Potenzial der Trinkwasserspeicherung in Österreichs Wäldern


Der Wald gilt als die ideale Landnutzungsform für die Sicherung von Trinkwasser. Waldböden wirken als natürlicher Filter für Schadstoffe und sorgen so für reines Trinkwasser. Das Bundesforschungszentrum für Wald hat gemeinsam mit der Universität für Bodenkultur Österreichs Waldstandorte hinsichtlich ihres Produktionspotenzial für Trinkwasser eingeteilt.

Eine lange Liste an Fachliteratur (Rothe et al., 1998, Wenger, 2002, Weis et al., 2008, Hegg et al. 2012) sowie zahlreiche Erfahrungswerte bestätigen, dass der Wald in spezieller Art und Weise gestaltet bzw. bewirtschaftet werden muss, damit Waldökosysteme die notwendigen Anforderungen für die Sicherung des Trinkwassers nachhaltig erfüllen können.


Die Baumartenzusammensetzung hat Einfluss auf die Wasserqualität: Generell wird unter Laubbäumen hochwertigeres Trinkwasser produziert als unter Nadelbäumen (Foto: BirgitH/pixelio.de)

Um solche Fragen österreichweit beantworten zu können, wurden zwei Projekte im Rahmen der technischen Hilfe zur ländlichen Entwicklung 2007/2013 durchgeführt.

Die zentralen Fragestellungen

  • Wie hoch ist die Bodenwasserspeicherkapazität an den österreichischen Waldstandorten?
  • Wie schaut das Trinkwasserpotenzial der wichtigsten österreichischen Waldstandorte aus?
  • Wie kann durch geeigneten Waldbau das vorhandene Trinkwasserpotential gesichert werden?
Als Vorarbeit wurde im ersten Projekt die Wasserspeicherung im Waldboden errechnet. Diese wurde als Indikator für das Trinkwasserpotenzial angesehen.
Der Bodenwasserspeicher ist für verschiedene Bereiche des Wasserhaushalts von zentraler Bedeutung:
  • Ein voller Bodenwasserspeicher kann für eine gewisse Zeit den Wasserverbrauch durch  Verdunstung puffern, sodass der Bestand in dieser Zeit ohne Niederschlag auskommen kann.
  • Die Trinkwasserproduktion in Quellenschutzwäldern ist unmittelbar vom Niederschlag geprägt, der Bodenwasserspeicher reguliert den Abfluss des Wassers in Quellen, Grundwasser und Flüsse.
  • Durch Auffüllen des Bodenwasserspeichers können Niederschlagsspitzen abgefedert (gepuffert) und potenziell gefährliche Abflüsse verhindert werden.

Was ist die Wasserspeicherkapazität?

Man kann sich die Wasserspeicherkapazität eines Bodens einfach so vorstellen, dass in ein definiertes Bodenvolumen so lange Wasser gegossen wird, bis das Wasser vom Boden nicht mehr gehalten werden kann und es abfließt. Die Wassermenge, die der Boden gegen die Schwerkraft halten kann, nennt man Feldkapazität. Dieser Wert entspricht der Wasserspeicherfähigkeit des Bodens.

Dabei muss man aber berücksichtigen, dass Pflanzen nur einen Teil der Wassermenge im Boden nutzen können, da ein gewisser Prozentsatz des Wassers sehr stark an den Boden gebunden ist, und damit für Pflanzen nicht verfügbar ist. Zieht man diesen Anteil (Totwasser) von der Feldkapazität ab, bekommt man den für Pflanzen verfügbaren Anteil des Wasserspeichers, die nutzbare Feldkapazität. Kennt man schließlich auch noch den Anteil, den die Luft im Boden bei Feldkapazität einnimmt (die sogenannte Luftkapazität), kann damit das gesamte Porenvolumen des Bodens bestimmt werden.

Mit Hilfe der am Bundesforschungszentrum für Wald (BFW) zur Verfügung stehenden Datensätze von Waldinventur, Waldbodenzustandsinventur (WBZI) und dem EU-Projekt BIOSOIL wurden die Wasserspeicherkapazitäten der Waldböden an den Waldinventurpunkten abgeschätzt. Zum einen wurden die in der deutschen Norm DIN4220 angegebenen Werte für Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität und Luftkapazität auf die in Österreich gebräuchlichen Bodenarten (ÖNORM L1050) umgelegt. Damit konnten die von der Waldinventur ausgewiesenen Bodenarten direkt in die Berechnung einfließen.

Zum anderen konnten weitere wesentliche Parameter für die Ermittlung der Wasserspeicherkapazität, wie die Mächtigkeit der Bodenhorizonte bzw. der Auflage oder der Grobskelettanteil ebenfalls aus dem Datensatz der Waldinventur entnommen werden. Dagegen wurden fehlende Informationen über den Humusgehalt des Mineralbodens von Daten der WBZI abgeleitet. Die Bodendichte wurde aus den Daten von BIOSOIL abgeschätzt.

