Physikalische, chemische und hydrographische Untersuchungen eines Mittelgebirgsbaches: Ein Beitrag zur Typisierung kleiner Fließgewässer

Aquatic Sciences 52/3, 1990 1015-1621/90/030236-20 $1.50 + 0.20/0 © 1990 Birkh/iuser Verlag, Basel

Physikalische, chemische und hydrographische Untersuchungen eines Mittelgebirgsbaches: Ein Beitrag zur Typisierung kleiner FlieBgew isser

E. Meyer, J. Schwoerbel und G. C. Tillmanns

Limnologisches Institut, Universitfit Konstanz, Postfach 5560, D-7750 Konstanz, FRG

Key words: Temperature; discharge; nutrients; upland stream.

ABSTRACT

Temperature, discharge, and chemical parameters were studied in the upper reach of a Black Forest stream over a three-year period. Additionally, investigations of the upstream tributaries and of downstream sites were conducted at some occasions. While monthly and annual means of water temperature exhibited only little year-to-year variations, average annual discharge differed considerably. Total suspended organic matter was correlated to total supended solids and discharge, orthophosphate and ammonium to temperature. Phosphorus was the only nutrient with a strong seasonal dynamic. Cumulative surface runoff of the upstream tributaries was inversely correlated to total discharge at the gauging station. Concentrations of Ca z + and Mg 2 + and accordingly specific conductivity increase in the longitudinal course of the stream, due to tributaries originating in the adjacent shell limestone and red marl formations.

Im Oberlauf eines Fliel3gew/issers im Schwarzwald wurden Temperatur , AbfluB und N/ihrstoffkonzentrat ionen fiber 3 Jahre untersucht. Tagestemperaturampli tuden und Monatsmit te l temperaturen wiesen jedes Jahr einen prinzipiell ghnlichen saisonalen Verlauf auf und unterschieden sich in ihren Absolutwerten nicht wesentlich. Wegen des milderen Winters und des etwas wfirmeren Sommers 1988 war die Jahres temperatursumme im Jahre 1988 etwas h6her als in den beiden vorangegange- nen Jahren. Luft- und Wassertemperatur waren signifikant miteinander korreliert. Der mittlere jfihrliche AbfluB zeigte sehr groBe Unterschiede. RegelmfiBig traten dagegen die Niedrigwasserperioden im Sommer und Friihherbst auf und die Hochwasserspitzen zum Jahresbeginn und im Frfihjahr. Der Gehalt organischer Schwebstoffe war mit dem totalen Schwebstoffgehalt und dem Abflul3 korreliert, Or thophosphat und A m m o n i u m mit der Temperatur , die spezifische Leitf/ihigkeit in den FlieBgew/issern des Einzugsgebietes mit der Calcium- und Magnesiumkonzen- tration. Als einziger Nfihrstoff wies Phosphat eine deutliche Saisonalit/it auf. Der

i Mit finanzieller Unterstiitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Az. Schw. 63/27-1, 2, 3.

Abiotische Faktoren in einem Mittelgebirgsbach 237

kumulative OberflfichenabfluB der Zuflfisse im Einzugsgebiet war invers korreliert mit dem GesamtabfluB am Pegel. Im L/ingsverlauf des Baches ffihren die Zuflfisse, die im Muschelkalk entspringen, zu einem allm/ihlichen Anstieg der Calcium- und Magnesiumkonzentrationen und der spezifischen Leitffihigkeit.

Einleitung

Die physikalischen, chemischen und hydrographischen Faktoren eines Fliel3gew/is- sets bilden Rahmenbedingungen, innerhalb derer alle biologischen Prozesse ablau- fen. So ist die Temperatur ein wesentlicher Faktor ffir Wachstum und Entwicklung der benthischen Lebensgemeinschaften und den Stoffumsatz im System. FlieBge- schwindigkeit und AbfluB wirken nicht nur direkt auf die Organismen, sondern fiber die Gestaltung der Sohlenstruktur (z. B. Rabeni und Minshall, 1977; Newbury, 1984) auch aufderen kleinr/iumige Verteilung (Rabeni und Minshall, 1977; Minshall, 1984; Mutz, 1989). Die absoluten N/ihrstoffkonzentrationen in anthropogen unbeeinfluB- ten FlieBgew/issern sind einerseits dutch die geologischen und edaphischen Gegeben- heiten des Einzugsgebietes bedingt, aber auch dutch die mit den Zuflfissen eingebrachten Nfihrstofffrachten. Kurzzeitiger Ver/inderungen in der N/ihrstoffkon- zentration werden insbesondere durch Niederschlfige verursacht (Jakob und Tschu- mi, 1988; McDiffet et al. 1989). Trotz Kenntnis dieser Zusammenhfinge gibt es wenig Detailinformation fiber die physikalisch-chemische und hydrographische Situation in kleinen Mittelgebirgsbfichen, speziell im Hinblick auf 1/ingerfristige Beobach- tungszeitrfiume. Entsprechende Untersuchungen aus dem mitteleurop/iischen Raum sind bislang sp/irlich (z. B. Hofius, 1971; Rupprecht et al., 1988) oder berficksichtigen nur Kurzzeitaspekte bzw. liefern summarische Angaben (Braukmann, 1987; Jakob und Tschumi, 1988; Zwick, 1989).

Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, die abiotischen Parameter in einem Mittelgebirgsbach fiber einen lfingeren Zeitraum in ihrer Dynamik zu verfolgen und Basisinformationen ffir eine Typisierung kleiner Fliel3gew/isser zu liefern. Damit ergeben sich Vergleichsdaten ffir andere, unbelastete, aber auch ffir evtl. anthropogen beeinfluBte Bfiche desselben Typs. Das Untersuchungsgewfisser Steina im Siidschwarzwald ist Gegenstand einer umfassenden Studie, in der Poolgr613en, Produktionsprozesse und Stoffflfisse innerhalb und zwischen trophi- schen Ebenen aller Kompartimente untersueht werden (Schwoerbel, 1989).

Lage des Untersuchungsgew~issers

Die Untersuchungen wurden an der Steina durchgeffihrt, einem im Sfidschwarzwald gelegenen Mittelgebirgsbach 3. Ordnung (nach Leopold et al. 1964) (Abb. 1). Die Steina entspringt in 1060m fi.NN, flieBt zunfichst ca. 10km in sfid6stlicher Richtung, biegt sodann nach Sfiden ab und mfindet nach insgesamt 32,5 Fliel3- kilometern bei einer Meeresh6he von 330 m fi.NN in die Wutach (Abb 2a). Das Gesamtgef/ille betrfigt 2,25 %, weist allerdings erhebliche Unterschiede im L/ingsverlauf auf (Abb. 2 b). Das Einzugsgebiet der Steina umfaBt 96,3 km 2 (Metz, 1980), das

238 Meyer, Schwoerbel und Tillmanns

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Abbildung 1. Lage der Steina im Oew/issersystem des Sfidschwarzwaldes. Die Hauptuntersu- chungsstrecke ist mit einem Stern gekennzeichnet

Figure 1. Location of the Steina in the stream systems of southern Black Forest. The main study reach is indicated by a star

Einzugsgebiet des offiziellen Pegels ,,Illm/ihle" (GS 1, Abb. 2 a) 49,3 km 2 (Landesan- stalt ffir Umweltschutz 1979). Die Steina verl/iuft im Kristallin des Urgesteins, w/ihrend sich ostw/irts die Muschelkalk-, Keuper- und Jurah6hen des Klettgaus anschlieBen. Ca. 4,5 km vor der Mfindung erweitert sich das ab da schottererftillte Steinatal (Metz, 1980).

Methodik

Hauptuntersuchungsabschnitt war eine ca. 10 km vom Quellgebiet entfernte 400 m lange Strecke. Dort wurde bei 717 m ti. NN eine Pegelmegstation errichtet (GS2, Abb. 2 a), an der der AbfluB des 19,42 km 2 grogen Einzugsgebietes gemessen wurde. Die Schreibpegelregistrierungen wurden f/ir jeden Tag ausplanimetriert. Der mittlere tigliche Abflug wurde nach der Gleichung

Q (l/s) = Pegelstand 5'2°9 : 4,38 • 10 -6 (1)

berechnet. Diese AbfluBkurve basiert auf Pegelstfinden von 23 bis 44 cm, entspre- chend mittleren t/iglichen Abfliissen yon 54 und 1600 1/s. Zur Sch/itzung der


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Ailbildlmg 2. Charakteristiken im L/ingsverlauf des Baches. a) L/ingsverlauf mit Markierung der offiziellen Pegelstelle GS ] und dem Pegel GS2. Das

Einzugsgebiet des Pegels GS2 ist durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet; b) L/ingsverlauf und Gef/illeintervalle der Steina tiber die Gesamtl/inge von 32,5 km. GS 2 = Lage

des Pegels GS2; c) Zunahme physikalischer und chemischer Parameter im Lfingsverlauf der Steina

Figure 2. Characteristics of the longitudinal course of the stream channel. a) map of the stream with location of the official gauging station GS 1 and the gauging station GS2.

The drainage area of the gauging station GS2 is surrounded by a dashed line; b) longitudinal profile and slope intervals of the Steina over its total length of 32.5 kin.

GS2 = provisional gauging station; c) increase of physico-chemical parameters along the longitudinal course of the Steina

Abflul3mengen bei niedrigeren und h6heren Pegelst/inden wurde die Gleichung extrapoliert. Dies was an 20 bzw. an 65 yon 1096 Tagen (1,8 bzw. 5,9 %) notwendig, ohne Berficksichtigung der Zeitr/iume, an denen der Pegel eingefroren war. Insgesamt ergaben sich Pegelablesungen an 956 von 1096 Tagen (--87,2%). Minimale und maximale Pegelstfinde waren 21 und 90 cm.

