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
> LfU Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Seite Zusammenfassung 21 1 Grundlagen der Fließgewässertypologie 23 1.1 Aufgaben, Zielsetzung und Kenntnisstand. 23 1.1.1 Grundtypen 25 1.1.2 Allgemeine regionale Grundtypen 25 1.1.2.1 Allgemeine geochemische Grundtypen 25 1.1.3 Subtypen 27 1.1.3.1 Höhenzonale Subtypen 27 1.2 Interdisziplinäres Typologie-Projekt - Teilnehmer 27 1.3 Fließgewässertypisierung in Baden-Württemberg 29 1.4 Typologische Differenzierungsebenen 31 1.5 ^ Das System der Fließgewässertypen in Baden-Württemberg 37 2 Ausgewählte Fließgewässer-Landschaften in Baden-Württemberg..4O 2.1 Silikat Gebirgs- und Bergland-Gewässer 43 2.1.1 Bergland-Gewässer des Grundgebirges (Schwarzwald) 43 2.1.2 Bergland-Gewässer des Buntsandsteins (Schwarzwald und Odenwald) 44 2.2 Karbonat Bergland-Gewässer 47 2.2.1 Die Bergland-Gewässer des Keupers. 47 2.3 Karbonat Flachlandgewässer 49 2.3.1 Die Flachlandgewässer der jungquartären Schotterflächen und der holozänen Aufschüttungen (Auengewässer) 49 2.3.1.1 Niederterrassenbäche 52 2.3.1..2 Schwemmfächerbäche... 52 2.3.1.3 Flachland-Auebäche 52 2.3.1.4 Rheinauebäche 53 3 Methoden.". 54 3.1 Untersuchungsprogramme 54 3.1.1 Datenverarbeitung '. 55 3.1.2 Stammdaten : 55 3.1.2.1 Flussdatei 55 3.1.2.1.1 Höhenlage der Untersuchungsstellen 56 3.1.2.1.2 Mittleres Talgefälle der Untersuchungsstellen 56 3.1.2.1.3 Geologie : 57 3.1.2.1.3.1 Geologie unmittelbar an einer Untersuchungsstelle 58 3.1.2.1.3.2 Einzugsgebietsgeologie einer Untersuchungsstelle 58 3.1.2.1.4 Talformtypus.". 58 3.1.2.1.5 Gewässerformation (= Gewässerordnung) 59 3.1.3 Chemische Daten : 61 3.1.3.1 Untersuchung und Datenerfassung 61 3.1.3.2 Analytik 61 3.1.3.3 Datenauswertung... 63 3.1.3.3.1 Überprüfung und Plausibilisierung chemischer Daten 63 3.1.3.3.1.1 Ionenbilanzen 63 3.1.3.3.1.2 Vergleich der theoretischen mit der gemessenen Leitfähigkeit 64 3.1.3.4 Auswertung und Darstellung der Ergebnisse 68 3.1.3.4.1 Perzentil-Berechnung 68 3.1.3.4.2 Boxplots 68 3.1.3.4.3 Ähnlichkeitsvergleiche mittels Clusteranalysen 69 3.1.3.4.3.1 Aufbereitung chemischer Daten zur Clusteranalyse 69 3.1.3.4.3.2 Bedeutung der Aufbereitung der Daten für die Clusteranalyse -. 69 3.1.3.4.3.3 Vergleich von Cluster- und Faktorenanalyse 70 3.1.4 Biologische Daten -. 72
Inhaltsverzeichnis LfU 3.1.4.1 Biologische Datenbanken 72 3.1.4.2 Erhebung biologischer Daten 74 3.1.4.2.1 Abundanzermittlung in den semiquantitativen Proben 75 3.1.4.2.2 Nachbestimmung im Labor : 77 3.1.4.2.3 Belegsammlung 77 3.1.4.3 Auswertung der Daten 77 3.1.4.3.1 Zoozönologische Struktogramme 77 3.1.4.3.2 Ähnlichkeits-Analysen von Gewässertypen und deren Zoozönosen 83 3.1.4.3.3 Transformation der Daten 85 3.1.4.3.3.1 Normierung und Logarithmierung : 86 3.1.4.3.3.2 Ähnlichkeitsberechnung 87 3.1.4.3.3.2.1 Nur Vorhandensein der Taxa (binäre Daten) berücksichtigt (Qualitativer Ansatz) 88 3.1.4.3.3.2.2 Transformierte (normierte u. logarithmierte) Häufigkeit der Taxa berücksichtigt 89 3.1.4.3.4 Beispiele für biologische Ähnlichkeitsanalysen 90.4.3.4.1 Vergleich der Probestellen 93.4.3.4.1.1 Binäre Daten 93.4.3.4.1.2 Originaldaten mit unveränderten absoluten Häufigkeiten 93.4.3.4.1.3 Normierte Häufigkeiten. 