Hydrologie der SchweizAusgewählte Aspekte und Resultate

M. Spreafico und R. Weingartner

Berichte des BWG, Serie Wasser – Rapports de l’OFEG, Série Eaux – Rapporti dell’UFAEG, Serie Acque Nr. 7 – Bern 2005

Hydrologie der SchweizAusgewählte Aspekte und Resultate

M. Spreafico und R. Weingartner

Berichte des BWG, Serie Wasser – Rapports de l’OFEG, Série Eaux – Rapporti dell’UFAEG, Serie Acque Nr. 7 – Bern 2005

Mit Beiträgen von:M. Auer, Ch. Graf, A. Grasso, Ch. Hegg, A. Jakob, A. Kääb, Ch. Könitzer, Ch. Lehmann, R. Lukes, M. MaischR. Meister, F. Paul, T. Reist, B. Schädler, M. Spreafico, J.-P. Tripet, R. Weingartner

Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr,Energie und KommunikationDépartement fédéral de l’environnement, des transports,de l’énergie et de la communicationDipartamento federale dell’ambiente, dei trasporti,dell’energia e delle comunicazioni

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Herausgeber

M. Spreafico, BWGR. Weingartner, GIUB

Redaktion

T. Reist, GIUB

Autoren

Kapitel 1M. Spreafico, BWG; R. Weingartner, GIUB

Kapitel 2T. Reist, GIUB; R. Weingartner, GIUB

Kapitel 3M. Auer, SLF; A. Kääb, GIUZ; Ch. Könitzer, GIUB; M. Maisch, GIUZ;R. Meister, SLF; F. Paul, GIUZ

Kapitel 4T. Reist, GIUB; R. Weingartner, GIUB

Kapitel 5T. Reist, GIUB; M. Spreafico, BWG

Kapitel 6Ch. Könitzer, GIUB

Kapitel 7J.-P. Tripet, Ittigen

Kapitel 8Ch. Graf, WSL; A. Grasso, BWG; Ch. Hegg, WSL; A. Jakob, BWG;Ch. Lehmann, H – W; M. Spreafico, BWG

Kapitel 9A. Jakob, BWG; R. Lukes, BWG

Kapitel 10T. Reist, GIUB; B. Schädler, BWG; J.-P. Tripet, Ittigen;R. Weingartner, GIUB

Übersetzungen

R. Bandi-Tebbutt, B. Jann, V. Linder

Reviewing

M. Barben, BWGN. Bischof, SLFCh. Bonnard, EPFLA. Gautschi, NagraN. Goldscheider, CHYND. Grebner, IACETHJ. Gurtz, IACETHD. Hartmann, BUWALF. Hauser, GIUBCh. Hegg, WSLP. Heitzmann, BWGT. Herold, BWGA. Jakob, BWGR. Kozel, BWGCh. Lehmann, H – WCh. Lienhard, MHNGM. Maisch, GIUZCh. Marty, SLFB. Meylan, BUWALP. Moeschler, MHNGA. Pochon, CHYNB. Schädler, BWGM. Schürch, BWGD. Streit, BWGL. Tacher, EPFLS. Vogt, BWGF. Vuataz, CHYNJ. Wessels, SLF

Abkürzungen

BUWAL Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Ittigen-Bern

BWG Bundesamt für Wasser und Geologie, Ittigen-BernCHYN Centre d’hydrogéologie, Université de NeuchâtelEPFL Ecole Polytechnique Fédérale de LausanneETHZ Eidgenössische Technische Hochschule ZürichGIUB Geographisches Institut der Universität BernGIUZ Geographisches Institut der Universität ZürichH – W Hydrologie – Wasserbau, Urtenen-SchönbühlIACETH Institut für Atmosphäre und Klima, ETH ZürichMHNG Muséum d’histoire naturelle, GenèveNagra Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver

Abfälle, WettingenSLF Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung, DavosWSL Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und

Landschaft, Birmensdorf

Impressum

Herausgeber: Bundesamt für Wasser und Geologie

ISSN: 1660-0746

Auflage: 2000

Zitiervorschlag: Spreafico, M. & Weingartner, R. (2005):Hydrologie der Schweiz – AusgewählteAspekte und Resultate. Berichte des BWG,Serie Wasser Nr. 7, Bern.

Kartendaten: © swisstopo (BA046528)

Bildnachweis Umschlag: oben: Aletschgletscher. S. Crameri, GIUBMitte: Aare. B. Sigrist, BWGunten: Source Bossy (NE). NAQUA, BWG

Gestaltung Umschlag: H.-P. Hauser, avd

Bezugsadresse: BBL, Vertrieb Publikationen, CH-3003 BernBestellnummer: 804.507 dInternet: www.bbl.admin.ch/bundespublikationen

Copyright: © BWG, Januar 2005

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Wasser ist Leben

Zur nachhaltigen, ökologisch optimalen und wirt-schaftlich sinnvollen Nutzung der Ressource Wassersind Kenntnisse über Qualität und Quantität der ober-und unterirdischen Wasservorkommen in Raum undZeit unabdingbar. Die Beschaffung dieser Kenntnisse –nämlich die Messung der Wasserflüsse und -speicher,die Analyse und Erforschung der ablaufenden Prozes-se – ist Aufgabe der Hydrologie. Seit mehr als 150Jahren werden in der Schweiz solche hydrologischenGrundlagen durch die Landeshydrologie systematischbereitgestellt. Dabei arbeiten Bundesstellen, Kantone,Forschungsinstitute und Private zusammen.

Die vorliegende Publikation dokumentiert den Standdes Wissens in der Schweiz bezüglich der ober- undunterirdischen Gewässer anhand ausgewählter Aspekteund Resultate. Grundzüge und Übersichten zur Hydro-logie der Schweiz stehen im Mittelpunkt. Es handeltsich um eine Monographie, die von mehreren Wissen-schaftern unter der Federführung der Landeshydrolo-gie und der Gruppe für Hydrologie des Geographi-schen Instituts der Universität Bern zusammengestelltwurde. Sie richtet sich an eine breite Öffentlichkeit underhebt dementsprechend nicht den Anspruch, jedeswissenschaftliche Detail zu erläutern.

Ich danke allen Beteiligten für Ihren Beitrag.

L’eau, c’est la vie

On ne peut exploiter la ressource eau de façon dura-ble, optimale d’un point de vue écologique et raison-nable d’un point de vue économique, sans connais-sances sur la qualité ainsi que la quantité des eauxsuperficielles et souterraines dans l’espace et le temps.L’acquisition de ces connaissances (à savoir le jaugeagedes cours d’eau et des réservoirs, l’analyse et l’étudedes processus qui se déroulent) constitue la tâche del’hydrologie. En Suisse, c’est le Service hydrologiquenational qui pose systématiquement ces bases hydro-logiques depuis plus de 150 ans. Pour cela, il collaboreavec les services fédéraux, les cantons, les instituts derecherches et les privés.

Dans la présente publication, divers thèmes et résultatsont été retenus pour documenter l’état du savoir relatifaux eaux superficielles et souterraines en Suisse. La pu-blication met l’accent sur les principaux caractères del’hydrologie de la Suisse et sur des vues d’ensemble. Ils’agit d’une monographie compilée par plusieursscientifiques sous la responsabilité du Service hydrolo-gique national et du Groupe pour l’hydrologie de l’In-stitut de géographie de l’Université de Berne. S’adres-sant à un large public, elle n’a pas la prétention d’ex-pliquer chaque détail scientifique.

Je remercie toutes les personnes ayant contribué àcette publication.

Bundesamt für Wasser und Geologie

Der Direktor

Dr. Ch. Furrer

Vorwort Préface

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L’acqua è vita

Per l’uso rinnovabile, ecologicamente ottimale ed eco-nomicamente sensato della risorsa acqua sono indi-spensabili delle conoscenze sulla qualità e sulla quanti-tà delle acque superficiali e sotterranee, sull’arco siadel tempo, sia dello spazio. L’ottenimento di questeconoscenze – cioè la misurazione dei flussi e delle riser-ve d’acqua, l’analisi e lo studio dei processi in corso – ècompito dell’idrologia. Da più di 150 anni il Servizioidrologico nazionale elabora sistematicamente tali datiidrologici di base. Ciò è possibile grazie alla collabora-zione con uffici federali, cantoni, istituti di ricerca eprivati.

La presente pubblicazione documenta lo stato delleconoscenze in Svizzera, riguardanti le acque di super-ficie e sotterranee, in base ad una scelta di aspetti e dirisultati. Si è voluto porre l’accento sui tratti fonda-mentali e le visioni d’insieme riguardanti l’idrologiasvizzera. Si tratta di una monografia, realizzata da di-versi ricercatori, sotto la direzione del Servizio idrologi-co nazionale e del Gruppo per l’idrologia dell’Istitutodi Geografia dell’Università di Berna. Essa si rivolge aun vasto pubblico e perciò non ha la pretesa di spie-gare ogni dettaglio scientifico.

Ringrazio tutti i partecipanti per il loro contributo.

Water is Life

Knowledge of the quality and quantity as well as thespatial and temporal aspects of surface and subterra-nean water reserves is essential for the sustainable,ecologically optimal and economically feasible exploit-ation of water as a resource. Obtaining this know-ledge, namely through measuring discharge and re-serves, as well as analysing and researching the pro-cesses that govern them – is the task of hydrologists.For more than 150 years this basic hydrological infor-mation has been provided in Switzerland by the SwissNational Hydrological Survey, which involves federaloffices, cantonal authorities, research institutions andprivate business as well as individuals.

The present publication covers selected aspects andresults concerning current knowledge of surface waterand groundwater in Switzerland. It focuses on the ba-sic aspects of hydrology in Switzerland and provides aneasy-to-read overview. It is a monograph drawn up byseveral scientists under the guidance of the Swiss Na-tional Hydrological Survey and the Hydrology Group ofthe Geographical Institute at the University of Berne. Itis aimed at the general public, for which reason notevery scientific detail is explained.

I should like to thank everyone who has helped to pro-duce this work.

Federal Office for Water and Geology

The Director

Dr Ch. Furrer

Prefazione Preface

5

Vorwort, Préface, Prefazione, Preface.....3

Inhaltsverzeichnis....................................5

1 Einleitung, Introduction, Introduction....7

2 Niederschlag ...........................................92.1 Niederschlag messen .....................................92.1.1 Entwicklung der Messnetze ...........................92.1.2 Niederschlagsmessnetze der MeteoSchweiz ...92.1.3 Messgeräte und Messfehler .........................112.2 Vom Punkt zur Fläche ..................................122.2.1 Abminderungsfaktoren................................122.2.2 Interpolation................................................132.2.3 Wasserbilanzmethode..................................142.2.4 Niederschlagskarten.....................................142.3 Niederschlagsverhältnisse.............................152.3.1 Jahresniederschläge .....................................152.3.2 Saisonale Niederschlagsverteilung................172.4 Extremwerte ................................................182.4.1 Starkniederschläge.......................................182.4.2 Trockenheit..................................................192.5 Vertiefende Aspekte.....................................202.5.1 Bestandesniederschlag.................................202.5.2 Nebelniederschlag .......................................202.5.3 Hagel...........................................................212.6 Niederschlag Schweiz – Europa – Welt.........222.7 Entwicklung und Aussichten........................23

3 Schnee und Eis ......................................253.1 Bedeutung des Schnees ...............................253.2 Entwicklung der Messnetze .........................253.3 Grundlagen bei der Erhebung von Schnee-

daten...........................................................263.3.1 Das Basisdreieck Station – Zeit – Parameter..263.3.2 Messgeräte und -methoden.........................283.4 Modelle .......................................................303.4.1 SNOWPACK – das Schneedeckenmodell.......303.4.2 AVAL-1D – dynamische Lawinenberech-

nung ...........................................................313.4.3 NXD – Lawinenprognosemodelle .................333.5 Schneehöhenverteilung in der Schweiz ........333.5.1 Schneebedeckungsdauer .............................333.5.2 Abhängigkeit der Schneehöhe von der

Höhe über Meer ..........................................343.5.3 Schneehöhenkarten .....................................343.5.4 Regionale Schneehöhenverteilung................353.6 Weitere Schwerpunkte der aktuellen

Schneeforschung .........................................353.6.1 Schneesport.................................................353.6.2 Schutzwald..................................................363.6.3 Permafrost ...................................................363.7 Gletscher .....................................................37

3.7.1 Messnetze ................................................... 373.7.2 Untersuchungsmethoden ............................ 373.7.3 Glaziale Prozesse ......................................... 383.7.4 Resultate ..................................................... 393.7.5 Gletscher als Wasserspeicher ....................... 40

4 Verdunstung......................................... 414.1 Die Verdunstung – das Kühlsystem der Erde 414.1.1 Energiehaushalt........................................... 414.1.2 Verdunstung – Evapotranspiration .............. 414.1.3 Potentielle und reale Verdunstung............... 424.2 Verdunstung messen................................... 424.2.1 Messung der potentiellen Verdunstung ....... 424.2.2 Messung der realen Verdunstung................ 434.3 Verdunstung berechnen .............................. 434.3.1 Berechnung der potentiellen Verdunstung .. 434.3.2 Berechnung der realen Verdunstung ........... 444.4 Verdunstungsverhältnisse ............................ 444.4.1 Jahresverdunstung ...................................... 444.4.2 Verdunstung im Jahresverlauf...................... 464.4.3 Trend im 20. Jahrhundert............................ 46

5 Abfluss.................................................. 475.1 Abfluss messen............................................ 475.1.1 Wasserstand und Abfluss ............................ 475.1.2 Messung des Wasserstands ......................... 475.1.3 Messung des Abflusses................................ 495.1.4 Messstationen ............................................. 505.1.5 Messnetze ................................................... 525.1.6 Messfehler................................................... 525.2 Abfluss schätzen ......................................... 545.2.1 Abschätzung von langjährigen Monats-

mitteln des Abflusses................................... 545.2.2 Abschätzung von Hochwasserabflüssen ...... 545.2.3 Abschätzung von Niedrigwasserabflüssen ... 575.3 Abflussverhältnisse in der Schweiz............... 595.3.1 Jährliche Abflussmengen ............................. 595.3.2 Saisonale Verteilung der Abflüsse ................ 605.4 Eingriffe ins Abflussgeschehen .................... 615.5 Hochwasser................................................. 635.5.1 Kenntnis von Hochwasserabflüssen ............. 635.5.2 Entstehung grosser Hochwasser .................. 645.6 Abflussbildung ............................................ 645.6.1 Abflussprozesse........................................... 655.6.2 Abflussreaktion von Gebieten...................... 655.6.3 Fliesswiderstand .......................................... 655.6.4 Retention .................................................... 675.7 Hochwasser vorhersagen............................. 68

6 Seen ...................................................... 716.1 Seen – Weiher – Teiche................................ 716.1.1 Bereiche von Seen ....................................... 716.1.2 Schichtung und Zirkulation.......................... 71

Inhaltsverzeichnis

6

6.2 Vorkommen von Seen..................................726.2.1 Seegenese....................................................726.2.2 Verlandung..................................................736.2.3 Seen der Schweiz.........................................746.3 Funktionen von Seen ...................................746.4 Stoffhaushalt und Wasserqualität ................756.4.1 Phosphor und Sauerstoff .............................756.4.2 Der Phosphorgehalt in Seen – eine Erfolgs-

geschichte des Gewässerschutzes ................766.4.3 Die Versorgung des Tiefenwassers mit

Sauerstoff ....................................................77

7 Grundwasser.........................................797.1 Wasser im Untergrund.................................797.1.1 Grundwasser und Hydrogeologie.................797.1.2 Grundwasserleiter........................................797.2 Grundwasserstände und Quellschüttungen

messen ........................................................817.3 Grundwasserregime.....................................827.4 Die Qualität des Grundwassers ....................837.4.1 Instrumente der landesweiten Beobachtung 837.4.2 Vorgehensschritte zur Datenbeschaffung.....837.4.3 Darstellung ausgewählter Messreihen ..........847.5 Grundwasser als Lebensraum.......................857.5.1 Lebewesen im Grundwasserbereich .............857.5.2 Der Grundwasserbereich als Ökosystem .......867.6 Anwendung von Tracern im Grundwasser ...877.6.1 Einsatz künstlicher Tracer.............................877.6.2 Anwendung natürlicher Tracer.....................887.7 Wasser in geringdurchlässigen Gesteinen.....897.7.1 Geringe Durchlässigkeiten und Messanfor-

derungen.....................................................897.7.2 Art der Grundwasserzirkulation – ein Bei-

spiel.............................................................897.8 Grundwasser als Gefahrenpotential .............907.8.1 Grundwasser und Überschwemmungen ......907.8.2 Grundwasser und Massenbewegungen .......917.9 Grundwassernutzung ..................................927.9.1 Grundwasser für die Wasserversorgung .......927.9.2 Grundwasser als Wärmelieferant..................937.10 Grundwasserschutz .....................................947.10.1 Grundwassergefährdung .............................947.10.2 Grundsätze des Grundwasserschutzes .........947.10.3 Planerischer Schutz ......................................957.11 Grundwasser und Wald ...............................967.11.1 Wenig Fremdstoffe und optimale Reini-

gungsprozesse im Wald...............................967.11.2 Der Wald als Trinkwasserlieferant.................967.11.3 Luftschadstoffe und Nitratbelastung: po-

tentielle Gefahren und Lösungen .................977.12 Hydrogeologische Karten .............................987.12.1 Die Darstellung von hydrogeologischen

Daten ..........................................................98

7.12.2 Hydrogeologische Karten in der Schweiz ..... 997.12.3 Digitale Hydrogeologische Karte der

Schweiz 1:500'000 ...................................... 99

8 Feststoffbeobachtung ........................ 1018.1 Feststoffe messen ...................................... 1018.1.1 Feststoffprozesse....................................... 1018.1.2 Schwebstoffe ............................................ 1018.1.3 Geschiebe.................................................. 1038.1.4 Murgänge ................................................. 1048.1.5 Seesedimentation...................................... 1058.1.6 Korngrössenverteilung............................... 1058.2 Resultate ................................................... 1068.2.1 Schwebstoffkonzentration und -frachten... 1068.2.2 Feststofffrachten (Geschiebe und Schweb-

stoffe) ....................................................... 1068.2.3 Deltaaufnahmen: Linth-Delta..................... 1078.2.4 Stauraumverlandung................................. 1088.3 Abschätzung von Feststofffrachten in

Wildbächen............................................... 1088.4 Feststofferhebung nach Unwettern ........... 109

9 Wasserqualität.................................... 1119.1 Wasserqualität messen .............................. 1119.1.1 Messnetze und Beprobungsarten .............. 1119.1.2 Beprobung und Messgeräte NADUF .......... 1129.2 Ausgewählte Parameter............................. 1139.2.1 Wassertemperatur ..................................... 1139.2.2 Phosphor................................................... 1159.2.3 Nitrat ........................................................ 1169.2.4 Sauerstoff.................................................. 117

10 Wasserhaushalt................................... 11910.1 Wasserkreislauf ......................................... 11910.2 Wasserhaushalt und Wasserbilanz............. 12010.2.1 Klassische Wasserbilanz............................. 12010.2.2 Hydrologische Wasserbilanz ...................... 12110.2.3 Wasserbilanz der Schweiz.......................... 12110.3 Die Alpen als Wasserschloss Europas ......... 12310.4 Entwicklung der Wasserhaushaltskompo-

nenten ...................................................... 12410.5 Die Isotope im Wasserkreislauf .................. 12510.5.1 Messung der Isotope im Wasserkreislauf ... 12510.5.2 Messgrössen.............................................. 12610.5.3 Darstellung ausgewählter Messreihen........ 126

Literaturverzeichnis ............................ 129

Bildnachweis....................................... 137

7

Einleitung

Die Hydrologie ist die Wissenschaft, die sich mit demWasser auf und unter der Landoberfläche, seinen Er-scheinungsformen, seiner Zirkulation, seiner räumli-chen und zeitlichen Verteilung, seinen biologischen,chemischen und physikalischen Eigenschaften und sei-nen Wechselwirkungen mit der Umwelt befasst.

Die Schweiz wird dank ihrer gebirgigen und damit nie-derschlagsreichen Einzugsgebiete gerne als «Wasser-schloss Europas» bezeichnet. Dass diese Bezeichnunggerechtfertigt ist, zeigt allein schon die Tatsache, dassdie Schweiz rund 45 % zum Gesamtabfluss des Rheinsin den Niederlanden beiträgt, und dies bei einem Flä-chenanteil von nur 21 %.

Diese naturräumlich bedingte Vorrangstellung und diedamit verbundene Verantwortung haben schon unsereVorfahren erkannt. Politik, Forschung und Verwaltunghaben bereits Mitte des 19. Jahrhunderts Anstrengun-gen unternommen, die Wasservorkommen zu erfas-sen, zu messen und zu erforschen, um sie optimal nut-zen und schützen zu können.

Die Schweiz besitzt heute räumlich dichte, zeitlichmeist hoch auflösende hydrologische Messnetze, wel-che uns grundlegende Erkenntnisse über die Quantitätund Qualität der Wasservorkommen sowie über die indiesem Zusammenhang relevanten hydrologischenProzesse liefern. Diese Informationen dienen letztlichauch den flussabwärts gelegenen Staaten, welche dasWasser aus der Schweiz nutzen. Die in der Schweizerworbenen Erfahrungen tragen auch zur Entwicklunganderer, meist messtechnisch schlecht erschlossenerGebirgsräume bei. So unterstützt die Schweiz Zentrala-sien beim Wiederaufbau ihrer hydrometeorologischenDienste, bei der Erstellung von Abflussvorhersagen undbeim Erfassen der verfügbaren Wasserressourcen. Da-rüber hinaus bringt die Schweiz ihr hohes Fachwissenin der Hydrologie auch in viele internationale Fachgre-mien ein. Schweizerische Forschungsinstitutionenführen angewandte Projekte in vielen Ländern des Sü-dens durch und tragen damit zur nachhaltigen Ent-wicklung dieser Regionen bei.

Die vorliegende Publikation gibt einen Überblick überResultate und Erkenntnisse zu verschiedenen Aspektender Hydrologie der Schweiz. Sie hat zum Ziel, die in dereinleitenden Definition der Hydrologie angesprochenenThemen übersichtsmässig darzustellen. Der inhaltlicheAufbau wurde vom «Hydrologischen Atlas derSchweiz» (HADES) inspiriert, welcher fortlaufend mit

Beiträgen der wichtigsten hydrologisch tätigen Institu-tionen der Schweiz ergänzt wird. Die vorliegende Mo-nographie ist keine Zusammenfassung des HADES,welcher sich eher an ein wissenschaftlich orientiertesPublikum richtet, sondern sie will ausgewählte Aspekteder schweizerischen Hydrologie diskutieren und in kur-zer, prägnanter Form einer breiten Öffentlichkeit zu-gänglich machen.

Die Herausgeber danken den zahlreichen Kolleginnenund Kollegen, die an dieser Publikation mitgearbeitethaben und freuen sich auf die weitere Zusammenar-beit. Ein besonderer Dank geht an Tom Reist, der mitseinem unermüdlichen Einsatz wesentlich zum Gelin-gen dieses Werks beigetragen hat.

Introduction

L’hydrologie est la science qui s’occupe de l’eau ensurface et sous terre en étudiant ses manifestations, sacirculation, sa distribution dans l’espace et le temps,ses propriétés biologiques, chimiques et physiquesainsi que ses interactions avec l’environnement.

A cause de ses bassins versants montagneux et doncpluvieux, la Suisse est volontiers qualifiée de «châteaud’eau de l’Europe». Le seul fait que la Suisse contribueà raison de 45 % environ au débit total du Rhin auxPays-Bas (alors que sa surface ne représente qu’unepart de 21 %) suffit pour montrer la pertinence decette dénomination.

Nos ancêtres ont déjà reconnu cette prééminence, dueà l’espace naturel, et compris la responsabilité qu’elleimplique. Dès le milieu du 19ème siècle, la politique, larecherche et l’administration se sont efforcées d’inven-torier, de mesurer et d’étudier les ressources en eau,afin de pouvoir les exploiter et les protéger de la meil-leure manière possible.

