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Dr. Heike Puhlmann

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Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA)
Abt.-Leiterin Boden und Umwelt

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Artikel

Autor(en): Heike Puhlmann, Klaus von Wilpert, Carina Sucker
Redaktion: FVA, Deutschland
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Können Wälder sicheren Hochwasserschutz bieten?

Hochwasserschäden können durch die Absenkung des Hochwasserscheitels und die zeitliche Verzögerung der Hochwasserwelle gemindert werden. Wäldern und ihren Böden kommt vor allem beim vorbeugenden Hochwasserschutz eine entscheidende Rolle zu, indem sie den flächigen Rückhalt des Niederschlagswassers am Ort der Abflussbildung ermöglichen. Die mildernde Wirkung von Wald auf kleinere und mittlere Hochwässer wurde in einer Vielzahl von Studien belegt.

Ungewöhnlich hohe Bodenfeuchten im Frühjahr 2013

Im Frühjahr 2013 waren in weiten Teilen Deutschlands stark überdurchschnittliche Niederschlagsmengen zu verzeichnen. Dies führte weiträumig zu einer außergewöhnlich hohen Wassersättigung der Böden. Zum Ende des Frühlings 2013 ermittelten die Agrarmeteorologen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) auf rund 40 Prozent der Fläche Deutschlands Bodenfeuchten, wie sie seit 1962 nicht mehr beobachtet wurden. Angesichts der dadurch verschärften Hochwassersituation stellt sich die Frage, wie wirkungsvoll der Hochwasserrückhalt im Wald tatsächlich ist und unter welchen Bedingungen ein Rückhalt im Wald überhaupt möglich ist.

Viele Faktoren bestimmen den Hochwasserschutz im Wald

Die Form der Waldbewirtschaftung kann den natürlichen Hochwasserrückhalt in bewaldeten Einzugsgebieten erhöhen oder mindern. Die Effizienz des Hochwasserrückhalts im Wald für den Hochwasserschutz hängt aber zunächst von den naturräumlichen Gegebenheiten ab. Neben den klimatischen Randbedingungen (Niederschlagsmenge, -intensität, Verdunstungsbedingungen) und der topographischen Situation spielen die geologischen Bedingungen (welche im Wesentlichen die langsamen Abflüsse im Grundwasser beeinflussen) und die Bodeneigenschaften (welche den Anteil schneller oberflächlicher oder bodeninterner Abflüsse an der Hochwasserwelle bestimmen) eine wichtige Rolle bei der Abflussbildung. Die Landnutzung bzw. die Art der Waldbewirtschaftung beeinflusst in erster Linie die oberflächennahen bzw. bodeninternen Abflussprozesse. Theoretisch kann der Abfluss so lange reduziert und verzögert werden, wie die Speicherfähigkeit des Bodens noch nicht erschöpft ist.

Auf zwei Aspekte, die sich auf den flächigen Hochwasserrückhalt in Wäldern bedeutend auswirken, soll in diesem Zusammenhang näher eingegangen werden:

Die natürliche Retentionskapazität der Waldböden, die durch deren bodenphysikalische und bodenhydraulischen Eigenschaften bestimmt wird.

Änderungen in der Retentionskapazität, die direkt oder indirekt durch die Waldbewirtschaftung verursacht werden, und damit verschärfend oder abmildernd auf Hochwasserabflüsse wirken können.

Speicherkapazität von Waldböden ist naturgemäß hoch

Bäume schaffen mit ihrem vergleichsweise tiefen und dauerhaften Wurzelsystem einen humus- und porenreichen Boden, der das Wasser gut eindringen lässt und in größere Tiefen ableiten kann. Die Infiltration ist in einem ungestörten Waldboden mit bis zu 80 l/m2 pro Stunde in der Regel so hoch, dass auch bei Starkregen kein Infiltrationsüberschuss und damit auch kein Oberflächenabfluss entsteht.