Die Wassertemperatur wurde von einem batteriebetriebenen Temperaturregi- strierger/it kontinuierlich aufgezeichnet. Die Tagesmitteltemperatur wurde dutch


Planimetrieren, die tfiglichen Minima und Maxima durch direktes Ablesen der Schreiberaufzeichnungen festgestellt. Minima und Maxima der Lufttemperatur wurde an Minimum- und Maximumthermometern abgelesen, die augen am Pegel- haus angebracht waren. Die Kontrollen erfolgten in unregelm/iBigen Zeitabst/inden, betrugen jedoch 6,6 Tage im Mittel (Minimum i Tag, Maximum 32 Tage). Die durchschnittliche Lufttemperatur eines bestimmten Zeitintervalls wurde nach (Minimum + Maximum)/2 berechnet.

Schwebstoffgehalt, chemische Parameter sowie pH und Leitf/ihigkeit wurden i. d. R. in 2- bis 4w6chigen Intervallen bestimmt. Zur Ermittlung des Schwebstoffge- haltes wurden im Labor 5-20 1 Bachwasser durch vorbehandelte Glasfaserfilter filtriert und diese bei 104 °C in 24 Std. getrocknet, im Exsikkator abgekfihlt und zurfickgewogen. Das aschfreie Trockengewicht ergab sich nach Veraschung der Filter fiber 2 Stunden bei 560°C, Abkfihlung und neuerlichem Wfigen. Die spezifische Leitf/ihigkeit und der pH-Wert wurden direkt am Bach gemessen, die chemischen Parameter NO3-N, NO2-N, NHg-N, POg-P, Gesamt-P, Silikat, gel6ster Sauerstoff, BSB5 und CSB im Labor bestimmt. Erg/inzende Calcium- und Magne- siumbestimmungen wurden nur in grogen Zeitabst/inden durchgeffihrt. Die genaue Ausffihrung der Laboranalysen erfolgte nach den Deutschen Einheitsverfahren (1973ff).

Die Zuflfisse im Einzugsgebiet des Pegels GS2 wurden w/ihrend dreier unter- schiedlicher Abflugsituationen (56, 939, 271 l/s) hinsichtlich Chemismus und Abflug untersucht. Die spezifische Leitffihigkeit, pH, Calcium und Magnesium wurden dabei direkt an den B/ichen gemessen und die jeweiligen Abflugmengen nach der Gef/igmethode bestimmt oder durch Vergleich gesch/itzt. Am 22./23.8.1988 wurden die spezifische Leitf/ihigkeit, Calcium und Magnesium an 13 Stellen im gesamten L/ingsverlauf der Steina bestimmt.

Ergebnisse

Wassertemperatur

Im Jahresverlauf k6nnen 4 charakteristische Temperaturperioden unterschieden werden (Abb. 3). In den Wintermonaten von Dezember bis Mfirz treten konstant niedrige Temperaturen auf. Die zweite Periode yon M/irz bis Mai ist durch einen steilen Temperaturanstieg gekennzeichnet, gefolgt von einem hohen und wiederum relativ konstanten Temperaturniveau zwischen Mitte Juni und Ende August, mit Maximalwerten im August von 18,3 (1986), 18.0 (1987) und 19,4°C (1988). Von September bis November schliegt sich eine Periode abnehmender Wassertemperatur an. Dieser typische saisonale Temperaturverlauf drfickt sich auch in den monatlichen Temperaturmitteln, -minima und -maxima aus (Tab. 1).

Tagesmitteltemperaturen > 15 °C traten in der Steina nur in 3-5 % der Registrie- rungen auf, niedrigere Temperaturintervalle - zusammengefal3t in 5 °C-Schritten - dagegen in 20-45% (Tab. 2). Nimmt man ffir die Zeitr/iume, in denen das Temperaturregistrierger/it eingefroren war Tagesmittel von < 5 °C an, so zeigt sich, dab ca. 50% des Jahres die Tagesmitteltemperatur in diesem Bereich liegt.


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Abbildung 3. Verlauf der Wassertemperatur an GS2 w/ihrend einer dreifiihrigen Untersuchungs- periode, Liicken in der Registrierung sind auf Einfrieren oder Fehlfunktionen des TemperaturmeBger/ites zurfickzuffihren

Figure 3. Pattern of stream temperature at the gauging station GS2 during a 3-year study period. Gaps are due to a frozen in thermograph or mechanical failures

Tagesmittettemperaturen von 5-10 und 10-15°C treten dann in 16-25% der Registrierungen auf (Tab. 2).

Die diurnalen Temperaturamplituden waren im Frfihjahr und Sommer am h6chsten (Abb. 3, Tab. 3). Sie betrugen im Winter maximal 2 °C und waren am h6chsten in der Zeit zwischen April und Juni/Juli, in der auch die absolute Wassertemperatur den steilsten Anstieg aufwies. Parallel zum herbstlichen Tempera- turabfall verringerte sich auch wieder die Tagesamplitude. Ober das ganze Jahr gesehen, liegt die durchschnittliche Temperaturamplitude der Steina meistens im Schwankungsbereich yon 022 °C (Tab. 4).