La Suisse possède aujourd’hui des réseaux de mesurehydrologiques denses dans l’espace et ayant en géné-ral une haute résolution dans le temps; ceux-ci nous li-vrent des connaissances fondamentales sur la quantitéet la qualité des ressources en eau ainsi que sur lesprocessus hydrologiques essentiels dans ce contexte.En fin de compte, ces informations servent aussi auxriverains situés en aval qui utilisent l’eau en provenancede notre pays. Les expériences acquises en Suissecontribuent également au développement d'autres ré-gions de montagnes, en général peu équipées en ré-seaux de mesure. Par exemple, la Suisse aide l’Asie

1 Einleitung, Introduction, Introduction

8

centrale à reconstruire ses services hydrométéorologi-ques, à établir des prévisions d’écoulement et à in-ventorier les ressources en eau disponibles. De plus, denombreuses commissions internationales bénéficientégalement de ses importantes connaissances spéciali-sées en hydrologie. Des institutions suisses de recher-che mènent des projets appliqués dans de nombreuxpays du Sud, contribuant ainsi au développement du-rable de ces régions.

La présente publication aborde divers aspects del’hydrologie de la Suisse et donne une vue d’ensembledes résultats et conclusions qui s’y rapportent. Son butest de représenter de manière synoptique les thèmesmentionnés dans la définition préliminaire de l’hydro-logie. Son contenu s’articule selon l’«Atlas hydrologi-que de la Suisse» (HADES), qui est complété en conti-nu par des contributions fournies par les principalesinstitutions suisses actives dans le domaine de l’hydro-logie. Cette monographie n’est pas un résumé del’HADES, qui s’adresse plutôt à un public de scientifi-ques; elle veut discuter de certains aspects de l’hydro-logie suisse et les rendre accessibles à un plus largepublic sous une forme abrégée plus concise.

Se réjouissant de la poursuite de cette collaboration,les éditeurs expriment leurs remerciements aux nom-breux collègues ayant contribué à cette publication. Ilsremercient tout particulièrement Tom Reist, qui, ens’engageant sans jamais se lasser, a considérablementcontribué à la réussite de cet ouvrage.

Introduction

Hydrology is the science that deals with water on andbelow the surface, its various forms, how it circulates,its spatial and temporal distribution, its biological,chemical and physical characteristics and its interactionwith the environment.

Thanks to its mountainous terrain and the associatedhigh-rainfall catchments, Switzerland is often calledthe «water-tower of Europe». The justification of thisdescription can be seen for example in the fact thatSwitzerland provides some 45 % of the total dischargeof the Rhine when it reaches the Netherlands, al-though it represents only 21 % of the total area.

This geographical predominance and the responsibilitythat it implies were already known to our ancestors. Asearly as the middle of the 19th century, politicians, re-searchers and the authorities made efforts to record,

measure and research the water reserves in order to beable to exploit and protect them as efficiently aspossible.

Today Switzerland has hydrological measuring net-works at its disposal that are dense and provide fre-quent information which ensures a basic knowledge ofthe quantity and quality of water reserves as well asthe relevant hydrological processes. This information isalso of service to the countries further downstreamwhich use the water emanating from Switzerland. Theexperience gained in Switzerland is also leading to thedevelopment of other mountain areas where measur-ing networks are not so advanced. In this way Swit-zerland is helping countries in Central Asia to rebuildtheir hydrometeorological services, including dischargepredictions and estimating available water resources.In addition, Switzerland contributes its wealth of spe-cialised knowledge in the field of hydrology to manyinternational bodies. Swiss research institutions carryout applied projects in many countries of the southand thus help to ensure the sustainable developmentof these regions.

The present publication provides an overview of theresults and current knowledge concerning various as-pects of hydrology in Switzerland. Its aim is to demon-strate the aspects mentioned in the above definition ofhydrology in a clear and concise manner. The contentis based on the «Hydrological Atlas of Switzerland»(HADES), which is regularly updated through contri-butions from the principal hydrological institutions inSwitzerland. The present monograph is not a summaryof the Atlas, which would tend to interest a scientificreadership, but rather a discussion and brief accountof selected aspects of hydrology in Switzerland thatwill appeal to the general public.

The publishers would like to thank the many helpersthat have made this publication possible and look for-ward to working with them again in the future. Par-ticular thanks are due to Tom Reist, who through hisuntiring efforts has made an important contributiontowards the success of this work.

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KennziffernMittlerer Jahresniederschlag Schweiz (1961–1990) 1458 mm Quelle: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002aTiefster mittlerer Jahresniederschlag (1951–1980) 522 mm Ackersand (VS) Quelle: KIRCHHOFER & SEVRUK 1992Höchster mittlerer Jahresniederschlag (1951–1980) 3142 mm Mönchsgrat (VS/BE) Quelle: KIRCHHOFER & SEVRUK 1992Höchster Jahresniederschlag 5910 mm Mönchsgrat (VS/BE) 1939/40 Quelle: MeteoSchweizHöchster Tagesniederschlag 500 mm Maggia (TI), 10.9.1983 Quelle: GEIGER et al. 1991Höchster Stundenniederschlag 105 mm Sternberg (ZH), 23.6.1930 Quelle: GEIGER et al. 1991Höchster 10-Minuten-Niederschlag 50 mm Heiden (AR), 26.7.1895 Quelle: GEIGER et al. 1991Längste Trockenperiode 77 Tage Lugano (TI), 6.12.1988–20.2.1989 Quelle: MeteoSchweiz

2.1 Niederschlag messen

Im Prinzip kann der Niederschlag überall mit einfachenMitteln aufgefangen und gemessen werden. In derRealität sieht sich die Niederschlagsmessung aber mitgrossen Problemen konfrontiert. Für die Verwendbar-keit der Daten ist entscheidend, in welchem Intervalldie Ablesung/Messung erfolgt. Vier gesamtschweizeri-sche Messnetze liefern Niederschlagswerte in Jahres-,Tages-, Halbtages- und 10-Minuten-Auflösung.

2.1.1 Entwicklung der Messnetze

An einigen Standorten wird der Niederschlag ab dem18. Jahrhundert gemessen. Die systematische Erfas-sung des Niederschlags beginnt in der Schweiz aber1863 mit dem Betrieb von anfangs rund 40, mit einemNiederschlagsmesser ausgerüsteten Klimastationendurch die Schweizerische Naturforschende Gesell-schaft. 1881 übernimmt die neugegründete Meteoro-logische Zentralanstalt die bestehenden Stationen. Inden folgenden Jahren steigt die Zahl der Stationenstark an und bereits um 1900 werden die Niederschlä-ge täglich an 345 Stationen abgelesen (vgl. Fig. 2-1).

Eine tägliche direkte Ablesung erfordert leicht zugäng-liche Stationen. Die Folge ist eine Konzentration derMessstellen in tieferen Lagen und ganzjährig bewohn-ten Gebieten. Ab 1914 werden die Lücken im Hochge-birge durch das Netz der Jahrestotalisatoren verklei-nert. Mit dem Aufbau des automatischen Messnetzes(ANETZ) ab 1978 stehen Niederschlagsdaten hoherzeitlicher Auflösung für alle Regionen der Schweiz zurVerfügung. Zur selben Zeit (1977) nehmen die beidenersten Wetterradarstationen ihren operationellen Be-trieb auf. Von den ab 1995 eingerichteten automati-schen Stationen des Ergänzungsnetzes (ENET) messeneinige ebenfalls den Niederschlag. Nebst diesen natio-nalen gibt es verschiedene kantonale, private und spe-zielle (z.B. Flughafen-) Messnetze, auf die hier nichtweiter eingegangen wird.

2.1.2 Niederschlagsmessnetze derMeteoSchweiz

Die niederschlagsmessenden Netze der MeteoSchweizumfassen rund 600 Stationen (vgl. Tab. 2-1). Mit einerdurchschnittlichen Stationsdichte von 1 Station pro70 km2 steht für die Bestimmung von Jahresnieder-schlagsmengen ein auch im globalen Vergleich sehrdichtes Messnetz zur Verfügung. Allerdings variiert dieDichte von Region zu Region (vgl. Fig. 2-2) und nimmtim Gebirge ab (vgl. Fig. 2-3). Dadurch wird der Nieder-schlag in höheren Lagen räumlich nicht genügend de-tailliert erfasst. Beispielsweise sind in der Höhenzoneoberhalb 2000 m ü.M. nur noch 9 Tagesmessstationenverfügbar (1 Station pro 1073 km2).

2 Niederschlag

Fig. 2-1: Entwicklung der schweizerischen Niederschlagsmessnetze(nach WEINGARTNER 1992; Daten ab 1990: MeteoSchweiz).

Tab. 2-1: Niederschlagsmessnetze der MeteoSchweiz (Stand 2003;2002 bei Jahrestotalisatoren) (Quelle: MeteoSchweiz).

Messnetz zeitliche Auflösung StationenKlima Halbtagessummen 25Niederschlag (NIME) Tagessummen 351Jahrestotalisatoren Jahressummen 137ANETZ 10-Minuten-Intensitäten 68ENET 10-Minuten-Intensitäten 5Total 586

0

100

200

300

400

500

600

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

20

03

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1870

1890

1910

1930

1950

1970

1990

JahrestotalisatorenTagessammlerKlimastationenAutomatische Stationen

10

55

06

00

65

07

00

75

0

10

0

15

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20

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Fig. 2-2: Karte der Niederschlagsmessstationen der MeteoSchweiz (Stand 2003; 2002 bei Jahrestotalisatoren) (Daten: MeteoSchweiz).

11

Figur 2-3 ermöglicht den Vergleich der Höhenvertei-lung der Messnetze verschiedener zeitlicher Auflösungmit der Höhenverteilung der Landoberfläche. Bei opti-maler Verteilung wären die einzelnen Kurven dek-kungsgleich. In der Realität ist die Höhenverteilung beiden Stationen mit einem Messintervall von mindestenseinem Tag wenig repräsentativ. 90 % aller ANETZ- undENET-Stationen und beinahe 100 % der Klimastationenund Tagessammler, jedoch nur 77 % der Landoberflä-che liegen unterhalb von 2000 m ü.M.

Fig. 2-3: Höhenverteilung von Landoberfläche und Niederschlags-stationen in der Schweiz (Daten: MeteoSchweiz).

2.1.3 Messgeräte und Messfehler

Die genauesten Niederschlagsmessungen sind Punkt-messungen. Ein Pluviometer sammelt Regentropfen,Hagelkörner und Schneeflocken, die seine Auffangflä-che treffen (200 cm2 bei den Regenmessern nach Hell-mann und Joss-Tognini). Je nach Intervall der Ablesungwerden verschiedene Messgeräte eingesetzt, die sichvor allem in ihrem Fassungsvermögen unterscheiden(vgl. Fig. 2-4 und Fig. 2-5). Pluviographen sind zusätz-lich mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen, analo-gen oder digitalen Aufzeichnung der Niederschlägeversehen (vgl. Fig. 2-5 und Fig. 2-6). Die Messgerätewerden in einer Höhe von 1,5 m (2 m im Gebirge, 4 mbei Totalisatoren) über dem Boden und mit genügendseitlichem Abstand zu Bäumen und Gebäuden instal-liert. Auch sehr windexponierte oder stark abge-schirmte Standorte werden nach Möglichkeit gemie-den. Bei tiefen Temperaturen ist ein Betrieb nur nochmit beheizten Messgeräten möglich.

Wie jedes Objekt verändert auch ein Niederschlags-messer das Windfeld in seiner Nähe. Windgeschwin-digkeit und Turbulenzen nehmen zu und lenken vor

Fig. 2-4: Pluviometer (Monatstotalisator nach Hellmann) auf der AlpGibel (BE), Wildbach-Testgebiet Leissigen des Geographischen Insti-tuts der Universität Bern.

Fig. 2-5: Niederschlagsmessgeräte der ANETZ-Station Rünenberg(BL). Mitte: Pluviograph (Wippe nach Joss-Tognini), rechts: Pluvio-meter (nach Hellmann).

Fig. 2-6: Niederschlagsmessgeräte im hydrologischen Testgebiet derETHZ (Rietholzbach, SG); von links nach rechts: Pluviograph (nachJoss-Tognini), Pluviometer (Jahrestotalisator nach Mougin mit Wind-schutzring), Pluviograph (Belfort-Waage, analoge Datenaufzeich-nung), Pluviograph (Belfort-Waage, digitale Datenaufzeichnung).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

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4500

5000

0 20 40 60 80 100

% Stationen bzw. % Landoberfläche unterhalb

Hö

he

[mü

.M.]

Landoberfläche

Klimastationen und Tagessammler

Alle Stationen

Jahrestotalisatoren

Automatische Stationen

12

allem leichtere Tropfen und Schneeflocken vom Mess-gerät ab. Der sich ergebende Messfehler steigt mit zu-nehmender Windgeschwindigkeit, weshalb an beson-ders windexponierten Standorten spezielle Wind-schutzvorrichtungen angebracht werden (vgl. Fig. 2-6und Fig. 2-7). Verluste durch Spritzwasser, Verdun-stung aus dem Gefäss und Ungenauigkeiten bei derAblesung sind weitere Fehlerquellen. Insgesamt ist derMessfehler bei Schneefall und in hohen Lagen amgrössten. Im Jahresmittel muss damit gerechnet wer-den, dass Punktmessungen den wahren Niederschlagum bis zu 25 % unterschätzen (vgl. Fig. 2-8). In Ein-zelfällen kann der Fehler aber auch grösser als 30 %werden.

Fig. 2-7: Pluviograph (Waage, Ott pluvio 250) mit Windschutzvor-richtung im forsthydrologischen Testgebiet Sperbelgraben (BE) derWSL und des Geographischen Instituts der Universität Bern.

2.2 Vom Punkt zur Fläche

Für hydrologische Anwendungen sind die gemessenenPunktniederschläge oft nicht direkt verwendbar. Ge-sucht sind die in einem bestimmten Gebiet gefallenenNiederschlagsmengen (Gebietsniederschlag). Verschie-dene Methoden stehen zur Übertragung der punk-tuellen Niederschlagsmessungen auf die Fläche zurVerfügung (vgl. Fig. 2-9). Zur Kontrolle dient der An-satz der Wasserbilanzmethode.

Fig. 2-9: Methoden zur Abschätzung des Gebietsniederschlags.

2.2.1 Abminderungsfaktoren

Punktmessungen sind nur für den Messort und seinenähere Umgebung repräsentativ, je nach Topographieund Niederschlagsprozess für maximal 10–100 km2.Die Niederschlagsmenge sinkt mit zunehmender Di-stanz zum Niederschlagszentrum in charakteristischerWeise (vgl. Fig. 2-10). Die Abnahme, als Abminde-rungskurve bezeichnet, wird von der Dauer des Ereig-nisses und der Niederschlagsintensität bestimmt.Schauer (konvektive Niederschläge) sind von kurzerDauer und überdecken nur kleine Flächen. Landregen(advektive Niederschläge) sind grossflächiger, aber we-niger intensiv. Regionale Abminderungsfaktoren fürdie gesamte Schweiz sind in GREBNER et al. (1999) pu-bliziert.

Fig. 2-8: Schätzung des mittleren Fehlers, der bei einer Nieder-schlagsmessung in diesem Gebiet beim Jahresniederschlag zu erwar-ten wäre (in % des gemessenen Niederschlags) (nach SEVRUK &KIRCHHOFER 1992).

Fig. 2-10: Prinzipskizze der Abminderungskurve für ein dreistünd-liches Niederschlagsereignis mit Gebietsniederschlagsmengen (nachGREBNER et al. 1999).

Gebiets-

niederschlag

Punkt-information

Interpolation

Abminderungsfaktoren

Gebiets-information

Wasserbilanz

3000 km2

1500 km2

500 km2

[mm]

20

40

60

80

Punktmessung

13

2.2.2 Interpolation

Interpolationen versuchen, die Informationslücken zwi-schen den Messstellen zu schliessen. Die Qualität einerInterpolation hängt dabei in entscheidendem Mass vonder Anzahl und der Verteilung der Messstellen und derWahl der Interpolationsmethode ab.

Die älteste und oftmals recht genaue Methode bestehtdarin, die Niederschlagsverteilung unter Einbezug derMessstellen, der Topographie und der lokalen klimati-schen Verhältnisse subjektiv abzuschätzen und durchLinien derselben Niederschlagshöhe (Isohyeten) darzu-stellen (vgl. Abschnitt 2.2.4). Objektive Methodenkönnen ebenfalls gute Resultate erbringen, wenn sieden Verhältnissen entsprechend angewendet werden.Die im Folgenden vorgestellte Bestimmung des Ge-bietsniederschlags im Einzugsgebiet der Reuss (vgl.Fig. 2-11) mit drei gebräuchlichen Methoden (Thies-sen-Polygone, Distanzgewichtung und Höhenregres-sion) zeigt, welche Unterschiede sich ergeben können.

Bei der Thiessen-Polygon-Methode wird der Stations-wert als repräsentativ für ein Gebiet angesehen, dasmethodisch bis zur halben Entfernung zu den Nach-barstationen reicht. Die Methode der Distanzgewich-tung berücksichtigt alle um einen zu interpolierendenOrt liegenden Stationen, misst aber den nähergelege-

nen mehr Gewicht bei als weiter entfernten. Höhen-regressions-Methoden berechnen aus den verfügbarenStationswerten Höhengradienten, welche dann bei derNiederschlagsinterpolation weiterverwendet werden.

Bei den ersten beiden Methoden wird die Interpolationstark von den im Gebiet liegenden Stationen bestimmt(vgl. Fig. 2-12). Zuverlässige Abschätzungen sind vorallem im flachen Relief möglich, wo Niederschlagsmes-sungen für ein weites Gebiet repräsentativ sind. In ge-birgigen Gegenden sind mit Höhenregressionen be-rechnete Gebietsniederschläge in der Regel genauer(vgl. Tab. 2-2). Allerdings hängt das Ergebnis stark vonder Auswahl der Stationen zur Bestimmung des Nie-derschlagsgradienten ab, wie das folgende Beispielzeigt. Der aus den Jahresniederschlägen der StationenAltdorf, Andermatt und Gütsch berechnete Gradient

Fig. 2-11: Niederschlagsstationen im Bereich des Einzugsgebiets derReuss (Abflussmessstation Seedorf): Mittlere Jahresniederschlags-summen in mm der Periode 1961–1990 (Daten: MeteoSchweiz).

Fig. 2-12: Vergleich dreier Interpolationsmethoden: Räumlichinterpolierte Jahresniederschlagssummen, Niederschlagsstationen(Punkte) und das Einzugsgebiet Reuss – Seedorf (rote Linie).

14

von 21 mm/100 m führt im Einzugsgebiet der Reusszu einer starken Unterschätzung des Gebietsnieder-schlags. Ursache dafür ist, dass zwischen den beidenhöhergelegenen Stationen Andermatt (1442 m ü.M.)und Gütsch (2287 m ü.M.) kein Gradient mit der Höhevorhanden ist, da an beiden Stationen annäherndgleich viel Niederschlag gemessen wird (vgl. Fig. 2-11).Verwendet man statt Gütsch die Station Grimsel Hos-piz (1980 m ü.M., 2094 mm), resultiert ein Gradientvon 60 mm/100 m und damit ein Gebietsniederschlagin der Höhe des Referenzwerts (vgl. Tab. 2-2).

Methode Jahresniederschlag [mm]Thiessen-Polygone 1340Distanzgewichtung 1387Höhenregression (Altdorf, Andermatt, Gütsch) 1465Höhenregression (Altdorf, Andermatt, Grimsel) 1981Referenzwert aus der Wasserbilanz 2000

Tab. 2-2: Vergleich der interpolierten Jahresniederschlagswerte(Periode 1961–1990) für das Einzugsgebiet Reuss – Seedorf mit demReferenzwert nach SCHÄDLER & WEINGARTNER (2002a).

2.2.3 Wasserbilanzmethode

Der Wasserhaushalt eines Gebietes wird durch seineWasserbilanz beschrieben (vgl. Kap. 10). Der gefalleneNiederschlag muss restlos aus Abfluss, Verdunstung,Speicheränderung und unterirdischen Zu- oder Abflüs-sen erklärt werden können. Die Fehler bei der Bestim-mung von Abfluss- und Verdunstungswerten sind ge-genüber den grossen Unsicherheiten bei der Messungund Interpolation von Niederschlägen im Gebirge rela-tiv klein, in der Regel kleiner als 10 %. Der indirekteWeg über die Wasserbilanz darf damit als genauesteMethode zur Bestimmung von Gebietsniederschlägenim Gebirge gelten (SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

2.2.4 Niederschlagskarten

Gesamtschweizerische Niederschlagskarten wurdenschon wenige Jahre nach der Gründung des Nieder-schlagsmessnetzes entworfen. Für die «SchweizerischeFlussgebietskarte mit Niederschlagscurven» (WOLF1871) standen rund 40 Stationen zur Verfügung. Be-merkenswerterweise stimmen die verwendeten Stati-onswerte trotz der kurzen Messperiode gut mit denStandardwerten der Periode 1961–1990 überein(vgl. Tab. 2-3). Die grossen Distanzen zwischen denStationen liessen allerdings nur eine grobe Interpola-tion mit Isohyeten zu (vgl. Fig. 2-13).

Fig. 2-13: Entwicklung der Niederschlagskarten, dargestellt andemselben Ausschnitt (Farbsignaturen haben in jeder Karte eineandere Bedeutung).

15

In der «Regenkarte der Schweiz» (BROCKMANN 1923)wurden erstmals Daten der Jahrestotalisatoren ausHochgebirgsregionen verwendet. Das Messnetz um-fasste um 1920 bereits mehr als 400 Stationen undermöglichte eine viel detailliertere Interpolation. Die«Niederschlagskarte der Schweiz» (UTTINGER 1949) ba-siert auf 230 Bezugsstationen mit Beobachtungsreihenab 1900. 500 weitere Messreihen, darunter diejenigenvon 142 Jahrestotalisatoren, wurden anhand der Be-zugsstationen korrigiert und/oder ergänzt und eben-falls in der Karte verwendet. In Gegensatz zu den vor-hergehenden Karten wurden hier bei der subjektivenInterpolation auch Höhengradienten verwendet. Mitder Karte «Mittlere jährliche korrigierte Niederschlags-höhen 1951–1980» (KIRCHHOFER & SEVRUK 1992) wirdder Übergang zu objektiven Interpolationsmethodenvollzogen. Rund 400 Stationswerte standen für daskombinierte Verfahren aus Höhenregression und Di-stanzgewichtung (Kriging) zur Verfügung. Die Unter-schiede bei den Stationswerten (vgl. Tab. 2-3) sind inerster Linie auf die vorgängige Korrektur des systemati-schen Messfehlers zurückzuführen. Eine vereinfachteVersion der aktuellsten Karte von SCHWARB et al.(2001a) ist in Figur 2-15 dargestellt.

Autor und Jahr Periode Zürich EinsiedelnWOLF 1871 1864–1869 1050 1700BROCKMANN 1923 – 1140 1600UTTINGER 1949 1901–1940 1070 1680KIRCHHOFER & SEVRUK 1992 1951–1980 1218 1807Normwerte (MeteoSchweiz) 1961–1990 1086 1753

Tab. 2-3: Normwerte der Jahresniederschläge in mm im Vergleichmit Werten anderer Perioden und Autoren.

Die Überprüfung verschiedener Niederschlagskartenmit wasserhaushaltlich abgestützten Gebietsnieder-schlägen zeigt, dass objektive Verfahren (KIRCHHOFER &SEVRUK 1992, SCHWARB et al. 2001a) nicht genauer sind(vgl. Tab. 2-4). Interessanterweise ergibt die Karte vonUTTINGER (1949), bei der subjektives Expertenwisseneingeflossen ist, das beste Ergebnis.

Autor und Jahr Niederschlag AbweichungUTTINGER 1949 1461 0KIRCHHOFER & SEVRUK 1992 1681 15SCHWARB et al. 2001a 1385 -5Referenzwert 1458 0

Tab. 2-4: Jahresniederschlagssummen in mm für die Schweiz nachunterschiedlichen Autoren und Abweichung vom Referenzwert ausder Wasserbilanz in % (SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

2.3 Niederschlagsverhältnisse

Der durchschnittliche Jahresniederschlag der Schweizvon 1458 mm (SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a) sagtnur wenig über die effektiven Verhältnisse innerhalbdes Landes aus. Niederschlagsprozesse werden durchdie Lage der Gebirge entscheidend beeinflusst. Zwi-schen Talboden und Gipfelregion, Luv- und Leelage,Alpennord- und Alpensüdseite entsteht eine Vielfaltverschiedenster Niederschlagsklimate.