Waldböden besitzen im Vergleich zu Landwirtschaftsflächen eine höhere Speicherkapazität für infiltriertes Wasser, was zum einen durch den höheren Anteil des Grob- und Mittelporenvolumens und der organischen Substanz im Oberboden erklärt werden kann. Zum anderen haben Böden unter Wald bei Niederschlagsbeginn eine tendenziell geringere Vorfeuchte, im Wesentlichen eine Folge der hohen Interzeption von Niederschlagwasser im Kronenraum der Bäume und der höheren Transpirationsleistung.

Das in den Boden infiltrierte Niederschlagswasser füllt zunächst den Bodenwasserspeicher auf. Dieser wird über die Transpiration der Pflanzen wieder teilweise geleert und bei weiteren Niederschlägen wieder aufgefüllt. Der Boden wirkt somit als Zwischenspeicher für Wasser. Aufnahme und Zwischenspeicherung von Wasser im Boden gelten als Schlüsselgrößen für die Abflussbildung. Je größer die Infiltrationskapazität und je größer die Speicherfähigkeit der Böden, desto stärker wird die Abflussbildung verzögert. Je stärker ein Boden gesättigt ist, desto geringer ist sein Vermögen, weiteres Niederschlagswasser zu speichern. Der gleiche Niederschlag führt bei unterschiedlicher Vorfeuchte deshalb unter Umständen zu sehr unterschiedlichen Abflussreaktionen.

Die natürliche Retentionskapazität: Fallstudie Conventwald bei Freiburg i. Br.
Untersuchungsgebiet Conventwald bei Freiburg: Pegelmessstelle
Abb. 1: Pegelmessstelle im Conventwald bei Freiburg i. Br. (Foto: FVA/Buberl)

Abb. 2 zeigt beispielhaft die Entwicklung des Abflusses im Einzugsgebiet Conventwald, einem Intensivuntersuchungsgebiet der Forstlichen Versuchsanstalt Baden- Württemberg, bei trockenen Vorbedingungen (Herbst 2011) sowie bei sehr feuchten Ausgangsbedingungen im Frühjahr 2013. In beiden Perioden waren die Niederschläge sowohl in Bezug auf die Gesamtniederschlagsmenge (83 mm im Herbst 2011 und 61 mm im Frühjahr 2013) als auch die zeitliche Abfolge der Einzelniederschläge sehr ähnlich. Deutlich ersichtlich wird, dass der Abfluss bei trockenen Vorbedingungen kaum reagiert und der Niederschlag nahezu vollständig im Boden gespeichert wird, was sich in einem Anstieg des Bodenwassergehalts in 30 cm Bodentiefe um 6 Vol. % und in 60 cm Bodentiefe um 9 Vol. % bemerkbar macht (Abb. 2). Beim zweiten dargestellten Abflussereignis lagen die Bodenwassergehalte schon vor Ereignisbeginn im Bereich der Feldkapazität und stiegen infolge der Niederschläge nur noch geringfügig an. Die geringe Aufnahmefähigkeit des Bodens für Niederschlagswasser schlug sich in einer steilen Hochwasserwelle wieder, deren Scheitelabfluss bisher nur einmal seit Beginn der Beobachtungen im Jahr 1996 übertroffen wurde (vgl. Abb. 3).

Abflussreaktionen im Einzugsgebiet Conventwald unter trockenen (Herbst 2011) und sehr feuchten (Frühjahr 2013) Vorbedingungen infolge eines ähnlichen Niederschlags
Abb. 2: Abflussreaktionen im Einzugsgebiet Conventwald unter trockenen (Herbst 2011) und sehr feuchten (Frühjahr 2013) Vorbedingungen infolge eines ähnlichen Niederschlags; dargestellt sind Stundenwerte für Niederschlag (P), Bodenwassergehalt (FDR) und Gebietsabfluss (Q).