93.4.3.4.1.4 Logarithmierte und normierte Häufigkeiten 93.4.3.4.1.5 Häufigkeitsklassen 94 4.3.4.2 Vergleich der Taxa : '. 95 3.1.4.3.4.3 Verschiedene Clusterverfahren 95 3.1.4.3.4.4 Wertetabellen der Probestellen 96 3.1.4.3.4.5 Ähnlichkeitsmatrices der Probestellen 97 3.1.4.3.4.6 Wertetabellen der Taxa 99 3.1.4.3.4.7 Ähnlichkeitsmatrices der Taxä 100 3.1.4.3.4.8 Interpretation der Varianten 106 4 Chemische Charakteristik ausgewählter Fließgewässerlandschaften 107 4.1 Vorbemerkung zur Auswahl der Gewässer 107 4.2 Untersuchungsprogramm 108 4.3 Buntsandsteinbäche im Odenwald 109 4.3.1 Geochemische Aspekte 109 4.3.2 Sauerstoff- und Temperaturverhältnisse 119 4.3.3 Nährstoff-Aspekte 119 4.4 Bäche des metamorphen Grundgebirges im Schwarzwald 124 4.4.1 Geochemische Aspekte 124 4.4.1.1 Vergleich der geochemischen Ähnlichkeit 124 4.4.2 Sauerstoffgehalt 125 4.4.3 Nährstoff-Aspekte 125 4.5 Bäche des Keuperberglandes 132 4.5.1 Geochemische Aspekte 132 4.5.2 Belastungs-Aspekte 133 4.5.3 Nährstoff-Aspekte 134 4.6 Bäche der Oberrheinebene 142 4.6.1 Geochemische Aspekte..'. 142 4.6.2 Sauerstoffgehalt und Nährstoff-Aspekte 144 5 Geochemische Gewässertypen in Baden-Württemberg 153 5.1 Geochemische Grundtypen 153 5.1.1 Weitergehende geochemische Typisierung 156 5.1.1.1 Weitere typologische Untergliederung der Karbonat-Bäche 156 5.1.1.2 Geochemische Charakterisierung der elektrolytreichen Karbonat-Bäche 162 5.1.1.3 Weitere typologische Untergliederung der Silikat-Bäche 165 5.1.1.3.1 Einordnung der Buntsandstein- und Gneisbäche in die Gruppe der Silikat-Bäche 169 5.2 Vergleich der Bäche der vier Untersuchungsgebiete des PWAB-Programms 169 6 Biologische Aspekte geochemischer Gewässertypen 180
LfU Inhaltsverzeichnis 7 Gewässerversauerung 191 7.1 Einführung 191 7.2 Ursachen der Gewässerversauerung 192 7.2.1 Atmosphäre und Niederschläge 192 7.2.2 Biosphäre 193 7.2.2.1 Vegetation'. 194 7.2.2.2 Böden '..- 194 7.2.2.2.1 Puffersysteme 195 7.2.3 Lithosphäre -. 197 7.3 Anlaß der Untersuchungen in Baden-Württemberg 200 7.4 Untersuchungsprogramme und -gebiete in Baden-Württemberg 200 7.4.1 Odenwald 202 7.4.2 Schwarzwald 203 7.4.2.1 Nordschwarzwald 203 7.4.2.1.1 Südlicher Nordschwarzwald 210 7.4.2.2 Südschwarzwald 214 7.5 Chemische Merkmale säuresensibler Fließgewässerlandschaften in Baden-Württemberg224 7.5.1 Begriffe und Definitionen, 224 7.5.2 Chemische Übersicht über die Fließgewässer-Landschaften 225 7.5.2.1 ph-wert 225 7.5.2.2 Elektrische Leitfähigkeit 227 7.5.2.3 Gesamthärte 229 7.5.2.4 Hydrogenkarbonat (Säurekapazität) 231 7.5.2.5 Calcit-Sättigungsindex 233 7.5.2.6 ALMER-Relation '.'. 