2.3.1 Jahresniederschläge

Am offensichtlichsten zeigt sich der Einfluss der Gebir-ge in der Zunahme der Niederschläge mit der Höhe.Auf der Alpennordseite nimmt der Niederschlag imMittel um rund 70–80 mm pro 100 m Höhe zu. Dieserallerdings nicht sehr straffe Zusammenhang gilt vorallem für die Gebiete unterhalb 1500 m ü.M. (vgl.Fig. 2-14). Aktuelle Niederschlagskarten (SCHWARB et al.2001a) berücksichtigen den Gebirgseffekt differen-zierter. Die abgebildete Karte der Jahresniederschlags-summen (s. Fig. 2-15) verwendet rund 10'000 lokaleGradienten.

Die niederschlagsreichste Zone erstreckt sich entlangdes nördlichen Alpenkamms mit einem Maximum inden Berner und Walliser Alpen. Überdurchschnittlichviel Niederschlag erhält zudem der gesamte KantonTessin. Die Gebiete mit den geringsten Jahresnieder-schlagsmengen liegen im Niederschlagsschatten derAlpenkämme. Anhand zweier Nord-Süd-Profile lässtsich der Einfluss der Gebirge auf den Niederschlag ver-deutlichen (vgl. Fig. 2-15).

Fig. 2-14: Mittlerer Jahresniederschlag der nach Höhenzonengegliederten Bilanzierungsgebiete (Periode 1961–1990, nachSCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b), ergänzt mit dem linearen Nieder-schlagsgradienten (+ 80 mm/100 m) von KIRCHHOFER & SEVRUK

(1992).

0–250

251–500

751–1000

1251–1500

1751–2000

2251–2500

2751–3000

750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Niederschlag [mm]

Alpennordseite

Alpensüdseite

Ganze Schweiz

Hö

hen

stu

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[mü

.M.]

+ 80 mm / 100 m501–750

1001–1250

1501–1750

2001–2250

2501–2750

16

Fig. 2-15: Karte der Jahresniederschlagssummen (Periode 1971–1990) mit zwei Profilschnitten (Daten: SCHWARB et al. 2001a).

N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

VorderrheinMuota Ticino MaggiaRhein Zürichsee

Profil 2

(700.000/285.000) (700.000/108.700)

500

1000

1500

2000

2500

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m]

750

1250

1750

2250

Relief

Jahresniederschläge

N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

La Sorne Aare (Grenchen) Aare (Bern) Simme (Oberwil) Simme (Lenk) Le Rhône

Profil 1

(600.000/259.000) (600.000/85.900)

500

1000

1500

2000

2500

Nie

ders

ch

lag

[mm

]

750

1250

1750

2250

Relief

Jahresniederschläge

17

2.3.2 Saisonale Niederschlagsverteilung

Die Verteilung der Niederschläge ist in der Schweiz sai-sonal betrachtet recht ausgeglichen (vgl. Tab. 2-5). ImWinter fällt am wenigsten, im Sommer am meistenNiederschlag. Frühling und Herbst sind gleich nieder-schlagsreich. Von Juni bis August werden grosse Nie-derschlagsmengen hauptsächlich durch Schauer verur-sacht. Die Verteilung gleicht dabei stark derjenigen derJahresniederschläge mit Spitzenwerten am Alpennord-rand und im Tessin (vgl. Fig. 2-16).

Die im Winter vorherrschenden Strömungslagen füh-ren vor allem den im Westen gelegenen Gebieten vielNiederschlag zu (vgl. Fig. 2-17). Die zentralen und öst-

lichen Alpengebiete dagegen erreichen in dieser Jah-reszeit ihr Niederschlagsminimum. Im Frühling undHerbst führen häufige Anströmungen aus Südwestenzu Starkniederschlägen in den Südalpen.

Fig. 2-16: Saisonale Niederschlagssummen (Periode 1971–1990) (Daten: SCHWARB et al. 2001b).

Tab. 2-5: Mittlere saisonale Verteilung der Jahresniederschläge in derSchweiz in % (Periode 1971–1990) (nach SCHWARB et al. 2001b).

Fig. 2-17: Jahreszeit mit der höchsten Niederschlagsmenge (Periode1971–1990) (nach SCHWARB et al. 2001b).

Frühling Sommer Herbst Winter25 29 25 21

18

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

Dauer [h]

0,1

1

10

100

1000 1Tag

1M

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1Jahr

Nie

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ch

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ät

[mm

/h]

Alpennordseite

Alpensüdseite

2.4 Extremwerte

Bei Starkniederschlägen ist der Zusammenhang zwi-schen der Dauer eines Ereignisses und der Menge desgefallenen Niederschlags besonders stark. Nieder-schlagsextreme werden daher mit Niederschlagsmengeund -dauer oder direkt mit Niederschlagsintensitäten inmm/h angegeben. Trockenperioden werden aus-schliesslich durch ihre Dauer zu Extremereignissen.

2.4.1 Starkniederschläge

Die Einstufung als «Starkniederschlag» ist abhängigvon der Definition. Als Kriterien dienen Schwellenwer-te, eine Anzahl stärkster Ereignisse oder die jährlichhöchsten Niederschläge. Für die höchsten, in derSchweiz gemessenen Niederschläge ist eine Untertei-lung in Alpennord- und Alpensüdseite sinnvoll (vgl.Fig. 2-18). Starkniederschläge von kurzer Dauer errei-chen auf der Alpennordseite höhere Niederschlagsin-tensitäten. Diese Ereignisse gehen auf einzelne Schauerwährend der Monate Juni bis September zurück. Stark-niederschläge längerer Dauer werden von grossskali-gen Wettersystemen bestimmt und können das ganzeJahr hindurch auftreten. Besonders niederschlagsreichsind sie auf der Alpensüdseite (advektive Lage), woFronten und Tiefdruckgebiete oft einen starken Feuch-tetransport aus dem Mittelmeerraum gegen die Südal-pen bewirken. Die Niederschlagsintensitäten längererDauer (Wochen, Monate) in Figur 2-18 sind aus Nie-derschlagssummen der angegebenen Dauer berechnet.Allgemein gilt, dass die Intensität mit zunehmenderDauer abnimmt.

Die stärksten, an einem Ort gemessenen Ereignissewerden zu Extremwertserien zusammengestellt undnach ihrer Eintreffenswahrscheinlichkeit klassiert. Ge-bräuchlich ist die Darstellung der 2,33- und der 100-jährlichen Niederschlagsintensitäten bestimmter Dauerin Niederschlags-Intensitäts-Diagrammen (s. Fig. 2-19).

In Form von Karten extremer Punktniederschläge ver-schiedener Dauer und Wiederkehrperioden stehen die-se Informationen flächendeckend zur Verfügung(vgl. Fig. 2-20). Dies ermöglicht eine Abschätzung zuerwartender Starkniederschläge für jede beliebigeStelle der Schweiz.

Die extremsten Niederschlagsintensitäten treten ausser-und voralpin auf. In den Alpen nimmt die Konvektions-leistung und damit die Intensität der Schauer ab. DasAbregnen anströmender, feuchter Luftmassen (Ge-birgseffekt) kann dagegen für ergiebige Tagesnieder-schlagsmengen sorgen. Im Südtessin werden an jähr-lich rund 10 Tagen Niederschlagsmengen von mehr als

Fig. 2-18: Höchste in der Schweiz bis 1990 beobachteteNiederschläge (nach GEIGER et al. 1991).

Fig. 2-19: Niederschlags-Intensitäts-Diagramm für Bern undOlivone (TI) (nach GEIGER et al. 1991).

Fig. 2-20: Extreme 100jährliche Punktniederschläge von 1 StundeDauer (nach JENSEN et al. 1997).

6 10 3020 60 2 3 5 8 12 24 22 3 5 10 20 30 2 3 6 12

Minuten Stunden Tage MonateN

ied

ers

ch

lag

sin

ten

sit

ät

[mm

/h]

1

10

100

1000

0,1

0,5

5

50

500100jährlich Bern

100jährlich Olivone

2,33jährlich Bern

2,33jährlich Olivone

Niederschlagsdauer / Messintervall

19

50 mm gemessen. Dieselbe Tagesmenge fällt im nörd-lichen Alpenvorland nur 1 bis 2 mal pro Jahr.

Die hohen Niederschlagsintensitäten während Stark-niederschlagsereignissen wirken sich positiv auf dieGenauigkeit der Messungen aus. Die Grösse der Re-gentropfen nimmt zu, so dass diese weniger vomMessgerät abgelenkt werden. Bei den statistisch er-mittelten 100jährlichen Werten in einem Nieder-schlags-Intensitäts-Diagramm muss mit einem mitt-leren Fehler von +/– 10 bis 30 % gerechnet werden(GEIGER et al. 1991).

2.4.2 Trockenheit

Zur Identifikation von Trockenperioden eignen sich,nebst dem Abfluss (vgl. Abschnitt 5.2.3), auch reinmeteorologische Indizes. Je nach den verfügbaren Da-ten können niederschlagsarme Perioden oder Trocken-perioden bestimmt werden.

Niederschlagsarme Perioden können definiert werdenals Zeitraum von mindestens fünf aufeinanderfolgen-den Tagen, in denen die Tagesniederschlagsmengeweniger als 0,5 mm beträgt. Einzelne Tage mit mehrals 0,5 mm sind in einer längeren niederschlagsarmenPeriode möglich. Fällt an einem Tag mehr als 1 mmNiederschlag, wird die niederschlagsarme Periode injedem Fall als beendet betrachtet (MAURER 1975). Be-stimmend für den Wasserhaushalt ist vor allem dasVerhältnis von Niederschlag und Verdunstung. Da dieGefahr von Trockenheit nur dann besteht, wenn deut-lich mehr Wasser verdunstet als durch den Nieder-schlag zugeführt werden kann, ist für eine Bestim-

mung sogenannter Trockenperioden der Einbezug wei-terer Daten nötig. Bisher liegen zu den Trockenperi-oden in der Schweiz keine flächendeckenden Untersu-chungen vor. Punktuelle Analysen von MÜHLETHALER(2004) zeigen aber, dass Trockenperioden vor allem imSommerhalbjahr auftreten, wenn die Verdunstung ho-he Werte erreicht.

Niederschlagsarme Perioden kommen dagegen in allenJahreszeiten etwa gleich häufig vor. Pro Jahr können inweiten Teilen der Alpen und des Juras 8 bis 10, imMittelland und einigen Alpentälern 11 bis 15 und ineinzelnen Regionen im Tessin bis zu 18 niederschlags-arme Perioden beobachtet werden (Periode 1961–1989). Addiert man die einzelnen Perioden zur mittle-ren jährlichen Gesamtdauer, so fallen je nach Regionzwischen 68 und 188 Tage in eine niederschlagsarmePeriode (vgl. Fig. 2-21) (MÜHLETHALER 2004).

Extreme Trockenheit herrscht in der Schweiz nur sel-ten. Das Jahr 2003 stellt diesbezüglich eine Ausnahmedar. In weiten Landesteilen dauerte die Phase mit un-terduchschnittlichen Niederschlagsmengen von Febru-ar bis September. Gesamtschweizerisch war vor allemdie erste Jahreshälfte aussergewöhnlich niederschlags-arm, in einigen Regionen wurden sogar die tiefstenWerte seit 1901 registriert (vgl. Fig. 2-22). Im 20. Jahr-hundert waren die Jahre 1921, 1929 und 1944 zu Be-ginn ähnlich trocken; noch weniger Niederschlag wur-de lediglich in der ersten Jahreshälfte 1976 gemessen.Das Sommerhalbjahr 2003 war im oberen Wallis, imGotthardgebiet, im Tessin sowie im Bündnerland trok-kener als im bisher extremsten Sommer 1947 (BUWAL/ BWG / MeteoSchweiz 2004).

Fig. 2-21: Mittlere jährliche Gesamtdauer niederschlagsarmerPerioden zwischen 1961 und 1989 (nach MÜHLETHALER 2004).

Fig. 2-22: Niederschlagssumme Januar–Juni 2003 verglichen mit denHalbjahressummen seit 1901 (nach ZBINDEN 2003).

20

2.5 Vertiefende Aspekte

In den vorangehenden Abschnitten wurde meist derflüssige Niederschlag (Regen) als wichtigste Form desNiederschlags thematisiert. Nebst dem Niederschlag inForm von Schnee (vgl. Kap. 3) müssen verschiedeneSpezialfälle des Niederschlags beachtet werden: Be-standesniederschlag, Nebelniederschlag und Hagel.

2.5.1 Bestandesniederschlag

Unter einer Vegetationsdecke ist der Niederschlagsein-trag in der Regel geringer als im Freiland, da ein Teildes Wassers an den Pflanzen hängen bleibt und denBoden nicht erreicht (Interzeption). Die Höhe der Inter-zeptionsverluste ist vom Bewuchs, der Dauer und In-tensität des Niederschlags sowie den Bedingungen fürdie Verdunstung abhängig. Der Bestandesnieder-schlag, also der am Boden messbare Niederschlag,setzt sich aus Stammabfluss, durchfallendem und ab-tropfendem Niederschlag zusammen (vgl. Fig. 2-23).

Fig. 2-23: Erläuterungsskizze zum Begriff des Bestandesnieder-schlags.

Figur 2-24 zeigt die Niederschlagsverteilung auf einerbewaldeten, rund 100 m2 grossen Testparzelle am 31.August 2003. Im Freiland fallen an diesem Tag54,4 mm Niederschlag. Der Verlust durch die Interzep-tion beträgt durchschnittlich 18,4 mm (33,8 %). EinigeNiederschlagsmesser stehen unter einer Krautschicht,was die starke Abschirmung einzelner Standorte er-klärt. Im umgekehrten Fall kann die Vegetation aberauch zu einer Konzentration des Niederschlags unddamit zu höheren Niederschlagsmengen als im Frei-land führen. Mit einem Anteil in der Grössenordnung

von 10–50 % des Jahresniederschlags (GEIGER 1985)muss die Interzeption als wichtiger Prozess im Wasser-haushalt vegetationsbedeckter Flächen berücksichtigtwerden.

Fig. 2-24: Variabilität des Bestandesniederschlags am 31. August2003 auf einer Testparzelle im Sperbelgraben (BE) bei einemFreilandniederschlag von 54,4 mm (nach KÖNITZER 2004).

2.5.2 Nebelniederschlag

An exponierten Vegetationsstandorten kommt demWassereintrag durch Nebel grosse Bedeutung zu. Mitdem Wind treibende Wassertropfen lagern sich an fe-sten Objekten ab. Eine dichte Vegetation kämmt dieNebeltropfen wirksam aus. Als abtropfender Nieder-schlag oder Stammabfluss wird der Nebelniederschlagnicht von den normalen Niederschlagsmessnetzen er-fasst.

Fig. 2-25: Wald als Nebelfilter, Sperbelgraben (BE) am 8. September2003.

Niederschlagsmesser

Baum

mm

10

20

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40

50

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DurchschnittBestandes-niederschlag

Freiland-niederschlag

0 1 2 m N

S

W

O

21

Nebel ist definiert als die Trübung der Sichtweite auf-grund schwebender Wassertröpfchen. Sobald die hori-zontale Sichtweite weniger als 1 km beträgt, wird(meteorologisch) von Nebel gesprochen. Dabei spieltes keine Rolle, ob es sich um Bodennebel oder einedem Boden aufliegende Wolke handelt. Nebel kommtalso überall vor, nicht nur in den typischen Nebelge-bieten des Mittellands, wie sie in Figur 2-26 dargestelltsind. Maximale Nebelhäufigkeit ergibt sich in höherenund exponierten Lagen durch das häufige Auftretenvon Wolken (vgl. Fig. 2-27). Messungen in nebelar-men, inneralpinen Lagen haben einen zusätzlichenNiederschlagsabsatz aus Nebel von 5–25 % ergeben(TURNER 1985). An windausgesetzten Stellen in denHauptnebelzonen muss noch mit weit höheren Wertengerechnet werden.

Fig. 2-26: Mittlere Häufigkeit des Auftretens von Nebel im Alpenvor-land (prozentuale Auftrittshäufigkeit auf 80 ausgewerteten Satel-litenbilder der Periode 1989–1991, Winterhalbjahr) (nach BACHMANN

& BENDIX 1993).

2.5.3 Hagel

Die Schweiz gehört zu den Ländern mit der grösstenHagelgefahr Europas. Gewitterstürme mit Hagel verur-sachen jährlich Schäden in zweistelliger Millionenhöhe(2003: 46 Mio Franken). Innerhalb der Schweiz ist dieGefahr von Hagelgewittern unterschiedlich gross. Amstärksten betroffen sind die Voralpengebiete beidseitsder Alpen (vgl. Fig. 2-28). Als Hagel werden Eiskörnermit einem Durchmesser grösser als 5 mm bezeichnet.Hagelgewitter sind regionale Ereignisse von hoher Nie-derschlagsintensität. Durch das grosse Volumen derHagelkörner kann die Aufnahmekapazität der Mess-geräte überschritten werden, was zu einer Verfäl-schung der Niederschlagsmessung führt.

Fig. 2-28: Gefahr von Hagel (Periode 1956–1999) (Quelle: Schweize-rische Hagel-Versicherungs-Gesellschaft).

Fig. 2-27: Mittlere Nebelhäufigkeit im Winterhalbjahr von 34 Sta-tionen (Periode 1970–1975) mit vereinfachter Zoneneinteilung (nachTROXLER & WANNER 2000).

Fig. 2-29: Hagelschäden in Aathal-Seegräben (ZH) am 12. August2004.

22

2.6 Niederschlag Schweiz – Europa– Welt

Die Schweiz wird oft als «Wasserschloss Europas» be-zeichnet. Das legt die Vermutung nahe, dass hier mehrNiederschlag fällt als in den umgebenden Ländern.Wie steht die Schweiz im europäischen und im globa-len Vergleich?

Niederschlag entsteht durch Abkühlung von relativwasserdampfreicher Luft. Die wichtigsten Wasser-dampfquellen sind die Weltmeere. Von dort werdendie feuchten Luftmassen durch atmosphärische Zirku-lationssysteme auch über die Kontinente transportiert,wo sie vor allem an den Gebirgsbarrieren wieder ab-regnen. Die niederschlagsreichsten Gebiete der Erdeliegen daher an den Kontinentalrändern in der Näheder Hauptverdunstungsquellen. Hohe Niederschlags-mengen im Innern der Kontinente können an Gebirgs-massiven und über Feuchtgebieten auftreten (vgl.Fig. 2-30).

Rekordniederschläge in der Schweiz erreichen bei Er-eignissen kurzer Dauer maximal die Hälfte der Weltre-kordmengen, über längere Zeiträume rund ein Viertel(vgl. Fig. 2-31). Das bedeutet allerdings nicht, dass inden Alpen keine höheren Niederschlagsintensitätenmöglich wären. Die Weltrekordmenge für die Dauervon drei Stunden von 635 mm wurde am 16.7.1913 inder Steiermark (Österreich) gemessen.

Innerhalb Europas nehmen die Gebirgsregionen undv.a. die Alpen eine Sonderstellung ein. Nicht weit vondrei Meeren (Atlantik, Mittelmeer und Nordsee) und inder Westwindzone gelegen, wird reichlich feuchte Luftgegen die Alpen geführt. Die hohen Niederschläge bil-den die Voraussetzung für ihren Wasserreichtum (vgl.Tab. 2-6). Doch erst der Anteil des Niederschlags, derzum Abfluss gelangt, entscheidet darüber, ob die Al-pen und damit die Schweiz der Bezeichnung «Wasser-schloss» gerecht werden (vgl. Kap. 10.3).

Erde Landflächen Europa Alpen

Niederschlag 973 746 780 1460

Tab. 2-6: Mittlere Jahresniederschlagsmengen in mm (Quellen:BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1990; MOUNTAIN AGENDA 1998).

Fig. 2-30: Globale Verteilung der Jahresniederschlagssummen 2003 (Daten: www.dwd.de).

Fig. 2-31: Vergleich beobachteter Niederschlagsrekorde: Schweiz –Welt (nach GEIGER et al. 1991).

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100

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23

2.7 Entwicklung und Aussichten

Die beobachtete Klimaänderung gibt Anlass zur Rück-und Vorausschau. Haben sich die Niederschlagsmen-gen im letzten Jahrhundert verändert und auf welchemüssen wir uns in Zukunft einstellen?

In der Schweiz wird vor allem im Winter eine signifi-kante Niederschlagszunahme gemessen (vgl.Fig. 2-32). In den übrigen Jahreszeiten und bei denJahressummen (vgl. Fig. 2-33) sind keine signifikantenTrends feststellbar. Verändert hat sich die Nieder-schlagsintensität und nicht die Anzahl niederschlags-bringender Wetterlagen. Zugenommen hat dagegendie Häufigkeit derjenigen Wetterlagen, die typischer-weise mit Hagelniederschlag verbunden sind (BADER &

KUNZ 1998). Eine leichte Zunahme zeichnet sich auchbei der Dauer von Trockenperioden ab. GesicherteTrends für das 20. Jahrhundert liegen bislang für diealpinen Stationen Davos und Säntis vor (MÜHLETHALER2004).

Für die Zukunft muss mit einem Anstieg der kontinen-talen Sommertrockenheit und der damit verbundenenDürregefahr gerechnet werden. Klimasimulationen(vgl. Fig. 2-34) zeigen, in welchen Regionen möglicher-weise eine Zu- oder Abnahme der mittleren Jahresnie-derschlagsmengen erwartet werden muss. Die für Eu-ropa berechnete Zunahme bei der mittleren Nieder-schlagsintensität und die Häufung intensiverer Tages-niederschläge können für die Schweiz zurzeit nochnicht bestätigt werden (OCCC 2003).

Fig. 2-34: Prozentuale Abweichung des mittleren Jahresnieder-schlags um 2050 vom Durchschnitt der Periode 1931–1980 bei einerverdoppelten CO2-Konzentration der Atmosphäre. Klimasimulationdes Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg (ECHAM1-T21/LSG-GCM) (nach www.proclim.ch).

Fig. 2-32: Signifikante Niederschlagsänderung für die Wintermonatewährend der Periode 1901–1990 (nach WIDMANN & SCHÄR 1997).

Fig. 2-33: Geglättetete Jahressummen der Niederschläge und lineare Trends ausgewählter Stationen. Schwach signifikante Zunahmen zeigendie Stationen Chaumont und Sion (Daten: MeteoSchweiz).

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

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Nie

ders

ch

lag

[mm

]

Sils-Maria (1802 m ü.M.)

Chaumont (1073 m ü.M.)

Lugano (273 m ü.M.)

Sion (482 m ü.M.)

Basel (316 m ü.M.)

24

25

KennziffernGrösste Neuschneemenge in 24 Stunden 160 cm Simplon (VS), 15.3.1980 Quelle: SLFGrösste je gemessene Schneehöhe 690 cm Grimsel Hospiz (BE), 3.5.1970 Quelle: SLFMittlere Anzahl Tage mit Schneedecke auf 500 m ü.M. 48 Tage Zürich Quelle: MeteoSchweizMittlere Anzahl Tage mit Schneedecke auf 2500 m ü.M. 287 Tage Weissfluhjoch (GR) Quelle: SLFMittlere Anzahl Schadenlawinen pro Winter 138 Quelle: SLFAnzahl Schadenlawinen im Jahr 1999 1200 Quelle: SLFGletscher in den Schweizer Alpen (1973/2000) ca. 2000 (registrierte Gletscher) Quelle: MAISCH et al. 1999, 2004Gletscherbedeckung der Schweiz (1850) 1800 km2 (4,4 % der Fläche der Schweiz) Quelle: MAISCH et al. 1999Gletscherbedeckung der Schweiz (1973) 1300 km2 (3,1 % der Fläche der Schweiz) Quelle: MAISCH et al. 1999Gletscherbedeckung der Schweiz (2000) 1050 km2 (2,5 % der Fläche der Schweiz) Quelle: MAISCH et al. 2004Gletscherschwund (1850–1973) 500 km2 Quelle: MAISCH et al. 1999Gletscherschwund (1850–2000) 750 km2 Quelle: MAISCH et al. 2004Gletschervolumen (1850) ca. 110 km3 Quelle: MAISCH et al. 2004Gletschervolumen (1973) ca. 75 km3 Quelle: MAISCH et al. 2004Gletschervolumen (2000) ca. 55 km3 Quelle: MAISCH et al. 2004Längster Gletscher (2003) 23,95 km Grosser Aletschgletscher Quelle: GK/SANW & VAW/ETHZ 2003Gletscherschwund im Jahr 2003 > 5 % (Volumen) Quelle: HAEBERLI et al. 2004

3.1 Bedeutung des Schnees

Weite Teile der Schweiz liegen während des Winter-halbjahres unter einer Schneedecke. Die festen Nieder-schläge bilden im Rahmen des Wasserkreislaufes einebedeutende temporäre Rücklage. Die Dauer dieserSpeicherung ist sehr unterschiedlich: Während derRückhalt im Mittelland vielleicht Wochen, Tage odergar nur Stunden anhält, dauert die Speicherung in denAlpen meist Monate. Im Hochgebirge kann der Schneezu festem Gletschereis umgeformt und so über Jahrehinweg gespeichert werden (vgl. Kap. 3.7).