Trockene Vorbedingungen im Herbst und feuchte Vorbedingungen im Frühjahr sind in Waldböden die Regel. Der Bodenwasserspeicher wird mehr oder weniger regelmäßig während der Vegetationszeit geleert und im Spätherbst und Winter durch Niederschläge und Schneeschmelze wieder aufgefüllt. Hohe Niederschläge im Frühjahr treffen deswegen in der Regel auf Böden mit einem hohen Wassersättigungsgrad, die kaum in der Lage sind, den einfallenden Niederschlag zu speichern, und so die Abflussbildung zu verzögern.

Bodenfeuchtemessungen im Conventwald zeigen, dass der Bodenwasserspeicher während des Winters 2012/13 stärker als in den vergangenen Jahren aufgefüllt wurde und dass im Frühjahr die Austrocknung witterungsbedingt ungewöhnlich gering ausfiel und durch regelmäßige Niederschläge immer wieder ausgeglichen wurde (Abb. 3). Der hohe Wassersättigungsgrad sowie die hohen Niederschlagssummen in diesem Frühjahr führten dazu, dass der Spitzenabfluss aus dem Conventwald in diesem Frühjahr das 32-fache des Mittelwasserabflusses betrug.

Tageswerte des Niederschlags (P), der Bodenwassergehalte (FDR) und der Abflussmenge (Q) im Conventwald von Januar 2009 bis Juni 2013
Abb. 3: Tageswerte des Niederschlags (P), der Bodenwassergehalte (FDR) und der Abflussmenge (Q) im Conventwald von Januar 2009 bis Juni 2013; gelbe Hilfslinien markieren die in Abb. 2 gezeigten Abflussperioden; die graue Schattierung kennzeichnet die einzelnen Quartale eines Jahres.

Änderungen in der Retentionskapazität

Neben der (klimatisch bedingt) zeitlich variierenden Bodenwasserspeicherfüllung bestimmt die potentielle Speicherkapazität der Waldböden (also ihren Infiltrations- und Retentionseigenschaften) den Rückhalt von Niederschlägen im Boden. Waldböden haben in der Regel eine geringe Lagerungsdichte und damit eine hohe Porosität, womit eine generell hohe Infiltrationsleistung verbunden ist. Unter bestimmten Umständen, zum Beispiel durch das unsachgemäße flächige Befahren von Waldböden bei der Holzernte, kann die Infiltrationsfähigkeit jedoch stark herabgesetzt werden. Eine organisatorische Vermeidungsstrategie wird in der Feinerschließungsrichtlinie des Ministeriums für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz (MLR) Baden-Württemberg vorgegeben, indem Befahrung mit schweren Forstmaschinen zwingend auf Rückegassen konzentriert und flächige Befahrung verboten wird.

Trotzdem fand und findet, insbesondere bei waldbaulichen Verfahren mit Einzelbaumbewirtschaftung, ungeregelte Befahrung von Waldflächen statt und hinterlässt dauerhafte Verdichtungsschäden.

Bei verdichteten Böden steigt die Gefahr von schnell abfließenden Hochwasserwellen

Abb. 4 zeigt exemplarisch, welchen Effekt die Lagerungsdichte sowohl auf die Wasserleitfähigkeit als auch das Wasserspeichervermögen von Waldböden hat. Bei den dargestellten Gruppen von Böden handelt es sich beide Male um lehmige Schluffe; die Trockenraumdichte variiert jedoch zwischen den Gruppen (< 1,1 g/cm³, rote Kurve und > 1,35 g/cm³, blaue Kurve). Die Darstellung zeigt, dass die gesättigte Wasserleitfähigkeit in Böden mit 25 bis 30 % geringerer Trockenraumdichte durchschnittlich um drei Größenordnungen höher ist, während die Wasserspeicherkapazität im Bereich der Grobporen (etwa bis pF=2,5) proportional zur Zunahme der Lagerungsdichte abnimmt. Dies zeigt, dass die Gefahr schnell abfließender Hochwasserwellen mit der Wassersättigung in verdichteten Böden überproportional stark zunimmt. Allerdings kann auch die in der Feinerschließungs-Richtlinie vorgeschriebene Konzentration von Befahrung auf Rückegassen im hängigen Gelände ein Hochwasserrisiko bedeuten, da Rückegassen lineare Fließpfade darstellen, die insbesondere bei Starkregen ein erhöhtes Hochwasserrisiko verursachen.

