Hydrochemische und biologische Merkmale regionaler Bachtypen in Baden-Württemberg

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1 Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg l I Oberirdische Gewässer, Gewässerökologie 56 Hydrochemische und biologische Merkmale regionaler Bachtypen in Baden-Württemberg Zoologisc^ba^tstitut D-3&992 Braunschweig Herausgegeben von der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg 1. Auflage Karlsruhe 2000

2 > LfU Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Seite Zusammenfassung 21 1 Grundlagen der Fließgewässertypologie Aufgaben, Zielsetzung und Kenntnisstand Grundtypen Allgemeine regionale Grundtypen Allgemeine geochemische Grundtypen Subtypen Höhenzonale Subtypen Interdisziplinäres Typologie-Projekt - Teilnehmer Fließgewässertypisierung in Baden-Württemberg Typologische Differenzierungsebenen ^ Das System der Fließgewässertypen in Baden-Württemberg 37 2 Ausgewählte Fließgewässer-Landschaften in Baden-Württemberg..4O 2.1 Silikat Gebirgs- und Bergland-Gewässer Bergland-Gewässer des Grundgebirges (Schwarzwald) Bergland-Gewässer des Buntsandsteins (Schwarzwald und Odenwald) Karbonat Bergland-Gewässer Die Bergland-Gewässer des Keupers Karbonat Flachlandgewässer Die Flachlandgewässer der jungquartären Schotterflächen und der holozänen Aufschüttungen (Auengewässer) Niederterrassenbäche Schwemmfächerbäche Flachland-Auebäche Rheinauebäche 53 3 Methoden." Untersuchungsprogramme Datenverarbeitung ' Stammdaten : Flussdatei Höhenlage der Untersuchungsstellen Mittleres Talgefälle der Untersuchungsstellen Geologie : Geologie unmittelbar an einer Untersuchungsstelle Einzugsgebietsgeologie einer Untersuchungsstelle Talformtypus." Gewässerformation (= Gewässerordnung) Chemische Daten : Untersuchung und Datenerfassung Analytik Datenauswertung Überprüfung und Plausibilisierung chemischer Daten Ionenbilanzen Vergleich der theoretischen mit der gemessenen Leitfähigkeit Auswertung und Darstellung der Ergebnisse Perzentil-Berechnung Boxplots Ähnlichkeitsvergleiche mittels Clusteranalysen Aufbereitung chemischer Daten zur Clusteranalyse Bedeutung der Aufbereitung der Daten für die Clusteranalyse Vergleich von Cluster- und Faktorenanalyse Biologische Daten -. 72

3 Inhaltsverzeichnis LfU Biologische Datenbanken Erhebung biologischer Daten Abundanzermittlung in den semiquantitativen Proben Nachbestimmung im Labor : Belegsammlung Auswertung der Daten Zoozönologische Struktogramme Ähnlichkeits-Analysen von Gewässertypen und deren Zoozönosen Transformation der Daten Normierung und Logarithmierung : Ähnlichkeitsberechnung Nur Vorhandensein der Taxa (binäre Daten) berücksichtigt (Qualitativer Ansatz) Transformierte (normierte u. logarithmierte) Häufigkeit der Taxa berücksichtigt Beispiele für biologische Ähnlichkeitsanalysen Vergleich der Probestellen Binäre Daten Originaldaten mit unveränderten absoluten Häufigkeiten Normierte Häufigkeiten Logarithmierte und normierte Häufigkeiten Häufigkeitsklassen Vergleich der Taxa : ' Verschiedene Clusterverfahren Wertetabellen der Probestellen Ähnlichkeitsmatrices der Probestellen Wertetabellen der Taxa Ähnlichkeitsmatrices der Taxä Interpretation der Varianten Chemische Charakteristik ausgewählter Fließgewässerlandschaften Vorbemerkung zur Auswahl der Gewässer Untersuchungsprogramm Buntsandsteinbäche im Odenwald Geochemische Aspekte Sauerstoff- und Temperaturverhältnisse Nährstoff-Aspekte Bäche des metamorphen Grundgebirges im Schwarzwald Geochemische Aspekte Vergleich der geochemischen Ähnlichkeit Sauerstoffgehalt Nährstoff-Aspekte Bäche des Keuperberglandes Geochemische Aspekte Belastungs-Aspekte Nährstoff-Aspekte Bäche der Oberrheinebene Geochemische Aspekte..' Sauerstoffgehalt und Nährstoff-Aspekte Geochemische Gewässertypen in Baden-Württemberg Geochemische Grundtypen Weitergehende geochemische Typisierung Weitere typologische Untergliederung der Karbonat-Bäche Geochemische Charakterisierung der elektrolytreichen Karbonat-Bäche Weitere typologische Untergliederung der Silikat-Bäche Einordnung der Buntsandstein- und Gneisbäche in die Gruppe der Silikat-Bäche Vergleich der Bäche der vier Untersuchungsgebiete des PWAB-Programms Biologische Aspekte geochemischer Gewässertypen 180