Der Schnee beeinflusst den Lebensraum des Men-schen. Schneemassen können im Gebirge Verkehrswe-ge versperren und ganze Transitachsen lahm legen.Schneelawinen können Siedlungen gefährden, Strassenverschütten und auch am Schutzwald grosse Schädenanrichten. Andererseits ist eine geschlossene Schnee-decke eine wesentliche Voraussetzung für den Winter–tourismus. Zudem ist eine schützende Schneedecke imJahreszyklus vieler (Gebirgs-) Pflanzen überlebenswich-tig.

Der systematischen Messung des Schnees und seinerEigenschaften kommen vielfältige Bedeutungen zu.Mit langen Messreihen von Schneeparametern lassensich Aussagen über mittlere und extreme Verhältnissesowie über klimatische Veränderungen machen.Schneeuntersuchungen sind auch von praktischemNutzen etwa in der Wetterprognose, bei der Lawinen-warnung oder bei der hydrologischen Abflussmodel-lierung.

3.2 Entwicklung der Messnetze

Früheste Schneemessungen reichen bis ins 18. Jahr-hundert zurück. Mit der Zeit entwickelte sich ein Netzvon Stationen, von denen die längsten mittlerweileüber tägliche Schneemessungen von mehr als 100Jahren verfügen, so zum Beispiel die Station am Physi-kalisch-Meteorologischen Observatorium in Davos(1560 m ü.M.). Die Daten aller Stationen werden amEidgenössischen Institut für Schnee- und Lawinenfor-schung (SLF) gesammelt und ausgewertet.

Die Geschichte der Datenerhebung von Schneepara-metern ist stark mit der Entwicklung des SLF verbun-den. Im Herbst 1936 nahm ein siebenköpfiges For-scherteam in einer Holzbaracke auf dem Weissfluhjoch(Kt. Graubünden) seine Arbeit auf. Zur gleichen Zeitwurde die erste spezifisch forschungsbezogeneSchneemessstation auf dem Versuchsfeld des SLF et-was unterhalb der Bergstation der Davoser Parsenn-bahnen auf einer Höhe von 2540 m ü.M. eingerichtet.Mit dem Aufbau des Lawinendienstes der Armee An-fang der Vierzigerjahre folgten weitere Stationen wiez.B. Trübsee oder Andermatt.

1942 wurde das SLF offiziell gegründet und auf demWeissfluhjoch wurde ein Institutsgebäude errichtet.Der verheerende Lawinenwinter 1950/51, der in derSchweiz gegen hundert Todesopfer forderte, war An-lass, die Forschung praxisbezogen auszurichten. In derFolge wurde ein Messnetz mit Messstellen (MS) undVergleichsstationen (VG) errichtet. Die Daten dieserkonventionellen Stationen sind in den Winterberichten

3 Schnee und Eis

26

(SLF 1936–1998) publiziert. Zur Erhebung von Schnee-und Meteodaten aus abgelegenen und hochalpinenRegionen wurden zu Beginn der Neunzigerjahre in Zu-sammenarbeit mit MeteoSchweiz die ersten schnee-relevanten automatischen Stationen (ENET) entwickelt.Speziell für die Lawinenforschung wird seit 1996 dasIMIS-Messnetz (Interkantonales Mess- und Informati-onssystem, s. Fig. 3-1) eingerichtet.

Die Messdaten der verschiedenen Messnetze (vgl.Tab. 3-1 und Fig. 3-3) werden am SLF gesammelt, aus-gewertet, analysiert und archiviert. Im Weiteren wer-den Schneeparameter auch von kantonalen und pri-vaten Institutionen (z.B. Rhätische Bahn, Kraftwerke)erhoben.

3.3 Grundlagen bei der Erhebungvon Schneedaten

Den Schneemessungen liegt ein bei naturwissenschaft-lich Erhebungen allgemein übliches Messprinzip zu-grunde. Es geht im Wesentlichen darum, festzulegenwo (Station), wann (Zeit), was (Parameter) von rele-vanter Bedeutung ist. Für die Schneemessungen hatsich das nachfolgend kurz beschriebene System alsnützlich erwiesen. Mit den Kommunikationsmöglich-keiten der letzten Jahre sind die Messnetze zu Informa-tionssystemen ausgebaut worden (RUSSI et al. 2003).

3.3.1 Das Basisdreieck Station – Zeit –Parameter

Der Messnetzaufbau richtet sich im Wesentlichen nachden Wechselbeziehungen im Basisdreieck Station – Zeit– Parameter (vgl. Fig. 3-2). Anzustreben ist ein mög-lichst dichtes Messnetz, an dem in zeitlich kurzen Ab-ständen alle relevanten Parameter gemessen werden.

Fig. 3-2: Das Basisdreieck bei naturwissenschaftlichen Beobach-tungen.

StationStationStationStationStationen sind so anzulegen, dass sie ein möglichstgrosses Gebiet repräsentieren. Zum Beispiel sollte dieSchneeverfrachtung durch den Wind an der Messsta-tion möglichst ausgeschlossen werden können. Wich-tig sind ebenso ausgeglichene Strahlungs- und Ab-schattungsverhältnisse. Deshalb werden Schneemess-stationen nicht in Mulden oder auf Kuppen, sondern inwindgeschützten Flachfeldern installiert.

Man unterscheidet zwischen konventionellen (von ei-nem Beobachter betreuten) und automatischen (mitSensoren ausgerüsteten, autonomen) Stationen.

Fig. 3-1: IMIS-Schneestation im Unterwallis. Die Station «Donin duJour» (2390 m ü.M.) liegt im Vallée de la Sionne und ist seit 1998 inBetrieb.

Station Zeit

Parameter

27

Fig. 3-3: Karte der Schnee-Messstationen von MeteoSchweiz und SLF (Daten SLF).

55

06

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70

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10

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28

Da die konventionellen Stationen manuell betriebenwerden, ist ihre Lage an Siedlungen gebunden. Nurvereinzelt werden solche Messstationen im Hochgebir-ge in der Nähe von Bergbahnen und Kraftwerken un-terhalten. Speziell für die Lawinenprognose sind abermöglichst flächendeckende Schneeinformationen auchaus Höhenlagen und Expositionen der potentiellenHauptanrisszonen von Lawinen, also oberhalb vonrund 2000 m ü.M., von grosser Wichtigkeit. Mit derEntwicklung von zum Teil solarbetriebenen, automati-schen Messstationen im Hochgebirge, welche seit1993 die gemessenen Daten über Funk und Telefonübermitteln, konnten Lücken im Messnetz geschlossenwerden.

ZeitZeitZeitZeitAn den konventionellen Schneemessstationen werdendie Schneeparameter von Anfang Oktober bis EndeMai einmal täglich jeweils um ca. 8 Uhr gemessen. Seit1997 erfolgen an ausgewählten Stationen Zusatzmes-sungen um 13 Uhr. Die automatischen Stationen sinddauernd in Betrieb; ihre Messungen werden zu halb-stündlichen Mittelwerten zusammengefasst.

ParameterParameterParameterParameterDie beiden wichtigsten Parameter sind die Schneehöhe(HS) und der Schneeniederschlag in Form von Neu-schnee (HN). Zusätzlich werden weitere Parametergemessen etwa der Wasserwert des Neuschnees,Schnee- und Schneeoberflächentemperaturen, Schnee-beschaffenheit, Einsinktiefe, aber auch Lufttemperatur,Windgeschwindigkeit und -richtung, Luftfeuchtigkeitund Strahlung.

An den konventionellen Stationen werden ausserdemnach einem vereinfachten Code Wetterbeobachtungen

durchgeführt. Die festgestellten Lawinen werden erho-ben; eine Einschätzung der Lawinengefahr wird vorge-nommen und im vierzehntägigen Rhythmus wird einSchneeprofil untersucht.

3.3.2 Messgeräte und -methoden

Schneehöhe (HS)Schneehöhe (HS)Schneehöhe (HS)Schneehöhe (HS)Zur Bestimmung der Schneehöhe auf den konventio-nellen Stationen (MS, VG, KKS) eignen sich graduierteStangen oder Latten mit 1-cm-Einteilung, an welchendie Schneehöhe abgelesen werden kann (Pegelmes-sung). Dasselbe gilt für die ANETZ-Stationen von Me-teoSchweiz: Obwohl es sich um automatische Statio-nen handelt, werden die Schneeparameter hier ma-nuell abgelesen.

Die übrigen automatischen Stationen (IMIS, ENET)messen die Totalschneehöhe mittels der Laufzeit einesUltraschall-Wellenpaketes vom Sender, der lotrechtüber der Schneedecke montiert ist, zur Schneeoberflä-che und zurück (vgl. Fig. 3-1). Der mittlere Fehler be-trägt dabei 2 bis 3 cm.

Schneeniederschlag (HN)Schneeniederschlag (HN)Schneeniederschlag (HN)Schneeniederschlag (HN)Die Neuschneemenge wird mit dem Neuschneebretterhoben: Jeden Morgen erfolgt der Abstich mit demDoppelmeter. Anschliessend wird das Brett gereinigtund wieder auf die ungestörte Schneeoberfläche ge-legt. Aus der Differenz zweier Pegelablesungen darfnicht auf den Schneeniederschlag geschlossen werden,da die Neuschneeauflage eine nicht zu vernachlässi-gende Setzung der Gesamtschneedecke bewirkt. DieDirektmessung der Neuschneemenge an den automa-tischen Stationen ist noch nicht möglich.

Tab. 3-1: Messstationen mit Schneedaten von SLF und MeteoSchweiz (Stand 2004).

Netz AuflösungAnzahl

Stationen ParameterMS Messstelle (SLF) Tageswerte 35 Schneehöhe, NeuschneehöheVG Vergleichsstation (SLF) Tageswerte 78 Schneehöhe, Neuschneehöhe, Wasserwert des Neuschnees,

Wetterbeobachtungen, Schneeoberflächen- und Schnee-temperatur, Einsinktiefe, Oberflächenbeschaffenheit, Lawinen-beobachtungen und -beurteilung

IMIS Interkantonales Mess- undInformationssystem (SLF)

30-Minuten-Intervalle 71

ENET Automatische Station (SLF) 11

Schneehöhe, Luft- und Schneetemperatur, Schneeoberflächen-temperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung,Luftfeuchtigkeit, Strahlung

KKS Konventionelle Klimastation(MeteoSchweiz)

Tageswerte 26

ANETZ Automatisches Messnetz(MeteoSchweiz)

67

u.a. Schneehöhe, Neuschneehöhe

Total 288

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Wasseräquivalent der SchneedeckeWasseräquivalent der SchneedeckeWasseräquivalent der SchneedeckeWasseräquivalent der SchneedeckeVor allem für hydrologische Analysen interessiert dieFrage, wie hoch die Wassersäule einer Schneedeckewäre, wenn man den Schnee schmelzen würde. Diegebräuchlichste Methode zur Bestimmung des Was-serwertes ist der Schneeausstich mit einem Zylinder ausAluminium. Die Sondenrohre sind typischerweise 20bis 50 cm lang und haben eine Grundfläche von 20 bis70 cm2. Das Wasseräquivalent wird aus Volumen undGewicht des Schneeinhalts berechnet. Weitere Mög-lichkeiten zur Bestimmung des Schneewasserwertessind Druckkissen, Neutronensonden und umfassendeMikrowellensysteme.

SchneetemperaturenSchneetemperaturenSchneetemperaturenSchneetemperaturenDie Messung erfolgt mit einem Thermometer. DieSchneetemperatur wird 10 cm unter der Schneeober-fläche gemessen, wobei das Thermometer horizontaleingeführt und nach einer Anpassungszeit von rundeiner Minute abgelesen wird.

SchneeprofilSchneeprofilSchneeprofilSchneeprofilDie Beschreibung der Eigenschaften der Schnee-schichten in der Schneedecke sind vor allem für dieBeurteilung der Lawinengefahr und für schneehydro-logische Berechnungen von entscheidender Bedeu-tung. Aus diesem Grund werden von ausgebildetenBeobachtern alle 14 Tage sogenannte Schneeprofil-aufnahmen gemacht, welche aus einem Ramm- undeinem Schichtprofil bestehen.

Die Rammsonde liefert eine kontinuierliche Härtemes-sung über die gesamte Schneedecke. Da es sich dabeium eine Messung mit einem geeichten Messinstru-ment handelt, sind Rammprofile direkt und quantitativmiteinander vergleichbar.

Beim Schichtprofil muss ein Schneeschacht ausgeho-ben werden. An der lotrechten Profilwand werden diefolgenden Untersuchungen vorgenommen:

− Die Schneetemperaturen werden im obersten Meterjeweils in Abständen von 10 cm, darunter in Ab-ständen von 20 cm gemessen.

− Die Schichtgrenzen werden festgelegt. Dies ge-schieht entweder durch die Bezeichnung der sicht-baren Grenzen (Helligkeit, vgl. Fig. 3-4) oder auf-grund von Härte- und Konsistenzunterschieden.

− Jeder Schicht werden in codierter Form die Schnee-härte, die dominierende Kornform, der mittlereKorndurchmesser und die Feuchte zugeordnet.

− Der Wasserwert der Gesamtschneedecke wird ge-messen.

Mit dem neuentwickelten «SnowMicroPen» können dieSchichteigenschaften noch genauer bestimmt werden:Ein Stab mit Metallspitze wird langsam in den Schneegetrieben. Die für die Eindringtiefe von vier Mikrome-tern benötige Kraft wird gemessen und im Computerregistriert. Auch schwache, dünne Schichten, die fürdie Lawinenauslösung oft von grosser Bedeutung sind,können mit dem SnowMicroPen ausgeschieden wer-den (PIELMEIER 2003).

LawinenbeobachtungenLawinenbeobachtungenLawinenbeobachtungenLawinenbeobachtungenDie Beobachter melden die in ihrem Gebiet abgegan-genen Lawinen. Diese werden dabei morphologischund genetisch klassifiziert. Zudem sind geographischeund geometrische Angaben von Bedeutung. Die mor-phologische Lawinenklassifikation erfolgt nach eineminternationalen Codierschlüssel und unterscheidet zwi-schen mehreren paarigen Kriterien separat für Anriss-,Durchlauf- und Ablagerungsgebiet (UNESCO 1981). ImAnrissgebiet wird z.B. nach Lockerschnee- und Schnee-

Fig. 3-4: Durchscheinendes Schneeprofil. Die einzelnen Schnee-schichten sind gut sichtbar.

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brettlawinen unterschieden, je nach Aussehen der An-rissfront (vgl. Fig. 3-6 und Fig. 3-7).

Bei der genetischen Lawinenklassifikation ist die Be-schreibung der Bildungsbedingungen und deren Aus-wirkungen wichtig. Geographisch interessieren Höhen-lage, Exposition und Hangneigung der Lawinenab-gänge. Auch eine Umrisskartierung oder zumindestAngaben zu Länge und Breite können von Bedeutungsein.

LawinenbeurteilungLawinenbeurteilungLawinenbeurteilungLawinenbeurteilungAufgrund all dieser Messungen und Beobachtungenkann der Lawinenfachmann oder die Lawinenexpertin

die aktuelle Lawinengefahr beurteilen. Die Beurteilungerfolgt täglich. Dazu braucht es viel Erfahrung, dieman sich an Kursen und mit Übung aneignen kann.Die Gefahrenabstufung erfolgt nach einem einheitli-chen Schlüssel. In den Alpenländern existiert dazu einefünfstufige Lawinengefahrenskala (vgl. Fig. 3-5). Sie istseit 1993 im Einsatz und hat sich europaweit etabliert(STOFFEL & MEISTER 2004).

3.4 Modelle

Vereinfacht gesprochen dienen Modelle dazu, im obendargestellten Basisdreieck (vgl. Fig. 3-2) Lücken zu fül-len. Das heisst, mit Hilfe von theoretischen Überlegun-gen und Berechnungen sollen dort fehlende Daten er-gänzt werden, wo keine Messungen existieren. Auchfehlende Parameter können unter Zuhilfenahme vonphysikalischen Gesetzmässigkeiten theoretisch model-liert werden. Ziel ist es, möglichst flächen- und zeit-deckende Aussagen machen zu können. Im Folgendenwerden einige in der Schnee- und Lawinenforschungentwickelte Modelle kurz vorgestellt. Sie basieren alleauf der umfangreichen Datengrundlage der beschrie-benen Schneemessnetze.

3.4.1 SNOWPACK – das Schneedeckenmodell

Ähnlich wie heute die Wettervorhersage aufgrund vonnumerischen Rechenmodellen erstellt wird, entwickeltdas SLF Modelle, welche die Entwicklung der Schnee-decke beschreiben.

Fig. 3-5: Fünfstufige Lawinengefahrenskala (STOFFEL & MEISTER 2004).

Fig. 3-6: Mehrere feuchte Lockerschneelawinen mit punktförmigemAnriss unterhalb des Radüner Rothorns im Flüelagebiet.

Fig. 3-7: Trockene Schneebrettlawine mit scharfer Anrisskante beiPischa, Davos. Die Anrisshöhe beträgt bis zu 2,2 m.

Gefahren-stufe

Hinweise für das freie Schneesportgelände

1 gering

Allgemein günstige Verhältnisse. Extrem steile Hänge einzelnbefahren! Frische Triebschneeansammlungen in den extremenHangpartien meiden! Absturzgefahr beachten!

2 mässig

Mehrheitlich günstige Verhältnisse. Extrem steile Hänge der imBulletin angegebenen Expositionen und Höhenlagen sowiefrische Triebschneeansammlungen meiden! Sehr steile Hängevorsichtig und einzeln befahren!

3 erheblich

Teilweise ungünstige Verhältnisse. Erfahrung in derLawinenbeurteilung ist erforderlich! Unerfahrene bleibendeshalb auf der Piste oder schliessen sich einer professionellgeführten Gruppe an! Sehr steile Hänge meiden!

4 gross

Ungünstige Verhältnisse. Beschränkung auf mässig steilesGelände, Steilhänge meiden! Lawinenauslaufbereichebeachten (Fernauslösungen, spontane Lawinen)! Besser aufder Piste bleiben.

5 sehr grossSehr ungünstige Verhältnisse. Verzicht empfohlen. Unbedingtauf den markierten und geöffneten Pisten bleiben!

Steilhänge > 30°, sehr steile Hänge > 35°, extrem steile Hänge > 40°. DieEinteilung in die fünf Gefahrenstufen wird in den Alpen einheitlich verwendet.

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Die Schweiz ist in der komfortablen Lage, über eindichtes Messnetz zu verfügen, welches Wetter- undSchneeinformationen liefert. Allerdings kann der Zu-stand innerhalb der Schneedecke nicht automatischgemessen werden. Diese Informationslücke versuchtdas Schneedeckenmodell SNOWPACK (LEHNING et al.2002) zu schliessen, indem es ausgehend von denDaten der automatischen Stationen den Zustand derSchneedecke berechnet. Das Haupteinsatzgebiet liegtin der Verbesserung der Lawinenwarnung.

In Figur 3-8 ist als Beispiel die mit Hilfe des Modellsberechnete Entwicklung von Kornformen, Schnee-schichten und Schneedeckenstabilität an einer IMIS-Station dargestellt. Im oberen Teil der Abbildung sindin rot die Instabilitätsbereiche gekennzeichnet, die zurAuslösung eines Schneebretts führen können. Im un-teren Teil sind die Kornformen (codierte Signaturen)sichtbar.

SNOWPACK wird auch zur Beantwortung allgemeiner

ökologischer, klimatologischer, hydrologischer oder fürden Schneesport relevanter Fragestellungen eingesetzt.

3.4.2 AVAL-1D – dynamischeLawinenberechnung

Die umfangreichen Messungen auf den Beobachter-stationen bilden auch die Voraussetzung für die Fest-legung von Gefahrenzonen. Der Lawinenwinter 1999hat deutlich gezeigt, dass Siedlungsgebiete und Ver-kehrswege in den Schweizer Alpen der Gefahr von La-winen ausgesetzt sind (SLF 2000). Am SLF wurde da-her in den letzten Jahren intensiv an der Verbesserungder computergestützten Berechnung von Fliess- undStaublawinen gearbeitet (CHRISTEN et al. 2002).

Von entscheidender Bedeutung bei der Berechnungvon Lawinen sind die maximalen Schneedeckenzu-wachswerte. Auch der Wind, der den Schnee verfrach-tet und damit einen zusätzlichen Eintrag in potentielleAnrisszonen liefert, muss berücksichtigt werden.

Fig. 3-8: SNOWPACK-Darstellung: Zeitentwicklung und Profile von Schneedeckenstabilität und Schneearten auf der IMIS-Station Gatschiefer,Klosters, 2310 m ü.M. (aus LEHNING et al. 2002).

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Das eindimensionale LawinenberechnungsmodellAVAL-1D bewährt sich für solche Berechnungen seitseiner Einführung Ende 1999. Es ersetzt teilweise dasrund 50 Jahre alte Modell von VOELLMY (1955). MitAVAL-1D lassen sich die Fliesshöhe, die Geschwindig-keit und der Druck entlang der gesamten Lawinenbahnberechnen und die Auslaufdistanzen und die Massen-verteilung der Lawinenablagerung modellieren.

Da es sich bei Lawinen jedoch um flächige Prozessehandelt, stösst ein eindimensionales Modell bei gewis-sen Fragestellungen an Grenzen, beispielsweise:

− Wo genau fliesst die Lawine durch?− Wie breit ist die Lawine?− Welcher Teil der Lawine fliesst durch Couloir A, wel-

cher durch Couloir B?

Um solche Fragen besser beantworten zu können, wirdgegenwärtig am SLF das zweidimensionale Fliesslawi-nenmodell AVAL-2D entwickelt, das die genaue Fliess-bahn und die Breite der Lawine bis ins Tal hinunterebenfalls berechnet (vgl. Fig. 3-10).

Wesentliche Grundlagen für die Berechnung der Lawi-nenkenngrössen sind Geländeparameter (z.B. die

Fig. 3-9: Künstlich ausgelöste Staublawine am Walenstadterberg, Januar 2003.

Fig. 3-10: Nachrechnung einer Lawine mit AVAL-2D. Die Farbenzeigen die unterschiedlichen Fliessgeschwindigkeiten von 40 m/s(violett) bis zu 5 m/s (hellgelb) (aus CHRISTEN et al. 2002).

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Hangneigung), qualitative und quantitative Schneean-gaben (z.B. maximale Schneedeckenzuwachswerte,Schneedichten) und physikalische Stoffgesetze. Ziel istes auch, künstliche Hindernisse wie etwa Ablenkdäm-me ins Geländemodell zu integrieren und somit derenAblenkwirkung zu überprüfen.

3.4.3 NXD – Lawinenprognosemodelle

Operationelle, d.h. der aktuellen Situation angepassteVerwendung finden die Daten der Messstationen beiden Lawinenprognosemodellen. Das SLF hat dafür dasComputerprogramm «NXD-Lawinen» entwickelt, wel-ches die Beurteilung der Lawinengefahr in einem lokalbegrenzten Gebiet unterstützt. Das Modell hilft, Ent-scheidungen wie «Die Strasse bleibt offen» oder «DerLawinenzug muss durch künstliches Wegsprengen derSchneemassen gesichert werden» zu treffen.

Der Modellansatz beruht darauf, dass die aktuelleWetter- und Schneesituation mit denjenigen frühererJahre vergleichbar ist. Das Programm sucht ähnlicheSituationen aus der Datenbank heraus und listet dasdamals beobachtete Lawinengeschehen auf. Unter derAnnahme, dass die Lawinengefahrensituation am ak-tuellen Tag ähnlich ist wie an diesen «nearest neigh-bours», können direkt Massnahmen ergriffen werden.

Die Modellzuverlässigkeit steigt mit einer möglichstlangen Beobachtungsreihe und mit möglichst vollstän-digen Beobachtungen. Von primärem Interesse sindAnzahl und Grösse von Lawinen. Höhenlage undHangneigung weisen auf mögliche Gefahrenstellen hin(vgl. Fig. 3-11) (HEIERLI 2003). Die Lawinenverantwort-lichen können mit «NXD-Lawinen» ihre eigene Beur-teilung mit den aufgezeigten Lawinenereignissen ver-gleichen.