Leitfähigkeits-Sättigungs-Beziehung (links) und Retentionskurve (rechts) für lehmige Schluffe mit geringer (< 1,1 g/cm³, rote Schraffur) und hoher (> 1,35 g/cm³, blaue Schraffur) Trockenraumdichte
Abb. 4: Leitfähigkeits-Sättigungs-Beziehung (links) und Retentionskurve (rechts) für lehmige Schluffe mit geringer (< 1,1 g/cm³, rote Schraffur) und hoher (> 1,35 g/cm³, blaue Schraffur) Trockenraumdichte; die schraffierten Bereiche geben Wertebereiche der Proben aus der Bodenzustandserfassung (BZE II) an, die durchgezogenen Linien die Mittelwerte aller Proben mit der Bodenart "lehmiger Schluff".
Die Bewirtschaftung hat Einfluss auf das Abflussgeschehen

Neben direkten Einflüssen der Forstwirtschaft auf die Bodeneigenschaften, wie durch die oben diskutierte Flächenbefahrung, wird das Abflussgeschehen in bewaldeten Einzugsgebieten auch über die Eigenschaften der Waldbestände und deren Einfluss auf die Interzeption, Evaporation und Transpiration bestimmt.

Der Einfluss der Vegetation auf die Abflussbildung soll exemplarisch an folgendem Beispiel veranschaulicht werden. Im Nordhang des Belchens, einem der markantesten Berge im Südschwarzwald, traten im Verlauf der letzten 15 Jahre enorme strukturelle Veränderungen in den Waldbeständen mit weitreichenden Konsequenzen auf. Starkregenereignisse lösten vermehrt Erosionserscheinungen mit Murenabgängen aus, die kanalisiert in mehreren Rinnen talabwärts geleitet wurden. Die auffälligsten Veränderungen zeigten sich in den Fichtenaltholzbeständen, in denen Borkenkäferkalamitäten zum Absterben großer Flächen geführt haben. Ein weiteres Problem liegt in der Naturverjüngung, die aufgrund der klimatischen Verhältnisse nur sehr langsam verläuft und zusätzlich durch Gamswildverbiss beeinträchtigt wird.

Mittels einer Wasserhaushaltsmodellierung wurde der Einfluss der Vegetation auf die Abflussbildung in der Nordwand des Belchens untersucht. Die Vegetationsverhältnisse wurden in Form von drei möglichen Bewuchsszenarien (reiner Fichtenbestand, Mischwald, Gras) beschrieben, welche sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Transpirationsleistung, der Tiefenverteilung ihrer Wurzeln und der Interzeptionskapazität der Blattoberflächen unterschieden.

Tab. 1 zeigt den Anteil schneller Abflusskomponenten (Summe von Oberflächenabfluss und schnellem bodeninternen Abfluss) am Jahresniederschlag für die Jahre 2000 bis 2002 in Abhängigkeit von der modellierten Vegetationsform. Im Szenario "Gras" ist der Anteil schneller Abflusskomponenten deutlich höher als für die anderen Vegetationsformen, während er für das Szenario "Fichte" am geringsten ist.