Ein ffir biologische Prozesse wichtiger Parameter ist die W/irmesumme eines Gew/issers fiber einen bestimmten Zeitraum. Bezogen auf die einzelnen Monate wies der August mit ca. 400 (1986, 1987) bzw. ann/ihernd 500 (1988) Tagesgraden regelm/il3ig die hSchste Wfirmesumme auf (Abb. 4 a). Die niedrigsten Werte ergaben sich erwartungsgemgB in den Wintermonaten, und zwar im Februar 1986 und 1988 mit weniger als 20 Tagesgraden. Die j/ihrliche, kumulative W/irmesumme betrug


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Tabelle 2. Prozentuale Hfiufigkeiten yon Intervallen der Tagesdurchschnittstemperatur in der Steina. Werte vor den Klammern beziehen sich auf die tatsfichlichen Temperaturaufzeichnungen. Werte in Klammern ergaben sich, nachdem die Anzahl der fehlenden Aufzeichnungen (1986: 79, 1987: 145, 1988: 63) beim niedrigsten Temperaturintervall berficksichtigt wurden

Table 2. Frequencies (in percent) ofintervals of mean daily temperature in the Steina. Values outside parenthesis refer to the actual temperature recordings. Values in parenthesis were obtained, after all missing values (1986: 79, 1987: 145, 1988: 63) had been added to the lowest temperature interval

Temperature 1986 1987 1988 1986-1988 interval (°C)

0 - 4.9 35.0 (49.0) 24.1 (54.2) 45.2 (54.6) 35.8 5- 9.9 27.3 (21.4) 33.2 (20.0) 19.5 (16.1) 26.0

10-14.9 33.6 (26.3) 39.5 (23.8) 30.0 (24.9) 33.9 15-19.9 4.2 (3.2) 3.2 (1.9) 5.3 (4.3) 4.3

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Hfiufigkeit (b) der monatlichen W/irmesummen (= Monatsdurchschnittstemperatur • Anzahl Tage) in der Steina fiber drei Jahre

Figure 4. Frequency distributions (a) and cumulative frequencies (b) of monthly temperature sums (= average monthly temperature - no. of days) for three study years in the Steina

1986 und 1987 um 2400 Tagesgrade, w/ihrend 1988 mit 2800 Tagesgraden eine deutlich h6here W ~ m e s u m m e erzielt wurde (Abb. 4 b).

Mittlere Luft- und Wasse r tempera tu r sind miteinander korreliert (Abb. 5), wobei 77% der Var ia t ion der Wasser tempera tu r du tch ein lineares Regressionsmodell beschrieben werden k6nnen (Gleichg. 2):

Tw = 0,5083 ( _ 0,0240). TL + 3.2873 ( _ 0,3068)

r 2 = 0,770, p < 0,001, n = 136

T w = mittlere Wasser tempera tu r ~ eines beliebigen TL mittlere Luf t t empera tu r J" Zeitintervalls

(2)

244 Meyer, Schw0erbel und Tillmanns

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Tabelle 4. Prozentuale H/iufigkeiten von Intervallen der Tagestemperaturamplituden in der Steina. Anzahl fehlender Aufzeichnungen wie in Tabelle 2

Table 4. Frequencies (in percent) of intervals of daily temperature amplitudes in the Steina. Number of missing data points as in Table 2

Temperature 1986 1987 1988 1986-1988 interval (°C)

0-1.9 59.6 65.5 67.0 64.0 2-3.9 34.4 24.1 27.1 28.8 4-5.9 5.7 9.5 5.9 6.8 6-7.9 0.4 0.9 - 0.4

Bezieht m a n die Globa ls t rah lung der jeweiligen Zeitintervalle in das Model l mit ein, so verbessert sich die Vorhersage nur unwesentl ich (r 2 = 0,776, p < 0,001). Die Globa ls t rah lung alleine erklfirt nur 30% der Var ia t ion der Wasser tempera tur (p < 0,001).

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mean air temperature °C

Abbildung 5. Beziehung zwischen durchschnittlicher Luft- und Wassertemperatur mit der Re- gressionsgeraden, ermittelt aus unterschiedlich langen Zeitintervallen. Beriicksichter Zeitraum: 1. Mai 1986-31. Dezember 1988

Figure 5. Plot of mean air temperature vs. mean water temperature and regressionline for arbitrary time intervals. Measurements between 1 May 1986 and 31 December 1988

A bJ7uflver hdl tnisse

Niedrigwasserabflul3 von etwa Mitte Juni bis Mitte O k t o b e r / N o v e m b e r (Abb. 6) fiel zeitlich jeweils mit Per ioden der h6chsten gemessenen Wasser tempera turen zusam- men. Die Abflul3werte verr ingerten sich dabei au f < 1 0 0 1/s und betrugen im M i n i m u m 3 1 - 4 8 1/s in den drei Unte rsuchungs jahren (Tab. 5). Fri ihjahrshochw/isser t raten regelm/il3ig au f und ffihrten besonders 1986 und 1988 zu Spitzenabfliissen. 1987 dagegen wurden bei Hochwasserereignissen k a u m 40001/s fiberschritten (Abb. 6).