3.5 Schneehöhenverteilung in derSchweiz

Im Alpenraum fällt der Niederschlag oberhalb von2000 m ü.M. zu rund 80 Prozent als Schnee. DieSchneehöhenverteilung ist in der Schweiz sehr hetero-gen. Dabei spielen die regionalklimatischen Eigenhei-ten eine zentrale Rolle. Mit den langjährigen Messrei-hen der Schneemessstationen lassen sich klimatolo-gische Kenngrössen ausarbeiten, von denen einigewenige hier vorgestellt werden.

3.5.1 Schneebedeckungsdauer

An der Vergleichsstation Weissfluhjoch (2540 m ü.M.)werden schon seit fast 70 Jahren tägliche Schneemes-sungen vorgenommen. Während durchschnittlich 265Tagen ist auf dem Weissfluhjoch eine permanenteSchneedecke anzutreffen. Mit der relativ langen Zeit-reihe (vgl. Fig. 3-12) lässt sich anhand der übergreifen-den Mittelwerte kein Trend zu kürzeren Winterperio-den feststellen. Im Gegenteil, auf dieser Höhe sind dieWinter in den letzten Jahren generell etwas länger ge-worden als zu Beginn der Messungen. Markant anders

Fig. 3-11: Beispiel einer Auswertung mit NXD: Expositions-Höhen-Diagramm. Die Verteilung der Lawinenhäufigkeit in Abhängigkeitdes Sektors und der Höhe über Meer wird in diesem Diagrammersichtlich (aus HEIERLI 2003).

Fig. 3-12: Dauer der permanenten Schneedecke auf dem Weissfluh-joch (2540 m ü.M.) zwischen 1936 und 2004. 1940 meint dabeiden Winter 1939/40, mit dem Einschneien im Herbst/Frühwinter1939 und dem Ausapern im Frühling/Frühsommer 1940 (Daten:SLF).

200

250

300

350

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

An

zah

lTag

e

Langjähriger Mittelwert: 265 TageJahreswerteÜbergreifende Mittelwerte

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ist dies in tieferen Lagen. Dort nimmt die Schneebe-deckungsdauer ab. Allen Höhenlagen gemeinsam ist,dass die Schneebedeckungsdauer von einem Winterzum nächsten grossen Schwankungen unterliegt.

3.5.2 Abhängigkeit der Schneehöhe von derHöhe über Meer

Anhand des mittleren Zeitpunktes des Eintretens derwinterlich grössten mittleren Schneehöhe kann dieHöhenabhängigkeit gut nachgewiesen werden. In denGebieten unterhalb rund 1300 m ü.M. wird die grösstemittlere Schneehöhe im Februar erreicht, zwischen1500 und 1800 m ü.M. im März und oberhalb von1800 m ü.M. gar erst im April (vgl. Fig. 3-14).

3.5.3 Schneehöhenkarten

Schneehöhenkarten dienen als Grundlage für die La-winenwarnung und sind für touristische Aussagen be-züglich Schneesicherheit, für hydrologische Abfluss-modellierungen und für Klimadarstellungen wichtig.

Um von den Schneehöhen einzelner Stationen auf dieVerhältnisse im ganzen Gebiet zu schliessen, brauchtes eine modellhafte Umsetzung. Den Schneehöhen-karten liegt ein Modell zugrunde, das die regionalen,höhenabhängigen und zeitlichen Unterschiede derSchneebedeckung berechnet. Figur 3-13 zeigt diemittleren jährlichen Schneehöhen in der Schweiz alsMittelwerte der Monate November bis April.

Fig. 3-13: Mittlere Schneehöhen in der Schweiz (Wintermittel November bis April, 1983–2002) (nach AUER 2003).

Fig. 3-14: Lineare Abhängigkeit der Schneehöhe von der Höhe überMeer für die Monate November-April (nach AUER 2003).

0

50

100

150

200

250

300

350

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Höhe [m ü.M.]

November

Dezember

Januar

Februar

März

April

Sc

hn

ee

hö

he

[cm

]

35

Das Hochgebirge hebt sich als schneereiches Gebietdeutlich von den schneearmen Tälern und dem Mit-telland ab. Die mittlere Schneehöhe liegt im Mittellandunterhalb von 10 cm, während in Gebieten oberhalbvon 2000 m ü.M. Wintermittelwerte von mehr als100 cm erreicht werden.

3.5.4 Regionale Schneehöhenverteilung

Indem in Figur 3-15 die relativen Schneehöhen im Ver-gleich zum gesamtschweizerischen Mittel dargestelltwerden, kommen die regionalklimatologischen Unter-schiede in der Schneehöhenverteilung deutlich zur Gel-tung. Es lassen sich Gebiete erkennen, die im Vergleichzum Mittelwert überdurchschnittliche (positive Abwei-chungen, in blauer Farbe) oder unterdurchschnittliche(negative Abweichungen, in roter Farbe) Schneehöhenaufweisen.

Fig. 3-15: Regionalklimatologische Unterschiede in der Schnee-höhenverteilung (Abweichung vom gesamtschweizerischen Mittel)(nach AUER 2003).

Ein auffallend schneereicher Bogen erstreckt sich vomTessin über die Gotthard- und Grimselregion, dasGoms, die Zentralschweiz, die Glarner Alpen gegen dasToggenburg und den Alpstein. Weitere schneereicheGebiete sind das Prättigau, das Chablais im Unterwal-lis, das Saanenland sowie die Berner Voralpen. Regio-nen, deren Schneehöhen unter dem schweizerischenMittel liegen, sind die Bündner Südtäler, das Engadin,Mittelbünden und das Bündner Oberland, die Jung-frau- und die Aletschregion sowie das Wallis südlichder Rhone, also vor allem die inneralpinen Täler. EinBeispiel zeigt diese Unterschiede eindrücklich auf:Während in Grächen (VS) auf 1550 m ü.M. im

langjährigen Wintermittel nur etwa 21 cm Schnee lie-gen, beträgt das Wintermittel im mit 1510 m ü.M.ähnlich hoch gelegenen St. Antönien (GR) mit 62 cmfast das Dreifache.

3.6 Weitere Schwerpunkte deraktuellen Schneeforschung

Die Schneeforschung leistet einen wichtigen Beitragzur sicheren Nutzung der Berggebiete. Forschungsar-beiten in den Bereichen Schneesport, Schutzwald undPermafrost haben direkte Auswirkungen auf das Lebenund Arbeiten im Alpenraum.

3.6.1 Schneesport

Beim Gleiten auf Schnee wird durch ReibungswärmeSchnee aufgeschmolzen und es bildet sich eineSchmierung durch Wasser aus. Obwohl viel zum The-ma Reibung zwischen Ski und Schnee geforscht wor-den ist, bleiben wichtige Fragen unbeantwortet, bei-spielsweise diejenige der Menge und der Verteilungdes schmierenden Wassers. Ein Gemeinschaftsprojektvon SLF (Team Schneesport) und Partnern aus der In-dustrie untersucht das Phänomen der Ski-Schnee-Reibung. Aufgrund neuer Erkenntnisse können späterVerbesserungen am System Ski-Belag-Wachs vorge-nommen beziehungsweise neue Technologien zurOberflächenbehandlung von Skis gefunden werden.

Skipisten sind im Breiten- und Rennsport eine wesentli-che, wenn nicht entscheidende Grundlage für denWintersport. Ihre Erstellung und Pflege erfordert einen

Fig. 3-16: Mobile Wetterstation an der Weltcuppiste in St. Moritz(GR).

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grossen Einsatz an technischen Mitteln und ist mit ei-nem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Die For-schung am SLF im Bereich Schneesport hat zum Ziel,die Anforderungen an die Skipisten genau zu definie-ren sowie die Präparations- und Pflegemethoden zuoptimieren und weiter zu entwickeln (FAUVE et al.2002).

In Zusammenarbeit mit dem Schweizer Skiverbandwerden am SLF weitere Projekte verfolgt: Ein Projektuntersucht die Belagsstrukturen von Langlaufskis. DieStrukturen werden weiterentwickelt und für die unter-schiedlichen Schneearten optimiert. Dabei ist es wich-tig, dass bei den Feldtests alle Einflussparameter wieTemperatur, Strahlung, Schneehärte und Kornform derSchneeunterlage charakterisiert und analysiert werden.

3.6.2 Schutzwald

Dichter Wald kann an steilen Hängen Schneedeckeund Boden stabilisieren. Ohne diesen Schutz wärenweite Teile des Berggebietes nicht bewohnbar und Ver-kehrsachsen den Lawinen ausgesetzt (vgl. Fig. 3-17).

Der Schnee wird durch die Baumkronen aufgefangen,von wo er zurück in die Atmosphäre sublimiert odertropfen- und klumpenweise auf den Boden gelangt.Dadurch werden weit weniger instabile Schneeschich-ten gebildet als im Freiland. Zudem wirken das gemäs-sigte Waldinnenklima (wenig Wind) und die Stützungdurch stehende und liegende Stämme einer Lawinen-auslösung entgegen. Im offenen, lockeren Wald ist dieSchutzwirksamkeit hingegen reduziert.

Lawinen, die oberhalb der Waldgrenze anreissen, kön-nen den darunter liegenden Wald zerstören. Mit Hilfevon Langzeitbeobachtungen und Jahrringanalysenkann man Lawinenereignisse rekonstruieren und Infor-mationen über die Resistenz verschiedener Bäume ge-winnen.

Wald bietet nicht nur einen optimalen Schutz vor La-winen, sondern er leistet auch einen wertvollen Beitragbei der Regulation weiterer Naturgefahren wie etwaSteinschlägen, Erdrutschen oder Murgängen.

3.6.3 Permafrost

Böden, die ständig gefroren bleiben, werden als Per-mafrost bezeichnet. Permafrost ist in erster Linie überdie Temperatur definiert. Das Eis im Permafrost, dassich aus unterkühltem Wasser bildet, ist lediglich eineFolgeerscheinung. Dementsprechend gibt es auchtrockenen Permafrost, welcher kaum Eis enthält.

Permafrost erkennt man besonders gut, wenn er sichim Lockermaterial gebildet hat, das vom Eis in denPorenräumen auseinandergedrückt wird. Bei geneigterTopographie kriecht dieses Schutt-Eis-Gemisch lang-sam talwärts und bildet deutlich erkennbare Formen inder Landschaft (vgl. Fig. 3-18). Diese werden Block-gletscher genannt, obschon sie weder ihre Entstehungnoch ihr Verhalten mit Gletschern gemein haben.

Generell muss oberhalb der Waldgrenze mit Perma-frost gerechnet werden, aber erst ab einer Höhe von3000–3500 m ü.M. werden die Permafrostböden zu-

Fig. 3-17: Der wohl berühmteste Bannwald der Schweiz oberhalbAndermatt (UR).

Fig. 3-18: Aktiver Blockgletscher am Piz d’Err (GR), 2001.

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sammenhängend. Die Verbreitung von Permafrostwird vor allem durch die mittlere jährliche Lufttempe-ratur und die einfallende Strahlung bestimmt. Perma-frost umfasst rund 4 bis 6 % der Fläche der Schweiz,was etwa der doppelten Gletscherfläche entspricht(VONDER MÜHLL & KOORDINATIONSGRUPPE PERMAFROST1999). Die Hydrologie wird durch den praktisch un-durchlässigen Permafrostkörper wesentlich beeinflusst.Weiter bewirkt Permafrost eine Verzögerung bei derAusaperung. So findet die Schneeschmelze in Perma-frostgebieten etwa 15–20 Tage später statt.

Infolge steigender Temperaturen – die Untergrenze desPermafrosts ist in den letzten 100 Jahren um schät-zungsweise 150 bis 250 m angestiegen (BADER & KUNZ1998) – stellen Permafrostböden eine potentielle Ge-fahr für bewohnte Gebirgsgebiete dar. Permafrostzo-nen sind zudem als Baugrund problematisch (PHILLIPS2000). Befinden sich Lawinenverbauungen, Seilbahn-masten oder sogar ganze Seilbahnstationen auf dieserunstabilen Unterlage, müssen sie durch aufwendige Si-cherungsarbeiten saniert werden.

3.7 Gletscher

Die Gletscher und ihre Veränderungen sind wichtigeZeugen für den Nachweis gegenwärtiger klimatischerVeränderungen und vergangener Klimaschwankungen.Seit dem letzten Gletscherhochstand am Ende derKleinen Eiszeit um 1850 weichen die Gletscher in derSchweiz generell zurück. Zwischen 1850 und 2000verminderte sich dabei die Fläche um über 40 % unddas Volumen aller Gletscher um rund die Hälfte.

3.7.1 Messnetze

1874 wurde am Rhonegletscher (Fig. 3-19) mit Ver-messungsuntersuchungen begonnen. Seither findet inder Schweiz ununterbrochen Gletscherbeobachtung imSinne von wissenschaftlicher Grundlagenforschungstatt (MARTINEC et al. 1992). Das Schweizerische Glet-schermessnetz (vgl. Fig. 3-20) wird durch die Glaziolo-gische Kommission der Schweizerischen Akademie derNaturwissenschaften (GK/SANW, neu SCNAT) in Zu-sammenarbeit mit verschiedenen Hochschulinstituten(Abt. Glaziologie VAW-ETH Zürich, Geographisches In-stitut der Universität Zürich) betrieben. Es bezweckt dielangfristige Dokumentation und Erforschung der Glet-scherveränderungen in den Schweizer Alpen. 2003wurden 98 (von 120 im Messnetz erfassten) Gletschervermessen. Sämtliche Zungen zeigten einen deutlichenRückgang (http://glaciology.ethz.ch/swiss-glaciers/).

Innerhalb dieses Messnetzes werden rund ein DutzendGletscher zusätzlich bezüglich Massenänderung undGletscherbewegung untersucht. Weiter werden 84 ge-fährliche Gletscher der Schweiz, welche bereits Scha-denereignisse verursacht haben oder verursachenkönnten, in einem Inventar erfasst. 37 Gletscher wer-den jährlich oder bei Bedarf mittels Vermessungsflügenüberwacht (http://glacierhazards.ch).

3.7.2 Untersuchungsmethoden

Die Rekonstruktion ehemaliger Gletscherstände, dienoch während der letzten Eiszeit bis ins Alpenvorlandreichten (vgl. Fig. 3-24), erfolgt mit Hilfe von Morä-nenablagerungen. Für den Nachvollzug von histori-schen Hochständen werden auch alte Zeichnungen,

Fig. 3-19: Rhonegletscher mit Zugang zur Gletschergrotte(September 2004).

Fig. 3-20: Lage der 120 beobachteten Gletscher des SchweizerischenGletschermessnetzes (http://glaciology.ethz.ch/swiss-glaciers/) (nachMAISCH et al. 2004).

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Gemälde und Photographien beigezogen. Figur 3-21zeigt den Rhonegletscher in den Jahren 1856 und1998. Teile der Stirnmoräne des 1856er Standes kön-nen noch heute bei Gletsch gefunden werden.

Aktuelle Längenänderungen der Gletscher werden ausder Verlagerung des Zungenendes ermittelt. Fliessver-halten und Veränderungen der Eisdicke können vor Ortmittels Steinreihen und (genauer) mit Pegelstangen be-stimmt werden. Luftphotogrammetrisches Vermessender Oberfläche wird zur Bestimmung des Eisvolumen-schwundes in längeren zeitlichen Abständen einge-setzt.

Massenbilanzen von Gletschern werden mit Hilfe ver-schiedener methodischer Ansätze bestimmt, beispiels-weise mit dem glaziologischen oder dem hydrologi-schen Modell. Im glaziologischen Modell ergeben sichMassenänderungen als Bilanz über Zuwachs im Nähr-gebiet (Firnakkumulation) und Abtrag im Zehrgebiet(Eisablation). Im hydrologischen Modell wird die Mas-senänderung aus der Bilanz über Niederschlag, Abflussund Verdunstung im vergletscherten Einzugsgebietabgeleitet (MARTINEC et al. 1992).

3.7.3 Glaziale Prozesse

Die Gletscherfläche wird unterteilt in Nähr- und Zehr-gebiet (vgl. Fig. 3-22). Im höhergelegenen Nährgebietschmilzt im Sommer nicht der gesamte Schneezu-wachs des vergangenen Winters ab. Er wird laufend

mit Neuschnee zugedeckt und komprimiert. Die Um-wandlung von Schnee über Firn zu Eis dauert in denAlpen etwa 15 bis 20 Jahre (VEIT 2002). Im Zehrgebietdagegen schmilzt mehr Material ab als durch diewinterliche Schneezufuhr ersetzt werden kann (Eisab-lation). Bei ausgeglichener Massenbilanz ist die Flächeder Akkumulationszone am Ende der sommerlichenSchmelzperiode rund doppelt so gross wie jene derAblationszone.

Im Übergangsbereich von Nähr- und Zehrgebiet befin-den sich Akkumulation und Ablation im Gleichgewicht(Gleichgewichtslinie). Verschiebt sich die Gleichge-wichtslinie bergwärts, so schmilzt ein Gletscher ab.

Fig. 3-21: Rhonegletscher in den Jahren 1856 und 1998 (HOLZHAUSER & ZUMBÜHL 1999).

Fig. 3-22: Schematische Darstellung eines Gletschers (nach MAISCH etal. 1999).

Endmoränenvon 1850

Gletscherum 1850

Gleichgewichtslinie

Eisablation im Sommer

Firnakkumulationim Winter

Richtung des Eisflusses

Zehrgebiet Nährgebiet

Gletscher aktuell

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Verharrt sie mehrere Jahre auf einer tiefen, talwärtigenLage, so vermag ein Gletscher Masse zuzulegen, anzu-wachsen und mittelfristig vorzustossen.

Ob ein Gletscher vorstösst oder schwindet, wird gene-rell durch den Witterungsverlauf und insbesonderedurch folgende Faktoren massgeblich beeinflusst (vgl.dazu MAISCH et al. 1999):

− die Lufttemperatur,− die Luftfeuchtigkeit,− die Zufuhr von Schnee im Winter und− die direkte Sonneneinstrahlung.

In den schweizerischen Gletscherregionen liegen dieGleichgewichtslinien durchwegs oberhalb von2000 m ü.M. und – je nach Niederschlagsangebot –bei mittleren Jahrestemperaturen zwischen –4 und+1 °C (vgl. Fig. 3-23).

Fig. 3-23: Lage der Gleichgewichtslinie der schweizerischenGletscherregionen in Funktion von Temperatur und Niederschlag(Kryosphärenmodell) (nach MAISCH et al. 2004).

3.7.4 Resultate

Die seit Mitte des 19. Jahrhunderts feststellbare Erwär-mung (für die Schweiz: 1,0–1,6 °C im 20. Jh., OcCC2002) hat dazu geführt, dass die Gesamtvergletsche-rung in der Schweiz zwischen 1850 und 1973 vonrund 1800 km2 auf 1300 km2 abgenommen hat. Bisins Jahr 2000 hat sie sich um weitere 250 km2 verrin-gert. Dabei weisen grosse Gletscher im Allgemeinendeutlich geringere prozentuale Verluste auf als kleine(vgl. Tab. 3-2).

Parallel zum Flächenschwund in den Schweizer Alpenhat auch die Länge der Gletscher seit 1850 deutlichabgenommen. Je nach Grösse, Typ und Exposition desGletschers verlief der Längenschwund regelmässig,oder er war durch kurzfristige Vorstösse unterbrochen.

Nr. Gletscher 1850 1973 2000 1850–2000[km2] [km2] [km2] [%]

1 Grosser Aletsch 105,6 96,1 90,1 –14,7

2 Gorner 66,0 59,7 57,1 –13,5

3 Fiescher 37,4 34,2 31,3 –16,3

4 Unteraar 33,4 29,5 26,7 –20,1

5 Oberaletsch 26,6 22,8 19,8 –25,6

6 Unterer Grindelwald 23,2 20,8 19,3 –16,8

7 Findelen 20,0 17,4 17,0 –15,0

8 Corbassière 20,7 18,3 16,8 –18,8

9 Gauli 22,6 17,7 16,5 –27,0

10 Morteratsch 19,3 16,4 16,1 –16,6

11 Rhone 20,2 17,6 16,1 –20,3

12 Trift 19,3 16,6 16,0 –17,1

13 Zmutt 19,8 16,9 15,0 –24,2

14 Zinal 17,9 15,4 14,3 –20,1

15 Otemma 20,5 17,5 14,1 –31,2

16 Kander 16,0 13,9 13,2 –17,5

17 Hüfi 15,1 13,6 13,2 –12,6

18 Turtmann-Brunegg 15,0 12,8 11,5 –23,3

19 Mont Miné 12,5 11,0 10,3 –17,6

20 Arolla 16,4 13,2 9,8 –40,2

Tab. 3-2: Entwicklung der Flächenwerte der 20 grössten Gletscherzwischen 1850 und 2000 (Lage der einzelnen Gletscher s. Fig. 3-24)(MAISCH et al. 2004).

Fig. 3-24: Gletscherflächen in der Schweiz im Jahr 2000 (MAISCH etal. 2004) und während der letzten Eiszeit (vor ca. 20'000 Jahren,nach VEIT 2002). (Nummern der Gletscher s. Tab. 3-2.)

Ja

hre

sm

itte

ld

er

Lu

ftte

mp

era

tur

[°C

]

Hö

he

nla

ge

[mü

.M.]

Gleichgewichtslinien AlpennordseiteGleichgewichtslinien AlpensüdseiteStreubereich der GleichgewichtslinienGenerelle Lage der Gleichgewichtslinie

Mittlerer Jahresniederschlag [mm] (bezogen auf 2000 m ü.M.)

1600 3,8

2000 1,8

2400 –0,20° C2360 m ü.M.

2800 –2,2

3200 –4,2

3600 –6,2

4000 –8,2

0 1000 2000 3000 4000

40

In Figur 3-25 ist die Längenentwicklung des GrossenAletschgletschers und des Oberen Grindelwaldglet-schers dargestellt. Während die Gletscherzunge desallgemein träge reagierenden Aletschgletschers konti-nuierlich zurückschmolz, stiess der Obere Grindelwald-gletscher im Verlauf des 20. Jahrhunderts zweimaldeutlich vor, dies als Reaktion auf kurzfristig kühlere,gletschergünstigere Witterungskonstellationen.

Fig. 3-25: Entwicklung der Längenausdehnung von GrossemAletschgletscher und Oberem Grindelwaldgletscher 1894–2003(GK/SANW & VAW/ETHZ 2003).

Mehrere Wachstumsphasen in neuerer Zeit sind auchvom Findelengletscher (VS) bekannt. Während der be-deutendsten (1978–1986) ist dieser Gletscher rund250 m vorgestossen (IKEN 1995). In Figur 3-26 ist dieAusdehnung des Findelengletschers in den Jahren1850, 1973 und 2000 dargestellt. Seit dem Beginn der

Längenmessungen im Jahr 1885 hat sich die Gletscher-zunge um 1845 m auf eine Gesamtlänge von 7,8 km(2003) zurückgebildet (GK/SANW & VAW/ETHZ 2003).

3.7.5 Gletscher als Wasserspeicher

Gletscher sind kurz- und langfristig wirksame Wasser-speicher. Die im Sommer auch nach Abschluss derSchneeschmelze anhaltende Gletscherschmelze hat zurFolge, dass die Gebirgsbäche auch während längererTrockenperioden ausreichende Wassermengen führen.Das 1850 in den Schweizer Gletschern gespeicherteWasser (rund 107 km3 Eis) würde, gleichmässig überdie Schweiz verteilt, einer Wasserschicht von 2300 mmentsprechen. Dies bedeutet, dass zu diesem Zeitpunktgut 1,6 Jahresniederschläge als Gletschereis gespei-chert waren (vgl. Kap. 2). Bis 1973 sind davon 33 km3

Eis (entsprechend rund 700 mm Wasserschicht oderrund ein halber Jahresniederschlag) und bis ins Jahr2000 weitere knapp 20 km3 (entsprechend rund500 mm Wasser) abgeschmolzen. Allein in der Regiondes Grossen Aletschgletschers (vgl. Fig. 3-27) habensich seit 1850 rund 4 km3 Eis verflüssigt. Das im Glet-schereis gespeicherte Wasser entspricht – mit abneh-mender Tendenz – noch rund einem Sechstel des ge-samthaft in der Schweiz gespeicherten Wassers(MAISCH et al. 1999, 2004).