Für die Berechnung der oben angeführten Parameter wurde  als Berechnungsbasis eine maximale Profiltiefe von 1 Meter angenommen. Damit liegen nun erstmals österreichweite Aussagen über die Wasserspeicherfähigkeit des Waldbodens vor.


Abbildung 1: Nutzbare Feldkapazität im gesamten Bodenprofil (< 1m) an den österreichischen Waldinventurflächen. Zusätzlich sind die Wuchsgebietsgrenzen nach Kilian et al. (1994) dargestellt.

Wasservorrat im Boden wichtig

Diese Daten stellen eine wichtige Basis für waldbauliche und waldökologische Fragestellungen, auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel dar. Wie wichtig der Bodenwasserspeicher ist, zeigen Messungen aus den Jahren 2003 und 2015 mit extrem trockenen und heißen Sommermonaten. Glücklicherweise war an diesem Standort in beiden Jahren ausreichend Winterfeuchte vorhanden, sodass es rund zwei bis drei Monate gedauert hat, bis der Bodenwasservorrat praktisch aufgebraucht war. Dabei hat der Trockenstress im vergangenen Jahr noch länger angedauert als im Jahr 2003.


Abbildung 2: Nutzung des Wasserspeichers auf einem tiefgründigen Standort in zwei extremen Jahren (Commendewald bei Fürstenfeld)

Die Daten der Wasserspeicherfähigkeit des Waldbodens wurden im Projekt zum Potenzial der Trinkwasserspeicherung und den Schutz der Trinkwasserreserven weiter verarbeitet. Hier sollte ein Instrument zur Planung und zur zielorientierten Maßnahmenumsetzung entwickelt werden, mit dem die  Trinkwasserqualität und -versorgung gesichert und verbessert werden kann.

In einem ersten Schritt wurden dazu Wald-Hydrotope definiert, das sind Flächen, die hydrologisch relativ homogen reagieren und eine vergleichbare Trinkwasserspeicherung aufweisen, da die Bestände auf vergleichbaren Standorten stocken (Gurtz et al. 1999). Die Waldboden-Zustandsinventur (WBZI) war die zentrale Datengrundlage, für Detailfragen wurde Fachliteratur herangezogen. Gliederungskriterien sind die klimatischen Verhältnisse, das Substrat, das Nährstoffangebot eines Standortes (Trophie) sowie ausgewählte Standorts- und Bodeneigenschaften (z.B. Relief, Skelettgehalt). Insgesamt wurden für Österreich (ausgenommen Sonderstandorte) 48 Wald-Hydrotop-Modell-Gruppen (WHM [Koeck et al. 2007]) festgelegt.

Für diese Wald-Hydrotop-Modell-Gruppen wurden Zielwalddefinitionen entwickelt, die standortsspezifisch beschreiben, wie die Trinkwasser-Ressourcenschutzfunktion dieser Waldökosysteme am besten gewährleistet werden kann. Von zentraler Bedeutung ist, dass die Waldbewirtschaftung auf die übergeordneten Ziele abgestimmt ist.

Die Zielwalddefinitionen orientieren sich an den Rahmenbedingungen der natürlichen Waldgesellschaft bzw. der potenziellen natürlichen Vegetation (PNV), da die erforderliche Stabilität und Resilienz der Waldökosysteme durch eine adäquate, mit den Standortsbedingungen übereinstimmende Baumartenvielfalt und Baumartenverteilung am besten erreicht wird.

Für jedes Wald-Hydrotop-Modell wurden Indikatoren zur Bewertung der Trinkwasser-Ressourcenschutzfunktion ausgewählt und deren mögliche Ausprägungen bewertet. Diese Indikatoren wurden unterschiedlich gewichtet (gewichtetes Scoring-Verfahren), um schließlich den Index der Trinkwasser-Ressourcenschutzfunktion (ITRS) zu berechnen. Das Berechnungsergebnis gibt an, ob ein Waldbestand bereits den Anforderungen des Trinkwasser-Ressourcenschutzes entspricht (grün), nur bedingt entspricht (gelb) oder aktuell nicht entspricht (rot).

Indikatoren für Hochwälder sind Baumartenanteile, Baumartenanzahl, Deckungsgrad der Baumschichten, Verjüngungsfläche/Jungwuchs, Baumarten-Zusammensetzung der Verjüngung, Schichtigkeit, Entwicklungsstufen/Bestand, Deckungsgrad der Bodenvegetation, Schäden und Totholzanteile. Zum Beispiel wirkt sich ein mehrschichtiger Bestand positiv auf die Trinkwasser-Ressourcenschutzfunktion aus.