Tabelle 5. AbfluBcharakteristik der Steina am Pegel GS2, 717 m ii. NN. Die Werte (l/s) entstammen einer Abflu6kurve, nach der die mittleren Wasserst/inde auf den mittleren tfiglichen Abflu6 umgerechnet wurden. Tage an denen der Pegel eingefroren war, wurden vom Datensatz ausgeschlossen

Table 5. Characteristics of the stream discharge of the Steina, recorded at the gauging station GS2, 717 m a.s.1. The values (l/s) are derived from a stage-discharge curve with conversion of the mean water levels to mean daily discharge. The number of days at which the gauging station had been frozen in, was excluded from the data set

Year Mean Minimum Maximum Number of daily recordings

1986 762 37 16680 352 1987 381 48 4035 301 1988 1125 31 19980 303

1986-1988 757 31 19980 956

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1987 1988 Abbildung 6. Abflul3ganglinie der Steina an der Pegelstation GS2, 717 m ft. NN

Figure 6. Hydrograph of the Steina. Recordings are from the gauging station GS2, 717 m a.s.1.

Seston und Ndhrstoffe

M i n i m a l e r und m a x i m a l e r Ses tongeha l t wa r 0,4 bzw. 117 m g T r o c k e n m a s s e (TM)/1 (3 .3 .1986 bzw. 21.3 .1988) (Abb. 7). De r organische Ante i l var i ie r te zwischen 19,4 und 95 ,1% und lag im Mi t t e l bei 45 %. Die en t sp rechenden A b s o l u t w e r t e w a r e n 0 , 2 - 5,7 m g TM/1 (3.3. 1986 bzw. 5.5. 1987).

Die S i l i ka tkonzen t r a t i on zeigte besonder s 1986 regelm/il3ige Schwankungen , im Gegensa t z zur S i tua t ion 1986 und 1987. Ende 1985 war inne rha lb eines M o n a t s ein


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Abbildung 7. Zeitlicher Verlauf der Schwebstoff- und Nfihrstoffdynamik in der Steina an der Hauptuntersuchungsstrecke. TSM=totaler Schwebstoffgehalt, TSOM=totaler organischer Schwebstoffgehalt

Figure 7. Temporal pattern of seston and nutrients dynamics in the Steina at the main study reach. TSM = total suspended matter, TSOM = total suspended organic matter

aufffilliger Einbruch von 6,3 auf 2,7 mg/1 zu verzeichnen (Abb. 7). Die Schwankungs- breite dieses Nfihrstoffs betrug insgesamt 2,3-6,3 rag/l, durchschnittlich wurden 4,7 rag/1 gemessen.

Die Nitratkonzentration unterlag 1988 nur geringen Schwankungen. 1986 und 1987 kam es jeweils im April/Mai zu einer drastischen Nitratabnahme (Abb. 7).

Gesamtphosphat und insbesondere Orthophosphat wiesen einen deutlichen saisonalen Zyklus auf. Die h6chsten Konzentrationen wurden jeweils im Sommer gemessen, die niedrigsten im Winter bis zum Friihjahr (Abb. 7).

Schwankungsbreiten weiterer abiotischer Parameter sind in Tabelle 6 aufgelistet. Insgesamt kennzeichnet die N/ihrstoffsituation die Steina als ein natiirliches, anthropogen unbeeinfluBtes Silikatgew/isser. Einige Parameter sind signifikant miteinander korreliert, dies ist insbesondere ffir die Wassertemperatur und Ammo- nium bzw. Orthophosphat, fiir die spezifische Leitffihigkeit und das Silikat sowie f/ir Orthophosphat und Ammonium der Fall.

Eine Regressionsanalyse zwischen den Schwebstofffraktionen ergab die folgende, hochsignifikante Beziehung (Gleichg. 3):

TSOM = 0,3526 (+0,0261). TSM + 0,1819 (_+0,1016) r 2 = 0,771, p < 0,001, n = 56

TSOM = totale suspendierte organische Substanz (mg/1) TSM = Gesamtschwebstoffgehalt (mg/1)

(3)


Tabelle 6. Schwankungsbreiten physikalischer und chemischer Faktoren in der Steina am Pegel GS2, gemessen zwischen 26.6.1985 und 19.12.1988. BOD = biologischer Sauerstoffbedarf (BSBs), COD = chemischer Sauerstoffbedarf

Table 6. Ranges of physicochemical parameters of the Steina, measured between 26 June 1985 and 19 December 1988 at the gauging station GS 2. BOD = biological oxygen demand, COD = chemical oxygen demand

Parameter Range (minimum maximum)

pH 6.8- 7.1 Oz (%) 96 -101 BOD (mg/1) 0A- 0.6 Specific conductivity 20 °C (gS/cm) 47 116 NH4-N (gg/1) <10 -155 NOz-N (gg/1) 1 - 15 COD (rag/l) total 2.8- 63.0 Ca z+ (mg/1) 8.0- 14.0 Mg 2+ (mg/1) 0.9- 1.4

Wenn der AbfluB (Q, in l/s) als weiterer Parameter in die Regressionsanalyse mit aufgenommen wird, verbessert sich das Modell nicht wesentlich (Gleichg. 4):

TSOM = 0,3612 (___0,0319). TSM - 0,0002 (+0,0001). Q + 0,2316 (___0,1475) r 2 = 0,776, p < 0,001, n = 40 (4)

Mit zunehmender Bachl/inge kommt es durch die linksseitigen, sp/iter auch rechten im Muschelkalk, Keuper und Jura entspringenden Nebenfltisse zu einem allm/ihlichen Wandel der chemischen Situation in der Steina. So steigt z. B. die Calciumkon- zentration yon durchschnittlich 3,2 mg/1 im Quellgebiet auf 76,0 rag/1 im M/indungs- bereich. Die entsprechenden Magnesiumkonzentrationen betragen 0,1 bzw. 17,0 mg/1. Die spezifische Leitf/ihigkeit steigt von 40 ~tS/cm bis auf 500 gS/cm kurz vor der Einmiindung in die Wutach (Abb. 2c). Bei diesen Absolutangaben sind saisonale Aspekte nicht berficksichtigt, da alle Messungen im August 1988 erfolgten.