Fig. 3-26: Ausdehnung des Findelengletschers und seinerTeilgletscher 1850, 1973 und 2000 (nach MAISCH et al. 2004).

Fig. 3-27: Illustration des zwischen 1850 und 2001 abgeschmol-zenen Eiskörpers am Grossen Aletschgletscher.

N

1km0

Cimadi Jazzi

Torre di Castelfranco

Stockhorn

Strahlhorn

Rimpfischhorn

3530 m ü.M.

3800 m ü.M.

Findelenbach

18502120 m ü.M.

19732490 m ü.M.

20002520 m ü.M.

Zentrale Fliesslinie zur Bestimmung der Gletscherlänge

1850 1973 2000

Gletscherausdehnung

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Grosser Aletschgletscher

Oberer Grindelwaldgletscher

Ku

mu

lati

ve

Lä

ng

en

än

de

run

g[m

]

41

KennziffernMittlerer Jahresverdunstung Schweiz 484 mm (Berechnung aus Energiebilanz) Quelle: MENZEL et al. 1999Mittlere Nettostrahlung Schweiz 44 W/m2 Quelle: Z’GRAGGEN & OHMURA 2002Höchste Jahresverdunstung 1029 mm (Lago Maggiore) Quelle: MENZEL et al. 1999Verdunstungsgradient Schweiz -22 mm/100m (< 3000 m ü.M.) Daten: MENZEL et al. 1999Maximale Verdunstungswerte 7 mm/Tag Quelle: LANG 1978

4.1 Die Verdunstung – dasKühlsystem der Erde

Zur Verdunstung von Wasser wird weltweit mehr als80 % der von der Sonne eingestrahlten Energie benö-tigt. Dadurch wird die Erdoberfläche vor übermässigerErwärmung bewahrt.

4.1.1 Energiehaushalt

Die Sonne gibt Energie in Form kurzwelliger Strahlenab (Solarkonstante = 1366,5 W/m2). Da jeweils nur dieHälfte der Erde beschienen wird und da die Erde kugel-förmig ist, beträgt die mittlere solare Einstrahlung einViertel der Solarkonstanten, also 342 W/m2. Die Strah-lung wird in der Atmosphäre und an der Erdoberflächemehrfach reflektiert und umgewandelt. Letztlich stehtan der Erdoberfläche im globalen Mittel eine Netto-stahlung von 30 % der mittleren solaren Einstrahlungoder 102 W/m2 zur Verfügung (Z’GRAGGEN & OHMURA2002).

In der Schweiz beträgt die mittlere Nettostrahlung44 W/m2. Für die Erwärmung der Erdoberfläche undder unteren Luftschichten werden rund 20 % dieserEnergie verwendet, der Rest treibt über die Verdun-stung den Wasserkreislauf an (Z’GRAGGEN & OHMURA2002). Die Lufttemperatur an der Erdoberfläche istdamit stark von der Verdunstung abhängig. «Würdewährend einer sommerlichen Dürreperiode die Ver-dunstung infolge ausgetrockneter Böden auf Null ab-sinken, könnte sich theoretisch in unserem Alpenvor-land an einem sonnigen Tag die unterste Luftschichtbis 1000 Meter Höhe um etwa 10 Grad stärker erwär-men als bei optimalen Verdunstungsbedingungen.»(BADER & KUNZ 1998)

4.1.2 Verdunstung – Evapotranspiration

Verdunstung bezeichnet den Übergang des Wassersvom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand.Als unsichtbares Gas wird der Wasserdampf von derLuft aufgenommen. Der maximale Wasserdampfgehaltder Luft ist stark temperaturabhängig (vgl. Fig. 4-1).

Die Verdunstung (Evapotranspiration) umfasst die Ver-dunstung von unbelebten Oberflächen (Evaporation)und die Verdunstung durch Pflanzen (Transpiration).

Fig. 4-1: Maximaler Wassergehalt der Luft in Abhängigkeit derTemperatur.

Aus der Nettostrahlung an der Erdoberfläche kann diemaximal mögliche Verdunstung direkt abgeleitet wer-den.

mit: ETM Maximal mögliche Verdunstung [mm]N Nettostrahlung [W/m2 = J/(m2·s)]t Zeit [s]rv Verdunstungswärme des Wassers

[2,446 · 106 J/kg bei 20 °C]

Figur 4-2 zeigt die aus der Nettostrahlung berechnetemaximal mögliche Verdunstung. An tiefer gelegenenund südexponierten Stellen treten Werte von über1000 mm auf. Die auffällige Abnahme der Nettostrah-lung und damit der Verdunstung mit der Höhe ist inerster Linie eine Folge der Schneebedeckung. Schnee-bedeckte Flächen reflektieren im Mittel 71 % der ein-fallenden kurzwelligen Strahlung, apere Flächen dage-gen weniger als 20 %. Oberhalb von ca. 3000 m ü.M.fällt die Jahresenergiebilanz schliesslich negativ aus.

4 Verdunstung

vrtN

ETM⋅

=

Temperatur [°C]

Wassserd

am

pfg

eh

alt

[g/m

]3

-60 -40 -20 0 20 40 600.01

0.1

1

10

100

42

Während des Tages treten aber auch hier Zeitabschnit-te mit positiver Nettostrahlung und damit Verdun-stung auf (vgl. Fig. 4-9).

Fig. 4-2: Aus der Nettostrahlung (Periode 1984–1993) abgeleitetemaximal mögliche Jahresverdunstung; Mittelwert für die Schweiz:600 mm (nach Z’GRAGGEN & OHMURA 2002).

4.1.3 Potentielle und reale Verdunstung

Bei optimalen Feuchteverhältnissen an der Erdoberflä-che wird die Verdunstung im Rahmen der zur Verfü-gung stehenden Energie vom Zustand der Atmosphärebestimmt. Sie wird als potentielle Verdunstung be-zeichnet; ihre Höhe wird verstärkt durch:

− ein hohes Feuchtedefizit der Luft,− Wind und− Luftdruck.

Die effektiv verdunstete Wassermenge (reale oder ak-tuelle Verdunstung) wird zusätzlich durch das verfüg-bare Wasserangebot limitiert und liegt in den meistenFällen unter den potentiellen Verdunstungwerten (vgl.Fig. 4-3). Praktisch identisch sind aktuelle und potenti-elle Verdunstungshöhen über Gewässern.

Die reale Verdunstung wird weitgehend von Bodenbe-deckung und Bodenwassergehalt bestimmt. UnbelebteOberflächen trocknen nach Niederschlägen rasch ab,die Verdunstung geht stark zurück und die Erwärmungnimmt zu. Auf pflanzenbedeckten Flächen kann dieaktive Verdunstung (Transpiration) den Rückgang beider Evaporation ausgleichen, wenn der Boden genü-gend pflanzenverfügbares Wasser enthält. Waldflä-chen weisen höhere Transpirationsleistungen auf alsWiesenstandorte (vgl. Fig. 4-8). In der Schweiz erreicht

die reale Verdunstung im Jahresmittel rund 80 % dermaximal möglichen Verdunstung und beträgt 484 mmpro Jahr (MENZEL et al. 1999).

Fig. 4-3: Reale und potentielle mittlere Jahresverdunstung für dasEinzugsgebiet Thur – Andelfingen (Periode 1993–1994) (nach GURTZ

et al. 1997).

4.2 Verdunstung messen

Die direkte Messung des effektiv verdunsteten Wassersist nur für kleine Versuchsflächen möglich. Die potenti-elle Verdunstung kann mit einfachen Geräten erfasstwerden. Zur Messung der aktuellen Verdunstung müs-sen Testbodenkörper mit natürlicher Vegetation in dieMessvorrichtung eingebaut werden.

4.2.1 Messung der potentiellen Verdunstung

Geräte zur Messung der potentiellen Verdunstung er-möglichen die Verdunstung unter kontrollierbaren Be-dingungen. Probekörper (Atmometer und Evapometer)messen das von feuchten Oberflächen, Evaporimeterdas von freien Wasserflächen verdunstende Wasser.

Ein Evaporimeter (Class A Pan) wird weltweit als Stan-dardgerät der World Meteorological Organization(WMO) zur Erfassung der Verdunstung eingesetzt (vgl.Fig. 4-4). Das Gerät besteht aus einem Kessel mit122 cm Durchmesser und einer Randhöhe von 25 cm.Die Verdunstung wird über die gleichzeitige Messungvon Wasserstand (in Fig. 4-4 mittels Ultraschallgerät)und Niederschlag bestimmt. Da diese MessgeräteFeuchteinseln in einer normalerweise trockeneren Um-gebung darstellen (Oaseneffekt), ist die gemesseneVerdunstung im Mittel zu hoch. Die Class A Pan ist zu-dem der vollen Sonneneinstrahlung ausgesetzt, wasmeist eine Erwärmung gegenüber der Umgebung be-deutet. Die gemessenen Verdunstungswerte müssendeshalb mit einem «Kesselkoeffizienten» (um 0,75)korrigiert werden (BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1990).

0

500

1000

1500

2000

2500

0 200 400 600 700500

Verdunstung [mm]H

öh

en

stu

fen

[mü

.M.]

100 300

Reale Verdunstung

PotentielleVerdunstung

43

Tho

rnth

wai

te(1

948)

Pen

man

(19

48)

Hau

de

(195

8)

Turc

(19

61)

Prim

ault

(19

62)

Pen

man

-Mo

nte

ith

(Mo

nte

ith

198

1)

TemperaturStrahlungLuftfeuchteWeitereZeitintervall M S T T > 5 T S

Fig. 4-4: Evaporimeter (Class A Pan) mit Niederschlagsmesser Ott-Pluvio (Hintergrund) im hydrologischen Testgebiet Rietholzbach (SG)der ETHZ.

4.2.2 Messung der realen Verdunstung

Für die Messung der Evapotranspiration (E) unter an-nähernd natürlichen Bedingungen werden Versicke-rungsmesser (Lysimeter) eingesetzt. Ein Lysimeter be-steht aus einem Bodenmonolithen mit natürlicherVegetation, bei dem die Wasserflüsse kontrolliert wer-den können (vgl. Fig. 4-5, Fig. 4-6). Über die Kontrolleder Gewichtsänderungen (δS) und die Messung vonNiederschlag (P) und Sickerwasserabfluss (R) kann dieexakte Wasserbilanz ermittelt werden (E = P – R – δS).Die Messung mittels Lysimeter gilt als genaueste Me-thode zur Bestimmung der realen Verdunstung.

Fig. 4-6: Lysimeter und zwei bodeneben installierte Niederschlags-messer (Hintergrund) im hydrologischen Testgebiet Rietholzbach(SG) der ETHZ.

4.3 Verdunstung berechnen

Die potentielle Verdunstung einzelner Punkte oderganzer Gebiete wird aus den verdunstungsrelevantenmeteorologischen Messgrössen berechnet. Der klassi-sche Weg zur Bestimmung der realen Verdunstungführt über die Wasserbilanz ganzer Einzugsgebiete.Mit Wasserhaushaltsmodellen kann die reale Verdun-stung sowohl für kleine Flächen als auch für grosseEinzugsgebiete berechnet werden.

4.3.1 Berechnung der potentiellenVerdunstung

Die potentielle Verdunstung kann mit empirischenFormeln annähernd bestimmt werden. In Tabelle 4-1sind die nötigen Parameter einiger ausgewählter For-meln dargestellt. Je kürzer das berechnete Zeitintervall,

Fig. 4-5: Querschnittsskizze durch das Lysimeter der ETHZ im hydro-logischen Testgebiet Rietholzbach (SG) (nach www.iac.ethz.ch).

Tab. 4-1: Messgrössen zur Bestimmung der potentiellen Verdun-stung (Zeitintervall: M = Monat, T = Tag, S = Stunde).

44

desto mehr Informationen müssen bekannt sein.HAUDE (1958) z.B. berechnet die mögliche Verdun-stung eines Tages aus dem Feuchtedefizit um 14 Uhr.

mit: ETP Potentielle Evapotranspiration [mm/d]k Jahreszeitlicher Koeffizient [mm/hPa]

E14 Sättigungsdampfdruck um 14 Uhr [hPa]e14 Effektiver Dampfdruck um 14 Uhr [hPa]

E14 – e14 Feuchtedefizit um 14 Uhr [hPa]

4.3.2 Berechnung der realen Verdunstung

Die mittlere Jahresverdunstung ist als Restglied aus derWasserbilanz berechenbar (vgl. Kap. 10). Dabei ad-dieren sich aber die Fehler bei der Bestimmung dereinzelnen Wasserhaushaltskomponenten zum Ge-samtfehler, was in einzelnen Regionen zu beträchtli-chen Fehlabschätzungen führen kann (SCHÄDLER &WEINGARTNER 2002b). Vor allem die Unsicherheiten beider Bestimmung der Niederschläge und der unterirdi-schen Abflüsse aus Karstgebieten stellen grosse Fehler-quellen dar.

Entsprechend der beeinflussenden Faktoren (vgl.Kap. 4.1) muss bei der Berechnung der realen Verdun-stung der naturräumliche Zustand des Zielgebiets be-rücksichtigt werden. Mit speziellen Computerpro-grammen können Einzugsgebiete modelliert undrelevante physikalische Prozesse simuliert werden. Dieresultierenden Verdunstungskarten (vgl. Fig. 4-9) er-möglichen eine hydrologische «Neuinterpretation» derWasserbilanzmethode (vgl. Kap. 10.2).

4.4 Verdunstungsverhältnisse

Die guten Ausgangsdaten lassen Modellierungen ho-her räumlicher Auflösung (< 1 km2) für das gesamteGebiet der Schweiz zu. Diese erlauben detaillierte Aus-sagen zur horizontalen und vertikalen Verteilung derjährlich rund 470 mm verdunstenden Wassers.

4.4.1 Jahresverdunstung

Die in Kapitel 4.1 besprochenen Prozesse führen dazu,dass die Verdunstung als einzige Grösse der Wasserbi-lanz mit zunehmender Höhe abnimmt (vgl. Fig. 4-7).Zusätzlich wird die Verdunstung im Gebirge, unge-achtet der tendenziell höheren Niederschlagsmengen,oftmals durch das Wasserangebot limitiert. Flachgrün-

digere Böden und hohe Gefällewerte führen dazu, dassweniger Wasser gespeichert werden kann.

Fig. 4-7: Mittlere Jahresverdunstung der einzelnen Höhenstufen undlinearer Verdunstungsgradient, berechnet für das Gebiet der Schweiz(Daten: MENZEL et al. 1999).

Die Höhenabhängigkeit der Verdunstung bestimmtauch das Kartenbild (vgl. Fig. 4-9). Daneben fallen be-sonders die hohe Verdunstung der Seeflächen und diegrossen Unterschiede innerhalb kurzer Distanzen auf.Diese hohe räumliche Variabilität ist durch die jeweiligeBodenbedeckung bedingt (vgl. Fig. 4-8). In Nord-Süd-Profilen kann die Variabilität der Verdunstung weiterdifferenziert werden. Die tiefste mittlere Jahresverdun-stung in Profil 1 (Fig. 4-9) wird für die Gipfelregionender Alpen und den Siedlungsraum Bern errechnet. Diehöchsten Werte in Profil 2 sind auf die Verdunstungdes Zürichsees und des Lago Maggiore zurückzufüh-ren.

Fig. 4-8: Mittlere Jahresverdunstung von Flächen unterschiedlicherBodenbedeckung (Periode 1973–1992) (nach MENZEL et al. 1999).

)e(EkETP 1414 −⋅=

–22m

m/100

m

0–200

401–600

801 0–100

1201–1400

1601 00–18

2001 00–22

2401 00–26

200 400 600 800 1000

Verdunstung [mm]

Hö

he

ns

tufe

n[m

ü.M

.]

2801 00–30

0

200

400

600

800

1000

Wald

Gew

ässe

r

Land

- und

Alpwirt

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ft

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gun

d

Indu

strie

Verd

un

stu

ng

[mm

]

Felsfläch

en

Verke

hrsfläch

en

Eis-un

d

Firnflä

chen

45

Fig. 4-9: Karte der mittleren jährlichen aktuellen Verdunstungshöhen (Periode 1973–1992) mit zwei Profilschnitten (Daten: Menzel et al.1999).

0

300

600

900

1200

Verd

un

stu

ng

[mm

]

150

450

750

1050N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

La Sorne Aare (Grenchen) Aare (Bern) Simme (Oberwil) Simme (Lenk) Le Rhône

Profil 1

Relief

Jahresverdunstung geglättet

Jahresverdunstung(600.000/259.000) (600.000/85.900)

0

300

600

900

1200

Verd

un

stu

ng

[mm

]

150

450

750

1050N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

VorderrheinMuota Ticino MaggiaRhein Zürichsee

Profil 2

Relief

Jahresverdunstung geglättet

Jahresverdunstung(700.000/285.000) (700.000/108.700)

46

4.4.2 Verdunstung im Jahresverlauf

Figur 4-10 zeigt den Jahresverlauf der Tagesverdun-stung auf drei Flächen mit unterschiedlicher Bodenbe-deckung. In den Wintermonaten erfolgt von den land-wirtschaftlich genutzten Flächen im Mittelland prak-tisch keine Verdunstung. Während der Hauptwachs-tumsphase der Vegetation in den Monaten April/Maisteigen die Tageswerte dann aber stark an; ab Juli neh-men sie wieder ab. Waldflächen verdunsten währendder meisten Zeit erheblich mehr Wasser als landwirt-schaftlich genutzte Flächen. Im Winter liefert die Eva-poration von feuchten Oberflächen den Hauptteil derVerdunstung.

Fig. 4-10: Beispiele für mittlere tägliche Verdunstungshöhen ver-schiedener Oberflächen (nach MENZEL et al. 1999).

Für einen regionalen Überblick werden Flächen miteinheitlicher Landnutzung verglichen. In Figur 4-12 istdie Verdunstung von Waldgebieten der Höhenzonezwischen 800 und 1000 m ü.M. aus verschiedenenLandesteilen zusammengefasst. Sommerliche Spitzen-werte erreichen die Wälder im östlichen Mittelland.

Dagegen ist die Transpiration der Waldflächen im Jura,im Kanton Graubünden und im Tessin während desSommers eingeschränkt, ein Hinweis auf die ver-gleichsweise ungünstigen Bodenverhältnisse. Im Win-terhalbjahr ist die Waldverdunstung aufgrund der Kli-mabedingungen im Tessin am höchsten.

Fig. 4-12: Mittlere tägliche Verdunstungshöhen von Waldflächen(Höhenlage 800–1000 m ü.M.) in verschiedenen Regionen (Periode1973–1992) (nach MENZEL et al. 1999).

4.4.3 Trend im 20. Jahrhundert

Bei den Verdunstungswerten im 20. Jahrhundert ist ei-ne signifikante Zunahme festzustellen (vgl. Fig. 4-11).Obschon Modellrechnungen für das Einzugsgebiet derThur eine weitere Zunahme der Verdunstung von rund12 % im 21. Jahrhundert erwarten lassen, sollten dar-aus keine einfachen Beziehungen der Art «höhereMitteltemperaturen bedeuten mehr Verdunstung» ab-geleitet werden (GURTZ et al. 1997).

Fig. 4-11: Mittlere Jahresverdunstung für das Gebiet der Schweiz im 20. Jahrhundert (Daten: B. SCHÄDLER, BWG).

1

3

J F M A M J J A S O N D

Verd

un

stu

ng

[mm

]

4

2

GraubündenZentralschweiz

Jura

TessinBerner Oberland / WaadtlandÖstliches Mittelland

0

Gleitender Mittelwert (tiefpassgefiltert)Linearer Trend (signifikant)mittlere Jahressummen

100

200

300

400

500

600

700

1900 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

0

Verd

un

stu

ng

[mm

]

1910 1920

1

3

J F M A M J J A S O N D

Verd

un

stu

ng

[mm

]

4

2

Fels (Wallis)

Wald (Ajoie)

Landwirtschaft(Mittelland)

47

KennziffernMittlere Jahresabflusshöhe Schweiz (1961–1990) 991 mm Quelle: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002aMittlere Jahresabflussspende Schweiz (1961–1990) 31 l/s·km2 Quelle: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002aMittlere Jahresabflussmenge Schweiz (1961–1990) 1297 m3/s Quelle: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002aGrösster gemessener Abfluss 5090 m3/s Rhein – Basel, 1999 Quelle: BWGLängste Abflussmessreihe ab 1808 Rhein – Basel Quelle: SIGRIST 1988

5.1 Abfluss messen

Mit Messungen an fest installierten Messstationen undEinzelmessungen an temporären Standorten erhebendie Landeshydrologie, einige Kantone, Forschungsin-stitutionen und Private Wasserstände und Abflüsse. BeiHochwasser werden die Spitzenabflusswerte bestimmt,in Trockenperioden die Minimalabflüsse erfasst. Dabeikommen entsprechend der unterschiedlichen Gewäs-sertypen und der grossen Variationsbreite der Mess-werte verschiedenartige Messgeräte und -methodenzum Einsatz.

5.1.1 Wasserstand und Abfluss

Das Ziel der Abflussmessung in einem Fliessgewässerbesteht darin, die in einem Zeitintervall von einer Se-kunde durch einen ausgesuchten Querschnitt fliessen-de Wassermenge zu bestimmen (vgl. Fig. 5-1).

Aus praktischen Überlegungen setzt man vielfach diebei unterschiedlicher Wasserführung gemessenen Ab-flussmengen in Beziehung zum jeweiligen, an einemPegel beobachteten Wasser- resp. Pegelstand. DieseBeziehung wird als Abflusskurve bezeichnet (vgl.Fig. 5-2).

Ist die Abflusskurve einmal aufgestellt, so sind nurnoch periodisch weitere Abflussmengenmessungendurchzuführen, um die Abflusskurve zu verifizierenund eventuelle Änderungen feststellen zu können. MitHilfe der Abflusskurve kann die abgeflossene Wasser-menge zu jedem beliebigen Zeitpunkt aus dem beob-achteten Wasserstand bestimmt werden.

Fig. 5-2: Erläuterungsskizze Abflusskurve: Beziehung zwischenAbfluss und Pegelstand (nach LH 1982).

5.1.2 Messung des Wasserstands

Es werden sowohl nichtregistrierende als auch regi-strierende Messeinrichtungen eingesetzt. Heute wer-den zunehmend Geräte mit elektronischer Datenerfas-sung installiert. Übermittlung und Bearbeitung derDaten können so praktisch nahtlos an die Messung an-schliessen. Bestehende mechanische Registriergerätewie Limnigraphen mit Schwimmer können durch einDigitalisiergerät (Winkelcodierer, vgl. Fig. 5-6) ergänztwerden.

Bei der ältesten Art der Wasserstandsmessung wird dieHöhe des Wasserspiegels an einer fest installierten Pe-gellatte abgelesen. Lattenpegel (s. Fig. 5-3) werden jenach Form und Beschaffenheit der Flussufer und derStrömungsverhältnisse in Messschächten, Ufernischen,an Messstegen oder direkt an Ufermauern und Bö-schungen befestigt.

5 Abfluss

Fig. 5-1: Erläuterungsskizze Abflussmessung: Wassermenge, welchepro Sekunde durch den Messquerschnitt fliesst (LH 1982).

Abflussmenge [m /s]3

Eingepasste Abflusskurve

Ergebnisse von Abflussmessungen

Peg

els

tan

d[m

]

48

Hochwassergrenzwertpegel (s. Fig. 5-4 und Fig. 5-17)messen nur den höchsten Wasserstand während einesHochwassers. Sie werden vorwiegend bei Wasserüber-fällen installiert. Die Messungen erlauben eine Ab-schätzung des Abflusses mit hydraulischen Berechnun-gen. Im Innern des unten geöffneten Rohrs ist einMassstab installiert, auf dem ein wasserlösliches Farb-band klebt. Das während eines Hochwassers ins Rohreinströmende Wasser wäscht die Farbe ab, so dassspäter der höchste Wasserstand abgelesen werdenkann.

Die kontinuierliche Aufzeichnung des Pegels erfolgtmit Schwimmern, hydrostatischen Messgeräten oderRadar. Die berührungslos messenden Radareinrichtun-gen (vgl. Fig. 5-5) bieten den Vorteil, dass kein Einbauins Wasser erforderlich ist. Geräte und Messungenwerden nicht durch Treibholz, Geschiebe etc. beein-trächtigt. Sehr weit verbreitet sind weiterhin pneumati-sche Anlagen und Pegel mit Schwimmern (s. Fig. 5-6).Installation und Betrieb dieser Messgeräte sind ver-gleichsweise aufwendig. Die Messstellen sollten bei al-len Wasserständen repräsentativ und gleichzeitig vorBeeinträchtigungen durch Pflanzen, Geschiebe etc.möglichst geschützt sein.