Vor allem die Ziel-Baumartenanteile sind zentraler Bestandteil der Trinkwasser-Ressourcenschutzfunktion und wurden zur ITRS-Berechnung für jede Wald-Hydrotop-Modell-Gruppe taxativ beschrieben. Dabei wurden Mindestanteile für die dominanten und subdominanten Baumarten eines WHM festgelegt, und ein Pool aus Mischbaumarten beschrieben. Je mehr standortsgemäße Baumarten vorhanden sind, desto besser für das Trinkwasserproduktionspotenzial.

In einem zweiten Schritt wurde das Trinkwasserproduktionspotenzial durch eine waldhydrologische Bewertung der 48 Wald-Hydrotop-Modell-Gruppen abgeschätzt. Diese Bewertung basiert einerseits auf bodenphysikalischen Kenngrößen wie der nutzbaren Wasserspeicherkapazität (nWSK) und der Feldkapazität sowie andererseits auf standorts- und bodenkundlichen Merkmalen der Probeflächen der Österreichischen Waldinventur 2007/09.

hydrologisches VerhaltenWald-Hydrotop-Modell-Gruppen
mit hohem TrinkwasserproduktionspotenzialAuwälder und bodenfeuchter d.h. tiefgründiger Eichen-Hainbuchenwälder mit Zuschusswasser (flächenmäßig von geringer Bedeutung);    
silikatische Fichten-Tannen-, Fichten-Tannen-Buchen- und Buchenwälder, wieder auf tiefgründigeren Standorten mit Zuschusswasser 
mit geringem Trinkwasserproduktionspotenzial subalpine Fichten-Standorten, Karbonat-Fichten-Tannen-Buchen-Wald, Karbonat-Buchenwald und  Schwarzkiefern-Wälder (Schwarzkiefern-Wälder sind flächenmäßig unbedeutend)

Download

Berechnungs- und Bewertungschema des Index der Trinkwasser-Schutzfunktion (ITRS), umgesetzt in MS Excel
Zip-Datei: Excel-Datei ausgefüllen, Ergebnisse werden selbstständig berechnet. Der Bestimmungsschlüssel ist mit der Datei r001.htm zu starten und läuft wiederum selbstständig.
Zur Bestimmung der Wald-Hydrotop-Gruppen wurde ein html-basierter Bestimmungsschlüssel erarbeitet. Jeder,  der die gängigen forstlichen Fachdaten für den gewünschten Bestand zur Verfügung hat, kann den Bestand eigenständig in Bezug auf dessen Trinkwasser-Schutzfunktion bewerten.

Literatur

Gurtz, J., Baltensweiler, A., Lang, H., 1999. Spatially distributed hydrotope-based modelling of evapotranspiration and runoff in mountainous basins. Hydrological Processes 13, pp. 2751-2768.
Hegg, C.; Jeisy, M.; Waldner, P., 2004. Wald und Trinkwasser. Eine Literaturstudie, Birmensdorf, Eidg. Forschungsanstalt WSL, 60 Seiten
Kilian, W.; Müller, F.; Starlinger, F. (1994): Die forstlichen Wuchsgebiete Österreichs. Eine Naturraum-gliederung nach waldökologischen Gesichtspunkten, FBVA-Berichte 82
Koeck, R., Magagna, B., Hochbichler, E., 2007. KATER II Handbook – Final report regarding the land use category forestry. Download: www.kater.at
Rothe, A.; Kölling, C.; Moritz, K. (1998): Waldbewirtschaftung und Grundwasserschutz – Der aktuelle Kenntnisstand, AFZ- Der Wald 1998
Richards, W.H., Koeck, R., Gersonde, R., Kuschnig, G., Fleck, W., Hochbichler, E. (2012): Landscape-Scale Forest Management in the Municipal Watersheds of Vienna, Austria and Seattle, USA: Commonalities Despite Disparate Ecology and History. Natural Areas Journal 32, 199-207.
Weis, W.; Huber, C.; Göttlein, A. (2008): Waldverjüngung und Wasserqualität, LWF aktuell  66/2008
Wenger, W. (2002): Bedeutung des Waldes für die Trinkwassergewinnung, LWF aktuell 34/2002

Ko-Autoren

Am Originalartikel mitgearbeitet haben Dipl.-Ing. Dr. Roland Köck und Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Eduard Hochbichler, Universität für Bodenkultur, Wien.

Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft (BFW)
Austria, 1131 Wien, Seckendorff-Gudent-Weg 8 | Tel.: +43 1 878 38-0

Autor: Englisch M., Leitgeb E., Gartner K.

Quelle/URL: https://bfw.ac.at/rz/bfwcms.web?dok=10113