Limnologie des oberen Einzugsgebietes

Abbildung 8 a zeigt das Einzugsgebiet des Behelfspegels GS 2 mit allen Zuflfissen. Die h6chste Wasserf/ihrung wiesen ZufluB Nr. 5 und insbesondere Nr. 6 auf. Die Wasserfiihrung von ZufluB Nr. 6 wurde allerdings bei Hochwasserereignissen (8.- 10. April 1987:939 1/s an GS2) auch yon einigen anderen Zuflfissen erreicht oder sogar fibertroffen (Abb. 8 b). Der kumulative AbfluB aller 27 Nebenbfiche erreichte im Oktober 1986 38 l/s, im April 1987 236 1/s und im August desselben Jahres 77 1/s. Dies sind 67,9, 25,2 und 28,4% des jeweils an GS2 gemessenen Abflusses. Das bedeutet, dab der prozentuale Anteil der Zufliisse im Einzugsgebiet mit steigendem Oberfl/ichenabfluB in der Steina selbst relativ abnimmt (Abb. 9).


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1 P 2 7 1 • 2 7 1 • 27 tri butory number

Abbildung 8. Einzugsgebiet des Pegels GS 2. a) Lage der Zufliisse; b) Physikalische und chemische Charakterisierung der Zuflfisse bei drei verschiedenen

AbfluBsituationen an GS2: 10.-11.10. 1986:56 I/s, 8.-10.4.1987:939 I/s, 31.7.-2.8.1987:271 1/s

Figure 8. Catchment of the gauging station GS2. a) location of the tributaries; b) physicochemical characterization of the tributaries at three different sampling periods with

different discharge at the gauging station GS2:10-11 October 1986:56 l/s, 8-10 April 1987: 939 l/s, 31 Ju ly-2 August 1987:271 1/s


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Abbildung 9. Kumulativer AbfluB der 27 Zufltisse des Einzugsgebietes, berechnet als prozentualer Anteil des Gesamtabflusses an GS2. Kreise: 10.-11.10.1986, AbfluB an GS2 56 l/s; Sterne: 31.7.- 2.8.1987, AbfluB an GS2 271 l/s; schwarz gepunktet: 8.-10.4. 1987, AbfluB an GS2 9391/s

Figure 9. Cumulative discharge of the 27 upstream tributaries in percent of the discharge at the gauging station GS2. Circles: 10-11 October 1986, discharge at GS2 56 l/s; stars: 31 Ju ly-2 August 1987, discharge at GS2 271 l/s; dots: 8-10 April 1987, discharge at GS2 939 1/s

Die hohen Werte von Leitf/ihigkeit, Ca- und Mg-Gehalt weisen darauf hin, dab die Zuflfisse Nr. 23 und Nr. 27 aus dem angrenzenden Muschelkalk entspringen. GemfiB Gleichungen Nr. 5 -7 ist die spezifische Leitffihigkeit im Einzugsgebiet hochsignifikant mit der Konzentration dieser beiden Kationen korreliert.

Spezifische Leitf/ihigkeit [gS/cm] = 29,4769 (+2,2760). Mg 2+ + 30,7920 (__ 5,0112)

r 2 = 0,691, p < 0,001, n = 77

(5)

Spezifische Leitf/ihigkeit [gS/cm] = 6,1763 (___0,1961) • C a 2+ + 23,9866 (+_2,3654)

r z = 0,929, p < 0,001, n = 78

(6)

Spezifische Leitf/ihigkeit [pS/cm] = 5,8183 (+ 1,7130). Mg 2+ -t- 5,3295 (+0,3094). Ca 2+ -t- 22,2542 (_+2,3078)

r 2 = 0,938, p < 0,001, n = 77 (7)

Diskussion

Die Temperatur der Steina lfiBt sich in 4 saisonale Abschnitte unterteilen, wie es sich auch ffir andere FlieBgewfisser bestfitigt hat (Macan, 1958; Crisp und LeCren, 1970; Thibault, 1971; Dol6dec, 1987). Allerdings treten in der Steina die h6chsten Tagesamplituden im Frtihjahr und Friihsommer w~ihrend des schnellen Tempera- mranstiegs auf (vgl. auch Webb und Walling, 1986) und nicht, wie fiir manche englischen B/iche und einen Pyren/ienbach beschrieben (Macan, 1958; Edington,


1965; Thibault, 1971) im Sommer. Mit einem Jahresdurchschnitt von 1,7 °C und maximal 7,4 °C sind die Temperaturamplituden der Steina vergleichbar mit einigen in der Literatur beschriebenen B/ichen (Macan, 1958; Thibault, 1971; Webb und Walling, 1986) und damit merklich geringer als die entsprechenden Werte dreier englischer B/iche (7°C und 12°C), die yon Crisp und LeCren (1970) untersucht wurden. Dasselbe trifft auch ffir die Jahresdurchschnittstemperatur zu.