Fig. 5-5: Pegelmessung mit Pulsradar, Alp – Einsiedeln (SZ).Fig. 5-3: Lattenpegel, Riale di Pincascia – Lavertezzo (TI).

Fig. 5-4: Hochwassergrenzwertpegel (Skizze aus KAN 2002). Fig. 5-6: Pegel mit Schwimmerregistriergerät, Inn – St. Moritz Bad(GR).

49

5.1.3 Messung des Abflusses

Eine breite Palette von Messgeräten steht für die ma-nuelle bis elektronische Messung des Abflusses zurVerfügung.

Hydrometrische Flügel (s. Fig. 5-7) sind die meistver-wendeten Messgeräte. Gemessen wird die Fliessge-schwindigkeit über dem gesamten Flussquerschnitt.Aus vielen Einzelmessungen kann die pro Zeiteinheitabgeflossene Wassermenge berechnet werden (vgl.Fig. 5-1). Der Flügel wird vom Ufer oder von einemMesssteg aus an einer Stange oder am Seil eingesetzt.Seilflügelanlagen ermöglichen den Einsatz da, wo an-dere Installationen zu aufwendig oder alternativeMessmethoden zu gefährlich sind. Analog zur Flügel-messung erfolgt die Messung mit dem magnetisch-induktiven Messgerät (s. Fig. 5-8).

Der «Acoustic Doppler Current Profiler» (ADCP, vgl.Fig. 5-9) ist ein Messgerät neuester Messtechnologie.Vier Akustiksensoren messen die Wassertiefe, die inte-grale Fliessgeschwindigkeit über die Tiefe und die Ver-schiebung des Gerätes relativ zur Flusssohle. Die Ein-satzmöglichkeiten sind dieselben wie beim hydrometri-schen Flügel. Da das Messgerät aber nicht unter Was-

ser getaucht werden muss und schnellere Messungenerlaubt, ist es bestens für die Messung von Hochwas-sern geeignet.

Mit dem Tauchstab nach Jens (s. Fig. 5-10) kann dieFliessgeschwindigkeit in kleinen Fliessgewässern inte-grierend über die Wassertiefe erfasst werden. Messun-

Fig. 5-7: Hydrometrischer Flügel an einer Seilflügelanlage.

Fig. 5-8: Magnetisch-induktives Messgerät.

Fig. 5-9: Trimaran-Schwimmkörper mit Akustik-Doppler-Messgerät(ADCP).

50

gen mit dem Tauchstab erreichen im Allgemeinennicht die Genauigkeit von Flügelmessungen; sie bedeu-ten aber eine grosse Einsparung an Zeit, Personal undMaterial.

Fig. 5-10: Jensstab: Aus dem Wasserdruck auf den Stab kann diemittlere Fliessgeschwindigkeit abgeleitet werden.

Bei der Abflussbestimmung mit Hilfe der Verdün-nungsmethode (s. Fig. 5-11) wird dem Fluss eine ge-nau bestimmte Menge eines Markierstoffes (Tracer)beigegeben. Als Tracer werden vor allem Salz und fluo-reszierende Stoffe verwendet. Anhand der flussabwärtsgemessenen Konzentration kann die zur Verdünnungbenötigte Wassermenge berechnet werden. Je nachMethode erfolgt die Berechnung direkt nach Abschlussder Messung oder aber erst später im Labor.

Künstliche Einbauten wie z.B. Venturikanäle oder Über-fälle (vgl. Fig. 5-12 und Fig. 5-18) erzeugen im Fliess-gewässer einen Fliesswechsel, so dass der Abfluss zumWasserstand in einer eindeutigen Beziehung steht. DieAbflussmenge kann hier direkt aus dem Wasserstandabgeleitet werden.

5.1.4 Messstationen

Die schweizerischen Abflussmessnetze umfassen heuterund 200 Stationen des Bundes, 300 kantonale Statio-nen an kleineren Gewässern und 30 Stationen Privater(vgl. Fig. 5-20). Nebst den permanent messenden Ab-flussstationen werden an 107 Hochwassermessstatio-nen die Grenzwertpegel nach grösseren Hochwassernabgelesen (vgl. Fig. 5-17). Aufbau und technische Aus-rüstung von Abflussmessstationen sind an das jeweili-ge Gewässer angepasst (vgl. Beispiele Seite 51). Umbei Flüssen mit grossen Schwankungen in der Wasser-führung auch tiefe Wasserstände messen zu können,wird nach Möglichkeit eine Niedrigwasserrinne einge-baut (s. Fig. 5-13 und Fig. 5-14).

Fig. 5-11: Verdünnungsverfahren: Einspeisung eines Fluoreszenztra-cers mit der Mariott’schen Flasche.

Fig. 5-12: Künstlicher Überfall, Massa – Blatten (VS).

51

Fig. 5-13: Messstation Goneri – Oberwald (VS)Messung Wasserstand RadarMessung Abfluss Flügel(mit Niedrigwassergerinne)

Fig. 5-14: Messstation Orbe – Le Chenit (VD)Messung Wasserstand SchwimmerMessung Abfluss Flügel(mit Niedrigwassergerinne)

Fig. 5-15: Messstation Aare – Bern (BE)Messung Wasserstand Pneumatische PegelmessungMessung Abfluss Flügel an Seilflügelanlage

Fig. 5-16: Messstation Gürbe – Burgistein (BE)Messung Wasserstand Pneumatische PegelmessungMessung Abfluss Flügel

Fig. 5-17: Messstation Bütschlibach – Bumbach (BE)Messung Wasserstand HochwassergrenzwertpegelMessung Abfluss Hydraulische Berechnung

Fig. 5-18: Messstation Rotenbach – Plaffeien (FR)Messung Wasserstand SchwimmerMessung Abfluss Dreiecküberfall, volumetrisch

52

5.1.5 Messnetze

Die systematische Beobachtung der Wasserstände anSeen und Flüssen in der Schweiz beginnt mit derGründung der Schweizerischen HydrometrischenKommission 1863. Die ursprünglich reinen Wasser-standsmessungen wurden mit der Zeit durch die Be-stimmung der Abflussmengen ergänzt. In der zweitenHälfte des 20. Jahrhunderts wurde das eidgenössischeMessnetz durch kantonale und private Stationen we-sentlich erweitert (vgl. Fig. 5-19 und Fig. 5-20). Diekantonalen Stationen erfassen in erster Linie kleinereFliessgewäser (durchschnittliche Einzugsgebietsgrösse26 km2), während das Messnetz der Landeshydrologiealle grösseren Flüsse abdeckt (durchschnittliche Ein-zugsgebietsgrösse 210 km2). Fig. 5-21 zeigt die aktuellin Betrieb stehenden Stationen des eidgenössischenMessnetzes.

Fig. 5-19: Entwicklung der Abflussmessnetze von Bund, Kantonenund Privaten bis ins Jahr 2000 (nach KAN 2002).

5.1.6 Messfehler

Die Genauigkeit der Abflussmessung ist vom Gewäs-sertyp, der Messstation, der Messmethode und demMessgerät abhängig. Normalerweise sind Messungenbei Mittelwasserabfluss genauer als bei Hochwasser-abfluss. Der totale zufällige Fehler der Abflussmessung(fQ) mit dem hydrometrischen Flügel kann mit Hilfe derFormel

abgeschätzt werden. Bei einem Fluss mit natürlichemGerinne und Mittelwasserabfluss können für eine Mes-sung mit Messflügel beispielsweise die folgenden Ein-zelfehler angenommen werden:

fV : Fehler an der mittleren Fliessgeschwindigkeit imMessquerschnitt in Funktion der Anzahl Vertika-len XfV = ± 3 % bei X = 20

fB : Fehler bei der Bestimmung der Lage der Mess-vertikalenfB = ± 1 %

fT : Fehler bei der Bestimmung der Wassertiefe inden MessvertikalenfT = ± 1 %

fE : Fehler bei der Bestimmung der Geschwindigkeitin einem Messpunkt (vm)fE = ± 4 % bei vm = 0,5 m/s, Messdauer 1 min

fp : Fehler in der mittleren Fliessgeschwindigkeit inder Vertikalen in Funktion der Anzahl Mess-punkte pro Vertikalefp = ± 2 % bei 5-Punkt-Methode

fC : Fehler an der mittleren Fliessgeschwindigkeit inAbhängigkeit von der Eichung des MessflügelsfC = ± 1 %

Dies ergibt einen totalen zufälligen Fehler vonfQ = ± 3,2 % für das gewählte Beispiel. Bei der Hoch-wassermessung kann der Messfehler in Abhängigkeitder örtlichen Verhältnisse weit höher sein.

Fig. 5-20: Messnetze im Jahr 2000 (nach KAN 2002).

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2BX

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200

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Eidgenössische StationenKantonale StationenPrivate Stationen

53

Fig. 5-21: Karte der eidgenössischen hydrometrischen Stationen (Daten BWG).

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650

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54

5.2 Abfluss schätzen

Wo nicht gemessen werden kann, wird versucht, denAbfluss zu schätzen.

5.2.1 Abschätzung von langjährigenMonatsmitteln des Abflusses

Vielfach werden zur Bestimmung von monatlichenAbflussmengen in ungemessenen Gebieten Regressi-onsbeziehungen verwendet. Die Messung und Aufbe-reitung der entscheidenden klimatischen Grössen bie-tet im Gebirge jedoch auch heute noch derart grosseSchwierigkeiten, dass ein solches Verfahren nicht zuempfehlen ist. Deshalb wurde eine Methode entwik-kelt, welche die Abschätzung der Monatsmittel desAbflusses (MQ (Monat)) aufgrund der Abschätzungder mittleren jährlichen Abflüsse (MQ (Jahr)) und derBestimmung des Abflussregimes bzw. der Pardé-Koef-fizienten (vgl. Abschnitt 5.3.2) ermöglicht. In Figur5-22 ist das Vorgehen dargestellt. Die Bestimmung derjährlichen mittleren Abflüsse erfolgt mit den Regressi-onsbeziehungen, welche in ASCHWANDEN (1985) be-schrieben sind. Die Pardé-Koeffizienten (PK) derschweizerischer Gewässer sind in ASCHWANDEN & WEIN-GARTNER (1983) dargestellt. Das Verfahren und allenotwendigen Unterlagen finden sich in WEINGARTNER &ASCHWANDEN (1992).

5.2.2 Abschätzung von Hochwasserabflüssen

Eine mögliche Gliederung der Hochwasserabschätz-verfahren, die sich primär an der Verfügbarkeit dervorhandenen Abflussdaten und an den Gebietskennt-nissen orientiert, ist in Figur 5-23 dargestellt.

Liegen in einem Einzugsgebiet Abflussmessungen vor,können diese mit Hilfe der Extremwertstatistik ausge-wertet werden. Beispielsweise kann aus den jährlichenHochwasserspitzen mit Hilfe von empirischen undtheoretischen Verteilungsfunktionen die Über- undUnterschreitungswahrscheinlichkeit eines Hochwasser-abflusses bestimmt werden. Dabei ist wie folgt vorzu-gehen:

− Bereitstellung einer möglichst genauen und homo-genen Messreihe der jährlichen Hochwasserspitzen.

− Wahl der Verteilungsfunktionen und des Parameter-schätzverfahrens.

− Darstellung der empirischen Verteilung der Stich-probenwerte und der Verteilungsfunktionen. Be-rechnung der Vertrauensintervalle für unterschiedli-che Signifikanzniveaus.

Figur 5-24 zeigt das Resultat einer Extremwertstatistikder jährlichen Hochwasserspitzen von 1972–2002 ander Station Necker – Mogelsberg. Als analytische Ver-teilungsfunktion wurde die Allgemeine Extremwert-verteilung gewählt und die Parameterschätzung er-folgte mithilfe der Momentenmethode. Für dieBerechnung des Vertrauensintervalls wurde ein Signifi-kanzniveau von 90 % gewählt. Im Allgemeinen solltenAbschätzungen nicht weiter als bis zur dreifachenDauer der Beobachtungsperiode (hellgelber Bereich)gemacht werden. Aus der Extrapolation ergibt sich einHQ50 (Hochwasserabfluss, der im Mittel über eine lan-ge Zeitperiode alle 50 Jahre auftritt) von 327 m3/s.

Fig. 5-22: Vorgehen bei der Abschätzung von langjährigen Monats-mitteln des Abflusses (WEINGARTNER & ASCHWANDEN 1992).

Untersuchungsgebiet

Unterliegerstation vorhanden Unterliegerstation nicht vorhanden

Regionszugehörigkeit festlegen

Inneralpine ZoneAlpennordseite Alpensüdseite

Jura

Übertragung Abflussspende Abschätzung aufgrund vonregional differenziertenRegressionsbeziehungen

MQ (Jahr)

Regimezugehörigkeit feststellen

Wahl eines Repräsentativgebietes aufgrundnaturräumlicher und klimatischer Kenngrössen

Übertragung der Pardé-Koeffizienten (PK)auf das Untersuchungsgebiet

i

Berechnung der monatlichen Abflussmengen

MQ (Monat) = PK · MQ (Jahr)i i

Informationen aus Tabellen

Informationen aus der Regimekarte

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55

Fig. 5-23: Einordnung der Abschätzverfahren für Hochwasserabflüsse (SPREAFICO et al. 2003).

Fig. 5-24: Extrapolation der jährlichen Hochwasserspitzen an der Station Necker – Mogelsberg (Periode 1972–2002) (Daten: BWG).

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Wahrscheinlichkeits-verteilung (AllgemeineExtremwertverteilung mitParameterschätzverfahrenMomentenmethode)

90% Vertrauensintervall

JahresspitzenabflüsseMöglicher Extrapolationsbereich

Hochwasserabschätzung

NeinJa

Ja

Abflussmessungen?

Niederschlags-messungen/

-informationen?

Niederschlags-messungen?

Lange Abfluss-messreihen?

Gebietskenntnis?

Nein

Ja

Nein

Nein

Ja

Ja

Nein

Gering

Gross

LangeNiederschlags-messreihen?

ZeitlicheExtrapolation desAbflusses

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Black-Box-Modelle

White- und Grey-Box-Modelle

Typ «Regression,Hüllkurven u.a.»

Typ «RationalFormula u.a.»

Extremwertstatistik Niederschlag-Abfluss-Modelle Regionale Übertragung

56

Nach heutigem Ermessen wird der Necker aufgrunddes Vertrauensintervalles wahrscheinlich einmal in 50Jahren zwischen 240 und 420 m3 Wasser pro Sekundeführen.

Die Verfahren der Niederschlag-Abfluss-Modelle trans-formieren einen Niederschlag rechnerisch in einen Ab-fluss. Je nach Detaillierungsgrad, mit dem die physika-lischen Prozessabläufe abgebildet werden, unterschei-det man zwischen Black-Box-, Grey-Box- und White-Box-Modellen. Da für ihren Einsatz meist umfassendeInformationen über das Einzugsgebiet und hochaufge-löste Messwerte (Meteorologie und Abfluss) benötigtwerden, sind N-A-Modelle in vielen Fällen keine Alter-native zu den Verfahren der regionalen Übertragung.

Die Verfahren der regionalen Übertragung nutzen be-kannte Zusammenhänge zwischen der hydrologischenZielgrösse und verschiedenen Gebietskenngrössen ausden Bereichen Klima, Topographie, Boden, Geologieund Bodennutzung.

Zum Beispiel ist in Figur 5-25 der Zusammenhang zwi-schen den höchsten, in der Schweiz beobachteten Ab-flüssen und der Fläche des jeweiligen Einzugsgebietesdargestellt. Mit der daraus abgeleiteten Regressionsbe-ziehung lassen sich aufgrund der Einzugsgebietsflächedie Schwankungen der Hochwasserabflüsse zu etwa70 % erklären. Die verwendeten Hochwasserbeobach-tungen stammen aus der ganzen Schweiz. Durch dasAusscheiden von Regionen mit ähnlichem Hochwas-serverhalten (vgl. Fig. 5-26) kann die grosse landschaft-liche Heterogenität besser berücksichtigt werden, sodass der Erklärungsgehalt der Regressionen in einzel-nen Regionen auf über 90 % steigt.

Das auf diesen Grundlagen basierende Hochwasserab-schätzmodell GIUB’96 (WEINGARTNER 1999) ergibt trotzdes einfachen Aufbaus vergleichsweise sehr gute Re-sultate (vgl. Fig. 5-27). Von zehn untersuchten Model-len beurteilt BARBEN (2003) nur vier Modelle als «gutgeeignet», darunter zwei Versionen von GIUB’96. Al-lerdings kann kein Hochwasserabschätzverfahren in je-dem Fall zuverlässige Ergebnisse garantieren. Allenfallssind zusätzlich detaillierte prozessorientierte Untersu-chungen für die Abschätzung notwendig.

Fig. 5-25: Die höchsten in der Schweiz bis 1990 beobachteten Ab-flüsse (nach WEINGARTNER 1999).

Fig. 5-26: Hochwasserregionen der Schweiz und Lage der beobach-teten Hochwasserabflüsse aus Fig. 5-25 (nach KAN 1995).

Fig. 5-27: Güte der Abschätzung 100jährlicher Hochwasserspitzenmit dem Modell GIUB’96 (Fn). Die Farben zeigen die Abweichungder Modellwerte von den aus Messergebnissen extrapolierten Refe-renzwerten in %. Mehr als die Hälfte der Abschätzungen darf als gutbetrachtet werden (grüne Gebiete) (nach BARBEN 2003).

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57

Die Wahl der Abschätzverfahren wird durch verschie-dene Fragen beeinflusst:

− Wofür wird die Hochwasserschätzung benötigt?− Welche Hochwassergrösse (Spitze, Volumen, ...) ist

mit welcher Genauigkeit gesucht?− Welche Messstationen und Messungen sind im Ge-

biet vorhanden?− Wie gross ist das Einzugsgebiet?− Wieviel Zeit und Geld sind für die Abschätzung ver-

fügbar?

Um die Abschätzung von Hochwasserabflüssen in derPraxis zu erleichtern, wurde eine Praxishilfe mit der Be-schreibung ausgesuchter Modelle erarbeitet (SPREAFICOet al. 2003). Für die Anwendung der Modelle in klei-nen (unter 10 km2) und mittelgrossen Gebieten (10–500 km2) stehen zwei benutzerfreundliche Computer-programme zur Verfügung (vgl. Fig. 5-28).

5.2.3 Abschätzung von Niedrigwasserabflüssen

In der Schweiz sind zahlreiche Oberflächengewässerdurch verschiedenste wasserwirtschaftliche und bauli-che Eingriffe beeinflusst (vgl. Kap. 5.4). Die wachsendeBevölkerung und deren Bedürfnisse und Ansprücheführen zur vermehrten Nutzung der Ressource Wasser.Dem steht die Anforderung gegenüber, die Wasser-vorräte nur soweit zu nutzen, als dies ökologisch ver-tretbar ist. Befürchtungen, welche – angesichts dro-hender Klimaveränderungen – von einer Zunahme derHäufigkeit hydrologischer Extremsituationen ausgehen,haben das Interesse am Niedrigwasser im Hinblick aufmögliche Szenarien der Bewirtschaftung und desSchutzes endgültig geweckt.

Niedrigwasser können mit verschiedenen Kenngrössenbeschrieben werden (z.B. NMxQ = niedrigster mittlererAbfluss über x Tage innerhalb eines Niedrigwasserjah-res). Der Gesetzgeber hat sich für die AbflussmengeQ347 entschieden, ein statistisch zu ermittelnder Wert,welcher standardmässig in hydrologischen Jahrbü-chern veröffentlicht wird. Das Gewässerschutzgesetz(GSchG, Art. 4) definiert Q347 als «Abflussmenge, die,gemittelt über 10 Jahre, durchschnittlich während 347Tagen des Jahres erreicht oder überschritten wird unddie durch Stauungen, Entnahmen oder Zuleitungenvon Wasser nicht wesentlich beeinflusst ist». Diese De-finition impliziert, dass

1. die Abflussmenge Q347 aus Messungen hergeleitetwird,

2. die Wasserführung nicht wesentlich beeinflusst seindarf, und lässt

3. die zeitliche Fixierung der Beobachtungsperiodevorerst unbeantwortet.

Fig. 5-28: Hauptbildschirm (oben) und Ergebnisdiagramm (unten)des Hochwasser-Abschätzprogramms HQx_meso_CH für Gebietevon 10–500 km2.

Fig. 5-29: Dauerlinie der Station Sense – Thörishaus (Periode 1986–1995) und Anzahl Tage pro Kalenderjahr, an denen der Dekadenmit-telwert Q347 von 2.3 m3/s unterschritten wird (nach ASCHWANDEN &KAN 1999).

Q347

2,3

Überschreitungsdauer [%]

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1986 1988 1990 1992 1994

Verteilung der massgebenden Niedrigwassertage

Jahr

An

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347

100

58

Die Abflussmenge Q347 wird mit Hilfe einer Dauerkurve,auch Dauerlinie oder Summenhäufigkeitsverteilung ge-nannt, ermittelt. Sie entspricht der Wassermenge, diein 95 % aller Fälle erreicht oder überschritten unddementsprechend in nur 5 % der Fälle unterschrittenwird (vgl. Fig. 5-29). Figur 5-31 zeigt auf, dass das Q347

einzelner Jahre massiv über oder unter dem Dekaden-mittelwert liegen kann.

Wenn keine oder zu kurze Messreihen vorliegen, mussQ347 geschätzt werden. Bundesstellen erlassen hierzufachtechnische Weisungen. Die Landeshydrologie hatVerfahren für die Grobabschätzung der AbflussmengeQ347 entwickelt und diese zusammen mit dem BUWALpubliziert (ASCHWANDEN & KAN 1999, BUWAL 2000).Als Praxishilfe wurde eine Karte der Q347 entwickelt. Fi-gur 5-30 beschreibt die Vorgehensweise bei der Ab-schätzung.

Fig. 5-30: Anleitung zur Bestimmung der Abflussmenge Q347 (nach ASCHWANDEN & KAN 1999).

Fig. 5-31: Dauerlinien der Station Urnäsch – Hundwil (AR) (Daten:BWG).

330

100

1000

10000

100000

0 50 100 150 200 250 300 350

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Anzahl Tage mit entsprechendem Mindestabfluss 347

1962–2002 (Beobachtungsperiode)

1984–1993 (Standardperiode)

1999 (feuchtes Jahr)

Abflussmenge Q347

1962 (trockenes Jahr)

Berechnung Q aus Dauerlinie347

Bestimmung aufgrund vonAbflussmessungen

Datenanalyse

- Länge der Datenreihe?

- Natürliche Abflussverhältnisse?

- Rekonstruktion möglich?

- Zusatzmessungen notwendig?

Rekonstruktion

Kurzzeitmessung

Beurteilung der Messperiode

Q als Grundlage für die Bestimmung vonRestwassermengen (Art. 21 GSchG)

347

Grobabschätzung Q347

Verfeinerung durch:

- Verwendung der Messwerte von Unterliegern

- Messkampagnen

- Regionale Mittelwerte

- Statistische Verfahren

- Weitere Verfahren

Plausibilitätsprüfung

Schätzwert Q347

(Ausschnitt aus A & K 1999)SCHWANDEN AN

59

5.3 Abflussverhältnisse in derSchweiz

Bedingt durch die natürlichen Variabilitäten könnendie Abflüsse von Jahr zu Jahr und von Gebiet zu Gebietsehr verschieden sein. Dennoch ergeben sich Regel-mässigkeiten in Verbindung mit der Höhe des Ein-zugsgebietes.

5.3.1 Jährliche Abflussmengen

54'460 Mio m3 Wasser verlassen die Schweiz pro Jahr.13'575 Mio m3 sind zuvor aus dem Ausland zugeflos-sen; die restlichen 40'885 Mio m3 entsprechen dem ei-gentlichen Abfluss aus dem Gebiet der Schweiz (Peri-ode 1961–1990) (SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a).

Der mittlere Jahresabfluss aus der Schweiz beträgt oh-ne Zuflüsse 1296 m3/s (vgl. Tab. 5-1). Gleichmässig aufdie Einzugsgebietsfläche von 41'285 km2 verteilt ent-spricht das einer 991 mm hohen Wasserschicht. DieAbflusshöhe wird als anschauliche Masseinheit beimVergleich von Gebietsabflüssen verwendet.