4 LfU Inhaltsverzeichnis 7 Gewässerversauerung Einführung Ursachen der Gewässerversauerung Atmosphäre und Niederschläge Biosphäre Vegetation' Böden ' Puffersysteme Lithosphäre Anlaß der Untersuchungen in Baden-Württemberg Untersuchungsprogramme und -gebiete in Baden-Württemberg Odenwald Schwarzwald Nordschwarzwald Südlicher Nordschwarzwald Südschwarzwald Chemische Merkmale säuresensibler Fließgewässerlandschaften in Baden-Württemberg Begriffe und Definitionen, Chemische Übersicht über die Fließgewässer-Landschaften ph-wert Elektrische Leitfähigkeit Gesamthärte Hydrogenkarbonat (Säurekapazität) Calcit-Sättigungsindex ALMER-Relation '.' Chemischer Versauerungsindex (VI) oder F-Wert Kritische Betrachtung der chemischen Versauerungsparameter Chemische Charakteristik ausgewählter Silikatbäche Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt und -Sättigung ph-wert...: Elektrische Leitfähigkeit Gesamthärte Säurekapazität...: Chlorid, Natrium und Kalium Aluminium, Mangan und Eisen Nitrat und Sulfat Silicium und Phosphat DOC und UV-Extinktion bei 254 nm Beziehungen zwischen einzelnen Parametern Ionenbilanzen Das ph-wert-spektrum einiger Silikat- und Karbonatbäche.' Zeitliche Aspekte der Gewässerversauerung - Säureschübe Säure-Regime-Typen Kontinuierliche ph-wert Registrierung : Trends in der Entwicklung von ph-wert, Pufferkapazität, Sulfat und Aluminium Biologische Indikation des Säuregrades von Fließgewässern , ' Anlaß Untersuchungen benthischer Diatomeen im Schwarzwald (Diatomeen-Programm) Methodik : Aufbereitung und quantitative Analyse der Proben Bestimmung der Diatomeen Auswertung ph-präferenz der Diatomeen Indikation der ökologischen Situation in den untersuchten Gewässern Zusammenfassung der Beurteilung Trends von 1969/70 bis Untersuchungen zur Säureempfindlichkeit benthischer Makroinvertebraten Biologische Charakterisierung der Säureklassen Empfindlichkeit gegenüber Aluminium Bioindikation des Säurestatus mit Hilfe des Makrozoobenthos 328

5 Inhaltsverzeichnis LfU Auswertung und Bewertung der biologischen Befunde Grundprinzip der biologischen Säurezustandsbewertung Beziehungen zwischen biologischer Säureklasse und chemischen Messgrößen Anwendungsbereich des Verfahrens Kartographische Darstellung der Ergebnisse Ergebnisse der ersten biologischen Säurekartierung Aktueller Säurezustand der Bäche in Schwarzwald und Odenwald Odenwald, Schwarzwald Entwicklungstendenzen des Säurezustands seit Mögliche Weiterentwicklung des Verfahrens Längszonale Aspekte zoozönologischer Typisierung Gewässergüte - Belastungsaspekte Beziehungen zwischen chemischen und biologischen Daten Biologische Aspekte Ökologische Fließgewässerbewertung Ziele Grundsätze der EU-Wasserrahmen-Richtlinie Bewertungsgrundsatz, Bewertungsbasis Inhalte der EU-Wasserrahmenrichtlinie Fachliche Anmerkungen zu den Bewertungskriterien Bisherige ökologische Bewertungsansätze Vorschläge für ein integriertes" Verfahren zur ökologischen Bewertung von Fließgewässern in zwei Varianten Verfahren 1: Bewertungsgrundlagen für Bäche bis mittelgroße Flüsse Grundvoraussetzungen für ein ökologisches Bewertungsverfahren :4.3 Typisierung von Fließgewässern Ökologische Leitbilder verschiedener Fließgewässertypen Aufbau des Bewertungsverfahrens Klassifikation Bewertungskriterien Biologische Kriterien Vielfalt (diversity) der Lebensgemeinschaften und Taxa/Arten mit ökologischen Schlüsselfunktionen" ("key species") Sauerstoffhaushalt Schadstoffe Ökomorphologische Kriterien (Aufbau und Qualität der Sedimente gemäß WRR) Vorgehensweise bei der Bewertung Verfahren 2: Bewertungsgrundsätze für größere Flüsse, Ströme und Kanäle Bedeutung der Einzelaspekte, Erfassungsmöglichkeiten Sauerstoffhaushalt Nährstoffbelastung und Eutrophierung Schadstoffe Mineralstoffe Biozönotischer Zustand Gewässerstruktur Klassifizierung der Einzelaspekte Gesamtklassifizierung Durchführung der Untersuchungen Möglichkeiten und Grenzen Konsequenzen für die Fließgewässerüberwachung Weitergehender Untersuchungsbedarf Erforderliche Untersuchungsfrequenz Ergebnispräsentation Ursachen-Karten 401

6 LfU Inhaltsverzeichnis Gewässergüte-Atlas Kosten, abgeschätzt am Beispiel Baden-Württembergs Weiteres Vorgehen zur Entwicklung der skizzierten Verfahren Literaturstudie Systematische Auswahl von naturnahen Referenzgewässern in Deutschland und Entwicklung typenspezifischer Leitbilder Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für künstliche Fließgewässer Anwendung von Expertensystemen i Perspektiven und weitere Entwicklung Begriffsdefinitionen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur Aufstellung von biozönotischen Leitbildern für das Bundesgebiet Bestehende Grundlagen.* Aktuelle Forschungsprojekte zur Bewertung der ökologischen Qualität Leitbildbezogene biozönotische Bewertungsansätze" Ziel der Arbeiten Taxakatalog Biozönotische Leitbilder Entwicklung eines leitbildbezogenen Bewertungsansatzes Test des Verfahrensvorschlages Empfehlung für die Fließgewässerüberwachung Gegenstand der Untersuchungen Erarbeitung biozönotischer Bewertungsinstrumente Entwicklung eines Katalogs von Arten/Taxa mit ökologischen Schlüsselfunktionen" ("key species") r Einholen, Aufbereitung und Auswertung der Daten Literatur Danksagung. : Anhang Anhang Abbildungen Anhang Tabellen 471