Tab. 1: Anteil schneller Abflusskomponenten (Oberflächenabfluss und Interflow in der Bodenzone) in Prozent der Jahresniederschlagssumme in einem Kleineinzugsgebiet am Belchen/Südschwarzwald für drei Vegetationsszenarien.
Jahr Fichte Mischwald Gras Jahressumme Niederschlag
2000 70,9 % 76,1 % 82,7 % 1.950 mm
2001 77,1 % 80,4 % 85,0 % 2.670 mm
2002 70,2 % 76,0 % 81,9 % 2.110 mm

Die Ursachen für die unterschiedliche Abflussbildung in den verschiedenen Vegetationsszenarien liegen vor allem in der deutlich höheren Interzeptionsleistung von Fichten. So wird im Fichten-Szenario ein weitaus größerer Anteil des Niederschlags in den Baumkronen zurückgehalten als im Mischwald-Szenario, so dass ein deutlich geringerer Anteil des Niederschlags überhaupt abflusswirksam werden kann. Dies erklärt den für das Szenario „Fichte“ vergleichsweise geringen Anteil an schnellen Abflusskomponenten. Aber auch innerhalb einer Bewuchsform variiert der Anteil schneller Abflusskomponenten von Jahr zu Jahr. In feuchten Jahren (z. B. 2001 mit 2670 mm Jahresniederschlag) ist der Anteil im Vergleich zu durchschnittlichen Jahren erhöht, da die stärkere Bodensättigung häufiger zu oberflächennahen Abflüssen führt.

Folgerungen

Die hochwassermindernde Wirkung von Waldbeständen, insbesondere in kleinen Einzugsgebieten und für kleine und mittlere Hochwasserereignisse, ist inzwischen allgemein anerkannt. Die Art und Weise, wie Wälder bewirtschaftet werden, hat Einfluss auf das natürliche Rückhaltevermögen bewaldeter Wassereinzugsgebiete, welches im Wesentlichen durch die klimatischen und topographischen Bedingungen, die geologischen Gegebenheiten und die Bodeneigenschaften bestimmt wird. Flächige Befahrung mit schweren Forstmaschinen, das Anlegen von Forstwegen und die Dränage von Waldstandorten beeinträchtigen die Infiltrations- und Speichereigenschaften der Waldböden und führen in der Regel zu einer Beschleunigung der Abflüsse. Hochwassermindernde Bewirtschaftungsformen umfassen den Erhalt einer geschlossenen Bestandesdecke (unter anderem Kahlschlagsverzicht), die Förderung tief wurzelnder und stark transpirierender Baumarten, die Vermeidung flächiger Befahrung, den Rückbau von Wegenetzen und die Wiederversickerung des Oberflächenabfluss von Wegen in den Waldbeständen.

Hohe Retentionsleistung im Wald möglich

Das in den Abb. 2 und 3 gezeigte Beispiel aus der Fallstudie Conventwald ist aufgrund der dortigen Boden- und Vegetationsbedingungen als besonders günstig hinsichtlich des Rückhalts und der Abmilderung von Hochwasserwellen zu bewerten. Der Boden ist mit 1 bis 1,5 m Entwicklungstiefe sehr tiefgründig und weist mit 50 Vol. % ein hohes Gesamtporenvolumen im Feinboden auf. Das Einzugsgebiet ist von einem räumlich stark diversifizierten Mischbestand (63 % Buche, 26 % Tanne und 4 % Fichte) geprägt, der 93 % der Einzugsgebietsfläche bedeckt. Auf sieben Flächenprozent finden sich weitgehend gleichmäßig verteilte, kleine Bestandeslücken, in denen zu etwa einem Drittel Naturverjüngung vorhanden ist. Im Einzugsgebiet befinden sich keine Forstwege und flächige Befahrung ist aufgrund der Hanglage und des Schutzstatus als Bannwald auszuschließen. Somit wird die hier gezeigte Retentionsleistung eher im oberen Bereich dessen liegen, was ohne technische Retentionsmaßnahmen (zum Beispiel Rückhaltebecken) in Wäldern zu erwarten ist.

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