 35 % des Gesamtporenvolumens (PV) = gering, 35-50 % des PV = mittel, > 50 % des PV = hoch; AKges = Gesamtabflusskoeffizient = Gesamtabfluss/gesamte Niederschlagsmenge); nach MARKART und KOHL (2004), verändert

Starkniederschläge können daher in gepflegten und gut strukturierten Wäldern weniger Schaden anrichten, der Fließweg des Niederschlages an der Bodenoberfläche bis zur Einsickerung in den Boden ist gegenüber alpinen Rasenflächen oder Intensivnutzungsflächen deutlich geringer.

Waldvegetation - Abflussverhalten in Abhängigkeit von der Vorbefeuchtung

Untersuchungen von MARKART und KOHL (2004) zum Zusammenhang zwischen Vorbefeuchtung und Abflussbildung belegen Einfluss der Vorbefeuchtung auf den Oberflächenabfluss bei Starkregen (Abbildung 3).

Der Abflussbeiwert variiert zwischen 0,15 (bei geringer Vorbefeuchtung) und 0,55 (bei hohem Wasseranteil). Extrem empfindlich auf hohe Ausgangsfeuchte reagieren Rasenstandorte (0,31 bzw. 0,55) und begrünte/planierte Flächen (0,16 bzw. 0,40). Bei Waldstandorten wirkt sich eine hohe Vorbefeuchtung in deutlich geringerem Ausmaß auf das Abflussgeschehen aus.

Einfluss auf die Abflussbildung bei Dauerregen

Bei einem vom Lebensministerium beauftragten Forschungsprojekt zur Analyse der Abflussentstehung bei Dauerregen konnten Mitarbeiter des Institutes für Naturgefahren und Waldgrenzregionen (INW) am BFW über Simulationen von Dauerregen auf 400 m2 großen Testflächen zeigen, dass auf Standorten mit hoher Abflussbereitschaft bei Starkregen (Niederschlagsintensität iN = 30 bis > 100 mm/h) auch bei Dauerregen (iN = 10 mm/h) ein hoher Anteil des Niederschlages als Oberflächenabfluss wirksam wird (NACHTNEBEL et al. 2005). Der Abflussbeiwert bei Starkregen ist bei 30 mm < iN < 100 mm annähernd konstant.

Die Ergebnisse der ersten Dauerregensimulationen lassen für Dauerregen um iN = 10 mm/h folgende grobe Rückschlüsse zu:

  • Flächen, die bei Starkregen viel Oberflächenabfluss bringen, liefern auch bei Dauerregen in hohem Maße Abfluss - ein bis maximal zwei Abflussbeiwertklassen nach MARKART et al. (2004) tiefer als bei Starkregen;
  • Auf Flächen mit geringer bis mittlerer Bereitschaft zur Bildung von Oberflächenabfluss bei Starkregen entsteht bei Dauerregen kein bis geringer Oberflächenabfluss (Abflussbeiwertklassen 0 bis 2 nach MARKART et al. 2004, siehe Tabelle 1).

Je rauer die Oberfläche eines Standortes und je geringer die Verdichtung des Oberbodens, umso geringer ist der Anteil des an der Oberfläche abfließenden Wassers. Eine raue Landoberfläche, wie zum Beispiel von Waldökosystemen oder alpinen Zwergstrauchheiden, ist ein wichtiges Element in der Verzögerung der Abflussspitze und für die dosierte Versickerung des sonst an der Oberfläche abfließenden Wassers - auch bei Dauerregen.

Abb. 5: Fichtenbestand am Ziepelbach bei Westendorf/Tirol
Abb. 4: Fichten-Bestand am Ziepelbach bei Westendorf, Tirol; die Fläche lieferte
bei Dauerregen keinen Oberflächenabfluss. Bei Starkregen mit 97,5 mm Niederschlag in 1,5 Stunden entstand auf dieser Fläche nur geringer Abfluss (8 Prozent der Auftragsmenge). (Foto: G. Markart)

Die Resultate der Starkregen- und Dauerregensimulationen des INW geben deutlich zu erkennen, dass Böden unter Wald auch bei hohen Niederschlagsmengen und -intensitäten kaum an die Grenze ihrer Aufnahmekapazität gelangen. Beispielsweise wurde ein Fichten-Bestand am Ziepelbach bei Westendorf (Tirol) innerhalb von 46 Stunden mit 170 mm Niederschlag in Form eines Dauerregens (iN E 10 mm/h) und mit einem weiteren Starkregen von 97,4 mm in 90 Minuten beaufschlagt (Abb. 4).

Im Boden, einer lehmig-sandigen pseudovergleyten Moderbraunerde, wurden vom Gesamtporenvolumen von ca. 70 Volumen-Prozent nur ca. 44 Volumen-Prozent ausgeschöpft, das restliche Wasser wurde dosiert in größere Tiefen abgeleitet.
Auf Standorten mit hohem natürlichem Hangwasserangebot, beispielsweise auf hydromorphen Böden, Feuchtflächen oder/und sehr bindigen (lehmigen/tonreichen) Einheiten hängt die Waldwirkung von der Infiltrationskapazität der Böden ab und ist in der Regel geringer.

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