233 7.5.2.7 Chemischer Versauerungsindex (VI) oder F-Wert 234 7.5.3 Kritische Betrachtung der chemischen Versauerungsparameter 238 7.5.4 Chemische Charakteristik ausgewählter Silikatbäche 240 7.5.4.1 Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt und -Sättigung 240 7.5.4.2 ph-wert...: 243 7.5.4.3 Elektrische Leitfähigkeit 243 7.5.4.4 Gesamthärte 243 7.5.4.5 Säurekapazität...: 245 7.5.4.6 Chlorid, Natrium und Kalium 245 7.5.4.7 Aluminium, Mangan und Eisen 247 7.5.4.8 Nitrat und Sulfat 247 7.5.4.9 Silicium und Phosphat 248 7.5.4.10 DOC und UV-Extinktion bei 254 nm 248 7.5.5 Beziehungen zwischen einzelnen Parametern 254 7.5.6 Ionenbilanzen 267 7.5.7 Das ph-wert-spektrum einiger Silikat- und Karbonatbäche.' 273 7.5.8 Zeitliche Aspekte der Gewässerversauerung - Säureschübe 273 7.5.8.1 Säure-Regime-Typen 276 7.5.8.2 Kontinuierliche ph-wert Registrierung : 278 7.5.8.3 Trends in der Entwicklung von ph-wert, Pufferkapazität, Sulfat und Aluminium 300 7.6 Biologische Indikation des Säuregrades von Fließgewässern 305 7.6.1, ' Anlaß 305 7.6.2 Untersuchungen benthischer Diatomeen im Schwarzwald (Diatomeen-Programm) 305 7.6.2.1 Methodik : 311 7.6.2.1.1 Aufbereitung und quantitative Analyse der Proben 311 7.6.2.2 Bestimmung der Diatomeen 311 7.6.2.3 Auswertung 313 7.6.2.3.1 ph-präferenz der Diatomeen 313 7.6.2.4 Indikation der ökologischen Situation in den untersuchten Gewässern 314 7.6.2.4.1 Zusammenfassung der Beurteilung 317 7.6.2.4.2 Trends von 1969/70 bis 1986 318 7.6.3 Untersuchungen zur Säureempfindlichkeit benthischer Makroinvertebraten 321 7.6.4 Biologische Charakterisierung der Säureklassen 324 7.6.5 Empfindlichkeit gegenüber Aluminium 325 7.6.6 Bioindikation des Säurestatus mit Hilfe des Makrozoobenthos 328
Inhaltsverzeichnis LfU 7.6.6.1 Auswertung und Bewertung der biologischen Befunde 335 7.6.6.2 Grundprinzip der biologischen Säurezustandsbewertung 338 7.6.6.3 Beziehungen zwischen biologischer Säureklasse und chemischen Messgrößen 339 7.6.6.4 Anwendungsbereich des Verfahrens 339 7.6.7 Kartographische Darstellung der Ergebnisse 340 7.6.8 Ergebnisse der ersten biologischen Säurekartierung 343 7.6.9 Aktueller Säurezustand der Bäche in Schwarzwald und Odenwald 344 7.6.9.1 Odenwald, 344 7.6.9.2 Schwarzwald 345 7.6.10 Entwicklungstendenzen des Säurezustands seit 1991 346 7.6.11 Mögliche Weiterentwicklung des Verfahrens 347 8 Längszonale Aspekte zoozönologischer Typisierung 348 9 Gewässergüte - Belastungsaspekte 360 9.1 Beziehungen zwischen chemischen und biologischen Daten 360 9.1.1 Biologische Aspekte. 368 10 Ökologische Fließgewässerbewertung 376 10.1 Ziele.-.-. 378 10.2 Grundsätze der EU-Wasserrahmen-Richtlinie 379 10.2.1 Bewertungsgrundsatz, Bewertungsbasis 379 10.2.2 Inhalte der EU-Wasserrahmenrichtlinie 379 10.2.3 Fachliche Anmerkungen zu den Bewertungskriterien 382 10.3 Bisherige ökologische Bewertungsansätze 382 10.4 Vorschläge für ein integriertes" Verfahren zur ökologischen Bewertung von Fließgewässern in zwei Varianten 383 10.4.1 Verfahren 1: Bewertungsgrundlagen für Bäche bis mittelgroße Flüsse 385 10.4.2 Grundvoraussetzungen für ein ökologisches Bewertungsverfahren 385 10:4.3 Typisierung von Fließgewässern 385 10.4.4 Ökologische Leitbilder verschiedener Fließgewässertypen 386 10.4.5 Aufbau des Bewertungsverfahrens 387 10.4.6 Klassifikation... 