Die Unterschiede im Temperaturregime der 3 Untersuchungsjahre waren im sehr kalten Winter 1986/87 am ausgepr~igtesten. Das Klima ist einer der wesentlichsten Faktoren, die die Temperatur in Fliel3gew/issern beeinflussen (Hofius, 1971; Ward, 1985). Dies zeigt sich auch in der deutlichen Korrelation zwischen mittlerer Luft- und Wassertemperatur, die sich aus vielen Untersuchungen (z. B. Macan, 1958; Thibault, 1971; Walker und Lawson, 1977; Crisp und Howson, 1982; Hawkins, 1986; Dol6dec, 1987; Jeppesen und Iversen, 1987) und jetzt auch ffir die Steina belegen 1/igt. Bei den o.g. Autoren erkl~rt das lineare Regressionsmodell 86-96% der Variation der mittleren Wassertemperatur, w/ihrend es in der Steina nut 77 % sind. Dies mag an den hier unregelm/iBigen Zeitintervallen der Lufttemperaturablesungen liegen. Nach Crisp und Howson (1982) lfiBt sich die mittlere Wassertemperatur sogar aus der mittleren Lufttemperatur einer bis zu 50 km entfernten Stelle vorhersagen. Walker und Lawson (1977) stellen eine empirische Formel vor, nach der die Jahresmittel- temperatur eines FlieBgewfissers aus der Meeresh6he errechnet werden kann. Die Wassertemperatur wird auBer dutch klimatische auch noch durch andere Fak- toren bestimmt, etwa durch den Anteil der einzelnen Komponenten des Oberfl/ichenabflusses, z. B. Grund- oder Regenwasser (Smith und Lavis, 1975). Bei Niedrigwasser besteht die Hauptkomponente aus frfiher gespeichertem, ab- fliegenden Grundwasser (KSrner et al., 1986), das eine Temperaturerniedrigung bewirken kann (Smith und Lavis, 1975). Mit dem Datenmaterial vonder Steina waren keine vergleichbaren Analysen zwischen Abflug und Temperatur mSglich, da wir keine Ganglinienseparation des Gesamtabflusses vorgenommen haben. Der Abflug beeinflui3t auch die Temperaturamplitude: Jeppesen und Iversen (1987) fanden einen Anstieg der Tagestemperaturamplituden bei reduziertem AbfluB.

Die in der Steina gemessenen j/ihrlichen W/irmesummen sind yon /ihnlicher Gr6Benordnung wie in einigen kleinen englischen B/ichen (Crisp und LeCren, 1970; Smith und Lavis, 1975), die allerdings auf geringerer MeereshShe liegen (70-585 bzw. 470-610 m fi.NN). In einem Pyren/ienbach (175 m fi.NN) wurden j/ihrliche W/irmesummen von weir fiber 4000 Tagesgraden gemessen (Thibault, 1971). Im L/ingsverlauf eines Flieggew/issers, d.h. mit abnehmender Meeresh6he, nimmt wegen der im Unterlauf zunehmenden Tagesmitteltemperatur naturgem/iB auch die j/ihrliche Wfirmesumme zu (Hauer und Stanford, 1982; Hawkins, 1986; Ward, 1986). Vergleichbare Untersuchungen aus dem mitteleurop/iischen Raum liegen nicht vor und wurden auch von uns nicht durchgeffihrt. Da insbesondere der Temperaturfak- tor entscheidend ffir Wachstum und Entwicklung von aquatischen Organismen (Markarian, 1980) und auch ffir den gesamten Stoffhaushalt ist, w/ire insgesamt mehr Information fiber die thermischen Bedingungen in FlieBgew/issern wiinschens- wert, evtl. auch eine Typisierung von FlieBgew/issern hinsichtlich ihres W/irmehaus- haltes. Dazu gehSrte auch ein Vergleich der Temperaturverteilung innerhalb eines ganzen Einzugsgebietes,/ihnlich der Untersuchung von Webb und Walling (1986).


Der prinzipielle Verlauf des saisonalen AbfluBgeschehens in der Steina/ihnelt den von Rupprecht (1988) beschriebenen 15 Taunusb/ichen. Es wurde ebenfalls eine Niedrigwasserperiode von Juni/Juli bis Oktober/November gefunden. Hochwasser- spitzen treten normalerweise zwischen Januar und Mai auf, k6nnen aber in verminderter Form wie im vorliegenden Fall 1987 auch im Sommer, besonders w/ihrend starker Gewitter, auftreten. Der durchschnittliche j/ihrliche AbfluB yon 760 1/s an GS2 ist sehr stark dem durchschnittlichen AbfluB am offiziellen Pegel Illmfihle angen/ihert, der nach der Landesanstalt ffir Umweltschutz (1979) im Mittel von 1922-1978 810 1/s betrug. Ein interessanter Befund unserer Untersuchungen war der abnehmende relative Anteil der Wasserf/ihrung der Zufl/isse mit steigendem Gesamtabflul3 an Pegel GS 2. Dies kann als ein Indiz fiir den dann steigenden Beitrag des lateralen Abflusses (= Hangwasser) in den Hauptkanal gedeutet werden, fihnlich den Ergebnissen von Hirata und Muraoka (1988). Mit Hilfe der Massenbilanzmetho- de konnten beide Autoren nachweisen, dal3 w/ihrend eines sogenannten ,,Ereignis- wassers °' der Oberfl/ichenabflul3 zum gr6Bten Teil aus diesem lateralen Abflul3 besteht. Das sogenannte ,,Vor-Ereignis-Wasser" besteht dagegen iiberwiegend aus der Grundwasserkomponente (K6rner et al., 1986; Hirata und Muraoka, 1988). Auch Bond (1979) beobachtete eine relative Zunahme des Hangwasseranteils mit steigendem Oberflfichenabflul3. Trotz der fiir diese Fragestellung ungeeigneten Untersuchungsmethode lassen sich die Ergebnisse ffir die Steina in/ihnlicher Weise interpretieren. Ob sich dieses Ergebnis auch bei anderen Abflul3verh~iltnissen in der Steina reproduzieren 1/il3t, und ob dieses Ph/inomen auch in anderen Einzugsgebieten auftritt, miil3te noch genauer untersucht werden.

Die N/ihrstoffsituation charakterisiert die obere Steina als ein unbelastetes Silikatgewfisser. Signifikante Korrelationen zwischen einzelnen abiotischen Parame- tern, wie sie auch in anderen Untersuchungen aufgestellt worden sind (z.B. Townsend et al., 1983) ergaben sich zwischen der Temperatur und Ammonium bzw. Orthophosphat, zwischen Orthophosphat und Ammonium, zwischen der spezifischen Leitf/ihigkeit, Magnesium und Calcium sowie zwischen dem organischen Schwebstoffgehalt, dem totalen Schwebstoffgehalt und Abflul3. Konzentrations- Abflugbeziehungen allein waren nicht signifikant. Da sich der Oberfl/ichenabflug aus saisonal wechselnden Anteilen verschiedener Komponenten zusammensetzt, (Grund-, Hang-, Regenwasser), die wiederum eine unterschiedliche N/ihrstofffracht aufweisen (Bond, 1979; McDiffet et al., 1989), ist das Fehlen solch einer Beziehung nicht ungew6hnlich, zumindest nicht, wenn wie in der vorliegenden Untersuchung die Daten nicht saisonal getrennt analysiert werden. Untersuchungen anderer Autoren haben gezeigt, dab Niederschlfige die N/ihrstoffkonzentrationen kleiner Fliel3gew/isser enorm ver/indern k6nnen. Konzentrationsspitzen von Phosphat, Nitrat und Ammonium nach Gewittern oder heftigen Regenschauern sind auf Auswaschung dieser Ionen aus dem Boden zurfickzuf/ihren (Jakob und Tschumi, 1988; McDiffet et al., 1989).


Summary

Stream temperature, discharge and nutrients were monitored at one study site in the upper reach of a small Black Forest mountain stream (Fig. 1, Fig. 2) over three years. Monthly and daily means and ranges of water temperature had a similar course and were of the same magnitudes every year (Fig. 3, Table I, Table 3). Yet 1988 monthly mean temperatures and hence the annual temperature sum were somewhat higher compared to the preceding years (Fig. 4) because of the milder winter and warmer summer. Average annual discharge exhibited high year-to-year variations (Table 5), although common tendencies were periods of low flow rates in summer and early autumn, and peak discharges regularly occurring in late winter and spring (Fig. 6). Total suspended organic matter was correlated to total suspended solids and discharge (eqn. 4), orthophosphate and ammonium to temperature (Table 7), specific conductivity in the tributaries of the upper reach to the calcium and magnesium concentrations (eqns. 5-7). Phosphorus was the only nutrient with a strong seasonal dynamic (Fig. 7). Cumulative surface runoff of the upstream tributaries showed an inverse relationship to total discharge at the gauging station (Fig. 9). During the longitudinal course of the stream, tributaries originating in the adjacent shell limestone and red marl formations contribute to a gradual change in water chemistry by increasing Ca 2 ÷ and Mg 2÷ concentrations and accordingly increasing specific conductivity (Fig. 2c).

DANKSAGUNG

Das Wasserwirtschaftsamt Waldshut baute und wartete den Pegel GS2. Die Landesanstalt ftir Umweltschutz Karlsruhe iiberlieg uns unpublizierte AbfluBdaten des Pegels ,,Illmfihle". T. Weist erstellte die AbfluBkurve, P. Ruhrmann und M. Mutz tibernahmen einen Teil der planimetrischen Auswertungen, G. Schulze fertigte die Zeichnungen an. Ihnen allen gilt unser Dank.

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Received 13 January 1989; revised manuscript accepted 30 April 1990.

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Physikalische, chemische und hydrographische Untersuchungen eines Mittelgebirgsbaches: Ein Beitrag zur Typisierung kleiner Fließgewässer