387 10.4.7 Bewertungskriterien 388 10.4.8 Biologische Kriterien 388 10.4.8.1 Vielfalt (diversity) der Lebensgemeinschaften und Taxa/Arten mit ökologischen Schlüsselfunktionen" ("key species") 389 10.4.8.2 Sauerstoffhaushalt 395 10.4.8.3 Schadstoffe 395 10.4.9 Ökomorphologische Kriterien (Aufbau und Qualität der Sedimente gemäß WRR) 395 10.4.10 Vorgehensweise bei der Bewertung 396 10.4.11 Verfahren 2: Bewertungsgrundsätze für größere Flüsse, Ströme und Kanäle 396 10.4.12 Bedeutung der Einzelaspekte, Erfassungsmöglichkeiten 397 10.4.12.1 Sauerstoffhaushalt 397 10.4.12.2 Nährstoffbelastung und Eutrophierung 397 10.4.12.3 Schadstoffe. 397 10.4.12.4 Mineralstoffe 398 10.4.12.5 Biozönotischer Zustand 398 10.4.12.6 Gewässerstruktur.. 398 10.4.13 Klassifizierung der Einzelaspekte 399 10.4.14 Gesamtklassifizierung 399 10.5 Durchführung der Untersuchungen 399 10.6 Möglichkeiten und Grenzen 399 10.7 Konsequenzen für die Fließgewässerüberwachung 400 10.8 Weitergehender Untersuchungsbedarf 400 10.9 Erforderliche Untersuchungsfrequenz 400 10.10 Ergebnispräsentation 401 10.10.1 Ursachen-Karten 401
LfU Inhaltsverzeichnis 10.10.2 Gewässergüte-Atlas 401 10.10.3 Kosten, abgeschätzt am Beispiel Baden-Württembergs 402 10.11 Weiteres Vorgehen zur Entwicklung der skizzierten Verfahren 402 10.11.1 Literaturstudie 402 10.11.2 Systematische Auswahl von naturnahen Referenzgewässern in Deutschland und Entwicklung typenspezifischer Leitbilder 402 10.11.3 Entwicklung eines Bewertungsverfahrens für künstliche Fließgewässer 406 10.11.4 Anwendung von Expertensystemen i 406 11 Perspektiven und weitere Entwicklung 407 11.1 Begriffsdefinitionen 407 11.2 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur Aufstellung von biozönotischen Leitbildern für das Bundesgebiet 408 11.2.1 Bestehende Grundlagen.*. 408 11.2.2 Aktuelle Forschungsprojekte zur Bewertung der ökologischen Qualität 410 11.2.3 Leitbildbezogene biozönotische Bewertungsansätze" 413 11.2.3.1 Ziel der Arbeiten 1 414 11.2.3.1.1 Taxakatalog 414 11.2.3.1.2 Biozönotische Leitbilder 414 11.2.3.1.3 Entwicklung eines leitbildbezogenen Bewertungsansatzes 415 11.2.3.1.4 Test des Verfahrensvorschlages 415 11.2.3.1.5 Empfehlung für die Fließgewässerüberwachung 415 11.2.3.2 Gegenstand der Untersuchungen 416 11.2.3.2.1 Erarbeitung biozönotischer Bewertungsinstrumente 416 11.2.3.2.2 Entwicklung eines Katalogs von Arten/Taxa mit ökologischen Schlüsselfunktionen" ("key species") r. 416 11.2.3.2.3 Einholen, Aufbereitung und Auswertung der Daten 417 12 Literatur 419 13 - Danksagung. :. 447 14 Anhang 448 14.1 Anhang Abbildungen 448 14.2 Anhang Tabellen 471