Figur 5-32 zeigt die Gebietsabflüsse aus den schweize-rischen Bilanzierungsgebieten.

Flussgebiet Fläche Abflusshöhe Abfluss[km2] [mm/a] [m3/s]

Rhein 27'823 952 840Rhone 7691 910 222Ticino 3352 1458 155Inn 1818 964 56Adda 475 1360 20Adige 126 836 3Schweiz 41'285 991 1296

Tab. 5-1: Mittlere Jahresabflüsse aus den schweizerischen Flussgebie-ten (Periode 1961–1990) ohne Zuflüsse aus dem Ausland (SCHÄDLER

& WEINGARTNER 2002a).

Die abflussreichsten Gebiete entlang des Alpenhaupt-kamms erreichen Abflusshöhen von über 2000 mm.Weniger Abfluss erzeugen die inneralpinen Täler unddas Mittelland. Entlang des Juras und im Norden derSchweiz sinken die Abflüsse auf unter 300 mm proJahr.

Fig. 5-32: Mittlere jährliche Gebietsabflüsse der Periode 1961–1990 (nach SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a).

60

5.3.2 Saisonale Verteilung der Abflüsse

Anhand der saisonalen Verteilung lässt sich der kom-plexe Prozess der Abflussbildung nachvollziehen. Beiden Flüssen, deren Einzugsgebiet grossteils im Gebirgeliegt, wird das Abflussverhalten von Akkumulation undSchmelze des Schnees oder Gletschereises geprägt.Das Abflussminimum der Massa (VS) (mittlere Gebiets-höhe 2945 m ü.M.) z.B. liegt im Winter, wenn dergrösste Teil der Niederschläge gespeichert wird; dieAbflussspitze mit hohem Schmelzwasseranteil wird imSommer erreicht (vgl. Fig. 5-33, links). Der Abfluss derVenoge (VD) (mittlere Gebietshöhe 700 m ü.M.) dage-gen geht während der Sommermonate – trotz tenden-ziell höherer Niederschläge – kontinuierlich zurück. DieUrsache dafür liegt im gesteigerten Wasserbedarf derVegetation. Im Frühling, wenn sich die abflussverstär-kenden Prozesse (hohe Niederschläge, Schmelzwasser-

beitrag, kleine Verdunstung) überlagern, erreicht derAbfluss sein Maximum (vgl. Fig. 5-33, rechts).

Die monatlichen Abflüsse unterliegen im saisonalenVerlauf charakteristischen Schwankungen, die durchdie sogenannten Abflussregimes beschrieben werden(WEINGARTNER & ASCHWANDEN 1992). 16 Regimetypenumfassen die ganze Bandbreite der schweizerischenFliessgewässer. Eingipflige Regimes sind typisch fürden Alpenraum, wo Schnee und Eis den saisonalenGang dominieren. Mehrgipflige Regimes zeigen denwechselnden Einfluss von Schnee, Niederschlag undVerdunstung. Sie sind typisch für Einzugsgebiete nörd-lich der Alpen unterhalb von rund 1500 m ü.M. Aufder Alpensüdseite werden die klimatischen Besonder-heiten durch vier eigene Regimetypen beschrieben. DasAbflussregime längerer Flüsse kann zwischen Quelleund Mündung mehrmals wechseln (vgl. Fig. 5-34).

Fig. 5-33: Monatliche Verteilung der Tagesmittel des Abflusses und höchste Abflussspitzen (nach BWG 2003).

Fig. 5-34: Ausschnitt aus der Karte der Abflussregimes (nach WEINGARTNER & ASCHWANDEN 1992).

0,1

1

10

100

J F M A M J J A S O N D

Ab

flu

ss

[m/s

]3

Periode 1979–2002Venoge – Ecublens

0,1

1

10

100

J F A M J J A S O N D

Ab

flu

ss

[m/s

]3

Massa – Blatten bei Naters Periode 1923–28, 1931–2002

Höchste Abflussspitzen

Grösste Tagesmittel

95 % aller Tagesmittel

75 %

50 %

25 %

5 %

aller Tagesmittel

aller Tagesmittel

aller Tagesmittel

aller Tagesmittel

M

Kleinste Tagesmittel

61

1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950

WasserräderTurbinen

Canal d'Entreroches (1638–64)

Hüri (1665–65)Kander ( )1711–14

Linth (1807–16)Gürbe ( )1855–65

Noxon / Orbe ( )1856–90

Zihl (1868–91)Emme (1871–1920)

Glatt (1878–95)Thur (1874–88)

Melchaa (1880)

Alpenrhein ( ) (1860–90 1894–1923)

Töss (1881–1910)Ticino (1888–1912)

Sarine (1917–87)Areuse (1940–55)

Lago Maggiore ( )1940–42Lago di Lugano (1960–63)

Murtensee, Lac de Neuchâtel, Bieler See ( )1885–87

Zürichsee ( )1876–78

Thuner See ( )1726–30

Ägerisee (1857–58)Vierwaldstätter See (1859–61)

Zuger See ( )1865

Aare (1782–92) (1824–59) (1866–93) (1962–73)

Rotten / Rhone (1863–84) (1928–61)

Lungernsee (1788–1836)

Lac Léman ( )1883–86

1600 2000

Flusskorrektionen

Wasserkraftnutzung

Seeregulierungen

Das Regime wird über die Bestimmung der Pardé-Koef-fizienten der einzelnen Monate (PKi) definiert. Der Par-dé-Koeffizient zeigt das Verhältnis zwischen dem mitt-leren Abfluss im betreffenden Monat (MQi (Monat))und dem mittleren Jahresabfluss (MQ (Jahr)).

Die Pardé-Koeffizienten schweizerischer Gewässer be-wegen sich zwischen etwa 0,02 und 3,4.

5.4 Eingriffe ins Abflussgeschehen

Die Gewässer werden seit Jahrhunderten als Trans-portwege und zum Antrieb von Maschinen genutztund entsprechend beeinflusst.

Die meisten grossen Flusskorrektionen und Seeregu-lierungen wurden im 19. Jahrhundert ausgeführt (vgl.Fig. 5-35, Fig. 5-36). Die Entsumpfung der Talbödenund die Verbauung der Zuflüsse dauerte vielerorts bisins 20. Jahrhundert an. Von den grösseren Seen sindBoden-, Walen-, Sempacher- und Hallwiler See bisheute unreguliert. Mit der Eindämmung und Begradi-

gung der Fliessgewässer und der Bewirtschaftung derSeeabflüsse wurden mehrere Ziele verfolgt:

− Verbesserter Schutz vor Hochwasser,− Erschliessung urbarisierbarer Flächen,− Verringerung der Seuchengefahr,− Optimierung der Nutzung von Gewässern zu Trans-

portzwecken.

Fig. 5-35: Bedeutende Eingriffe in das Abflussgeschehen schweizerischer Gewässer zwischen 1600 und 2000 (Quellen: HÜGLI 2002, SCHNITTER

1992, VISCHER 1986).

Fig. 5-36: Flusskorrektionen und Seeregulierungen im19. Jahrhundert (nach GÖTZ 1988).

(Jahr) MQ(Monat) MQ

PK ii =

62

Trink- und Brauchwassernutzung sowie die Wasser-kraftnutzung zählen in vielen Gewässern zu den men-genmässig bedeutenden Eingriffen in das Abflussge-schehen. Die Wasserkraftnutzung wurde in den Alpenund Voralpen zwischen 1950 und 1970 stark ausge-baut. Ein wesentlicher Aspekt der Beeinflussung ist dieVeränderung des natürlichen Abflussverhaltens durchdie Entnahme und Rückgabe von Wasser. Figur 5-37zeigt den Grad der Beeinflussung nach der Inbetrieb-nahme von Kraftwerken.

Die grossen Flüsse im Mittelland zeigen eine leichteVerlagerung der Abflüsse vom Sommer zum Winter

(Typ D in Fig. 5-37) als Folge der Speicherung von biszu 3500 Mio m3 Wasser in Stauseen und Ausgleichs-becken (Nutzinhalt 1990). Oberhalb der Alpenrand-seen ist diese Verlagerung noch ausgeprägter (Typ C).Gross ist die Beeinflussung da, wo die Wasserrückgabeunterhalb der Messstelle oder in einem anderen Ge-wässer erfolgt (Typ B und Typ A).

Der am Strombedarf orientierte Betrieb der Kraftwerkebeeinflusst auch den Tagesgang der Abflüsse. BeiSchwallbetrieb können in einigen Gewässern unterhalbder Wasserrückgabestellen kurzfristige Wasserstands-änderungen von bis zu einem Meter auftreten.

Fig. 5-37: Beeinflussung der Fliessgewässer durch Kraftwerke (nach MARGOT et al. 1992).

63

0

100

200

300

400

500

600

1600 1700 1800 1900 2000

Ab

flu

ss

[m/s

]3

leicht

mittel

schwer

sehr schwer

katastophalMessperiode ab 1897

Schäden

Historische Hochwasser Quantifizierte historische Hochwasserspitzen Gemessene jährliche Hochwasserspitzen

5.5 Hochwasser

Bei extremen Abflusssituationen werden die mittlerenAbflusswerte deutlich übertroffen. Unverzichtbar istdie Kenntnis von Extremereignissen bei der Planungwasserbaulicher Massnahmen. Extreme Hochwasserkönnen in der Schweiz einige Jahrhunderte zurück-verfolgt werden.

5.5.1 Kenntnis von Hochwasserabflüssen

Die Kenntnis von Hochwasserabflüssen bildet eine un-entbehrliche Grundlage für das Leben und Bauen amWasser. Hochwassermarken (vgl. Fig. 5-40) und eineVielzahl von historischen Berichten zeugen von demVersuch, das Wissen um Extremereignisse vor dem Ver-gessen zu bewahren und kommende Generationen aufdie Möglichkeit sehr seltener Wassergrössen vorzube-reiten (vgl. Fig. 5-38). Seit dem 19. Jahrhundert wer-den empirische Formeln zur Abschätzung des höch-sten, in einem beliebigen Einzugsgebiet zu erwarten-den Abflusses (Qmax) eingesetzt. Figur 5-39 zeigt eineAuswahl solcher Hüllkurven, die alle das Qmax aus derEinzugsgebietsfläche (Fn) ableiten. Unter diesen «tra-ditionellen» Ansätzen scheint die Umhüllende nachHOFBAUER (1916) für eine Beschreibung der schweizeri-schen Verhältnisse am besten geeignet zu sein:

Qmax = 42 · Fn0,5

Innerhalb des vom Qmax vorgegebenen Rahmens wer-den weitere statistische Kennwerte der Hochwasser-wahrscheinlichkeit berechnet oder geschätzt (vgl.5.2.2). Mit der Länge einer Messreihe wächst dieWahrscheinlichkeit, dass sie auch sehr seltene Ereignis-se enthält. Bei der 99 Jahre umfassenden MessreiheEmme – Emmenmatt (Periode 1897–1995) lag das ex-tremwertstatistisch ermittelte HQ100 bei 396 m3/s (GEES1997). Dieser Wert wurde im 20. Jahrhundert zweimal

übertroffen (vgl. Fig. 5-38). Der Einbezug der neuestenHochwasserabflüsse (Periode 1897–2003) hebt dasHQ100 auf den plausiblen Wert von rund 450 m3/s.

Fig. 5-38: Hochwasser der Emme: Historische Hochwasser mit überlieferter Schadensgrösse im Einzugsgebiet oder bekanntem Spitzenabflussund gemessene jährliche Hochwasserspitzen der Station Emmenmatt (Daten: BWG, GEES 1997).

Fig. 5-39: Hüllkurven der höchsten zu erwartenden Hochwasser-spitzen (Qmax) nach verschiedenen Autoren im Vergleich mit demKollektiv der höchsten, in der Schweiz beobachteten Abflussspitzen(nach WEINGARTNER 1999).

Fig. 5-40: Hochwassermarke am Vierwaldstättersee (LU).

0,1

1

10

100

1000

10'000

0,1 1 10 100 1000 10'000 100'000Einzugsgebietsfläche [km ]2

Ho

ch

wassers

pit

ze[m

/s]

3

LAUTERBURG

OFBAUER

ÜRSTEINER

ELLI

ÜLLER

(1887)

H (1916)

K (1917)

M (1942)

M (1943)

64

5.5.2 Entstehung grosser Hochwasser

Mit Ausnahme von Schwallwellen, wie sie z.B. beimAusbruch von aufgestautem Wasser entstehen, sindnatürliche Hochwasser eine Reaktion auf Niederschlä-ge. Ob es allerdings infolge eines Niederschlagsereig-nisses zu einem Hochwasserabfluss kommt, hängt inhohem Mass von der Vorgeschichte und dem sich dar-aus ergebenden hydrologischen Zustand des Einzugs-gebiets ab.

Hochwasser grosser Flüsse werden meist durch gross-flächige, langanhaltende Niederschläge verursacht. Eineindrückliches Beispiel ist das «Jahrhunderthochwas-ser» der Aare vom Mai 1999 (vgl. Fig. 5-41). Die vom11. bis 15. Mai 1999 dauernden Niederschläge ent-lang des Alpennordrandes lösten in vielen Gewässernaussergewöhnliche Hochwasser mit Jährlichkeiten grö-sser als 20 Jahre aus. An 32 Messstationen wurdenneue Höchstwerte gemessen; der Abfluss der Aare inThun beispielsweise lag mit 570 m3/s 40 % über dembisherigen Höchstwert.

Für die Hochwasser vom Mai 1999 entscheidend wardie Vorgeschichte. Im April fielen an 20 Regentagenzwischen 50 und 100 % mehr Niederschlag als imlangjährigen Durchschnitt. Dies führte zu einer starkenDurchfeuchtung der Böden. In der Zeit vom 25. Aprilbis zum 10. Mai wurden die Abflüsse durch die bis ingrosse Höhen intensive Schneeschmelze dominiert. ZuBeginn der Niederschläge am 11. Mai waren die Bödenwassergesättigt und einzelne Seen bereits bis zurSchadensgrenze gefüllt (BWG 2000).

Der Abfluss aus kleinen und mittleren Einzugsgebietenspricht stärker auf intensive Gewitterniederschläge kur-

zer Dauer an. Auch das Hochwasser im Biembach (BE)am 1. Juli 1987 wurde durch die ungünstige Vorge-schichte bestimmt. Infolge der Witterung der vorange-gangenen Wochen war die Speicherkapazität der Bö-den im Einzugsgebiet nahezu erschöpft. Von demintensiven Starkniederschlag, der mit dem Zusammen-treffen zweier Gewitterzellen über dem Einzugsgebietdes Biembach (rund 10 km2) kurz vor 14 Uhr begann,konnte nur ein kleiner Teil zurückgehalten werden. DerAbfluss im Biembach reagierte umgehend und er-reichte seine Spitze mit rund 50 m3/s noch vor 15 Uhr(s. Fig. 5-42) (GEMEINDE HASLE B. BURGDORF 1992).

5.6 Abflussbildung

Der Boden ist eine Schlüsselgrösse bei der Abflussbil-dung. Die Verteilung von Böden mit dominantem Ab-flussprozess (vgl. 5.6.1) bestimmt die Abflussreaktioneines Gebietes (vgl. 5.6.2). Im Gerinne wird die Gang-linie der Abflüsse von der Rauigkeit (vgl. 5.6.3) und derRetention (vgl. 5.6.4) verformt.

Die ersten paar Millimeter Niederschlag bleiben im All-gemeinen noch vor Erreichen des Bodens an der Vege-tation hängen (vgl. Abschnitt 2.5.1). Nur schon zur Be-feuchtung des Bodens unter einem trockenen Nadel-baum sind im Sommer mehr als 5 mm Niederschlagnötig. Um die Speicher an der Bodenoberfläche und imBoden so weit zu füllen, dass sie Wasser abgeben kön-nen, ist ein bestimmtes Benetzungsvolumen nötig.Dieses hängt von der Niederschlagsintensität, demaktuellen hydrologischen Zustand und von den Eigen-schaften des Einzugsgebiets ab (KÖLLA 1987). Ist mehrWasser vorhanden, als Pflanzen, Oberfläche und Bo-den zu speichern vermögen, kommt es zum Abfluss.

Fig. 5-41: Hochwasser im Mai 1999 in Bern. Fig. 5-42: Hochwasser im Biembach (BE) am 1. Juli 1987.

65

5.6.1 Abflussprozesse

Anhand schematischer Bodenprofile lassen sich diewichtigsten Abflussprozesse unterscheiden (vgl.Fig. 5-43). Hortonscher Oberflächenabfluss tritt auf,wenn der Niederschlag die Infiltrationskapazität desBodens übersteigt. Dies ist auf vegetationsbedecktenBöden selten der Fall, ausser an verdichteten oder zeit-weise wasserabstossenden (hydrophoben) und deshalbnur schwach durchlässigen Standorten. GesättigterOberflächenabfluss tritt nach Sättigung des Bodensauf. Auf flachgründigen oder feucht-nassen Böden mitgeringem Speichervermögen ist dies besonders raschder Fall. Beim Abfluss im Boden muss zwischen einerlangsamen, weitgehend durch Kapillarkräfte bestimm-ten Bewegung des Wassers (allgemeine Sickerung) undeinem schnellen, von gravitativen Kräften dominiertenAbfluss entlang von Makroporen (z.B. Gänge von Tie-ren, Wurzelhohlräume) unterschieden werden. RascherAbfluss im Boden tritt auch dann auf, wenn über einerStauschicht hoch durchlässige Schichten liegen.

Fig. 5-43: Abflussprozesse und Reaktionsweisen bei Starkregen (nachSPREAFICO et al. 2003).

Ist der Boden gut durchlässig und liegt er über durch-lässigem geologischem Untergrund, kann über dieTiefensickerung viel Wasser eindringen und gespeichertwerden. Dieses Wasser kann mit entsprechender Ver-zögerung an Quellen oder Grundwasseraufstössenwieder als Abfluss in Erscheinung treten.

5.6.2 Abflussreaktion von Gebieten

In einem Einzugsgebiet laufen die verschiedenen Ab-flussprozesse gleichzeitig ab und überlagern sich. Zu-dem ändert sich der hydrologische Zustand des Bodensim Verlauf eines Niederschlagsereignisses, mit entspre-chenden Auswirkungen auf den jeweils dominantenAbflussprozess. Aber auch Tropfengrösse, Intensität

und Dauer der Niederschläge beeinflussen den weite-ren Verlauf der Abflussbildung. Auf Testflächen kannder Anteil der einzelnen Prozesse quantifiziert und inAbflussreaktionskurven dargestellt werden.

Fig. 5-44: Abflussreaktionskurven an vier Standorten mit typischenAbflussreaktionen (nach NAEF et al. 1999).

In Figur 5-44 werden die Abflussreaktionen aus vierTestflächen mit dominantem Prozess dargestellt. DerAbflusskoeffizient gibt das Verhältnis vom Abfluss zumNiederschlag an. Bei einem Koeffizienten von 0,6 flies-sen 60 % des Niederschlags ab.

− Hortonscher Oberflächenabfluss – sehr rasch rea-gierende Flächen mit geringer Retention, wie sie invernässten, bachnahen Zonen vorkommen.

− Abfluss im Boden – mässig rasche Abflussreaktionund mässige Retention. Vorkommen z.B. in steilenHanggebieten oberhalb von Gerinnen.

− Gesättigter Oberflächenabfluss – verzögernd rea-gierende Flächen mit grosser Retention, wie sie typi-scherweise gerinneferne Hanggebiete aufweisen.

− Tiefensickerung – sehr verzögert reagierende Flä-chen mit sehr grosser Retention – eine typische Re-aktion wenig geneigter, tiefgründiger Flächen fern-ab der Gerinne.

Die Übertragung der Abflussreaktionen der Testflächenauf grössere Flächen ermöglicht eine Abschätzung derAbflussreaktion ganzer Einzugsgebiete (vgl. Fig. 5-45).

5.6.3 Fliesswiderstand

Hydraulische Berechnungen müssen die Rauigkeits-werte des Gerinnes berücksichtigen. Im Gegensatz zuden künstlichen Gerinnen, für die Rauigkeitswerte ausTabellen entnommen werden können, braucht die Ab-schätzung bei den natürlichen Gerinnen langjährige

Abf

luss

koef

fizie

nt [–

]

0,8

1

0,6

0,4

0,2

00 4321

Zeit ab Niederschlagsbeginn [h]

Hortonscher Oberflächenabfluss

Abfluss im Boden

Gesättigter Oberflächenabfluss

Tiefensickerung

66

Erfahrung. Für die Schweiz existiert seit 2001 eine Rei-he ausgesuchter Fliessstrecken, deren Rauigkeitskoeffi-zienten (kSt) für verschiedene Abflussmengen exempla-risch bestimmt worden sind. 8 kleinere Flüsse und 4Gerinnestrecken in Bergbächen wurden untersucht(vgl. Fig. 5-46). Die 8 Versuchsstrecken der kleinerenFlüsse liegen in annähernd prismatischen Gerinnenohne Vorländer. Die Ufer sind mehrheitlich verbautund teilweise bewachsen. Das Gefälle, die Uferverbau-ungen und die Zusammensetzung des Geschiebes sindunterschiedlich. Gewählt wurden Strecken, in denengleichförmige Fliessverhältnisse herrschen und keineörtlichen Verluste, wie sie bei Brückenpfeilern oderAufweitungen vorhanden sind, auftreten.

Hohe Fliesswiderstände äussern sich in kleinenkSt-Werten. Der Widerstandskoeffizient in ein unddemselben Gewässer kann in Abhängigkeit der Ab-flussmenge variieren (vgl. Tab. 5-2). In Flüssen mit Ge-birgscharakter nehmen die kSt-Werte mit steigendemAbfluss tendenziell zu, was eine Verringerung der

Fliesswiderstände bedeutet. In Flüssen mit kleinemGefälle nehmen die kSt-Werte bei grösserer Wasser-führung dagegen eher ab (grössere Fliesswiderstände).

Fig. 5-45: Flächen unterschiedlicher Abflussbereitschaft im Einzugsgebiet der Saltina bei Brig (VS). Abflussreaktion des Gesamtgebietesverzögert und mässig (vgl. Diagramm des gemessenen Hochwasserereignisses im August 1987) (nach NAEF et al. 1999).

Fig. 5-46: Fliessgewässer mit Versuchsstrecken zum Fliesswiderstand(nach Spreafico et al. 2001).

67

Versuchsstrecke Abfluss [m3/s] kSt [m1/3/s]Minster – Euthal 30 36

60 38100 38140 38

Suze – Sonceboz 10 2920 2940 36

Emme – Burgdorf 100 32250 31

Gürbe – Belp 4,3 3220 3330 3140 3050 28

Lütschine – Gsteig 60 2490 26

120 27

Tab. 5-2: Beispiele für Fliesswiderstände bei verschiedenen Abfluss-mengen (SPREAFICO et al. 2001).

5.6.4 Retention

Der Rückhalt eines Teils des abfliessenden Wassers imEinzugsgebiet bewirkt eine Abminderung des Spitzen-abflusses (Retention). Die typischste Retention ist dieÜberflutung der Vorländer (vgl. Fig. 5-47), unter be-stimmten Umständen kann aber auch das Gerinneselbst einen dämpfenden Einfluss auf die Hochwasser-spitze haben.

Vorlandüberflutungen stellen die effektivste Form derRetention dar. Dennoch dürfen sie in ihrer Wirkungnicht überschätzt werden (NAEF & THOMA 2002). Hoch-wasserabflüsse grosser Flüsse können mehrere Tage

dauern. Eine effektive Retention über diesen Zeitraumbedingt Flächen, welche in der Schweiz nicht zur Ver-fügung stehen.

Eine wirkungsvolle Retention im Gerinne ist in folgen-den Fällen möglich:

− Gefälle kleiner als 1 % – In steilen Gerinnen ist eineVerminderung der Fliessgeschwindigkeit nur an derHochwasserfront zu beobachten. Das nachfolgendeWasser fliesst beschleunigt ab und bei ausreichendlangen Fliessstrecken türmt sich sogar eine senk-rechte Wasserfront auf.

− Rauigkeitskoeffizient (kSt) kleiner als rund 25 – Einrauhes Gerinne erhöht die Retention.

− Anstiegszeit bis zu 1 Stunde – Je rascher der Abflussansteigt, desto stärker wird die Abflussspitze im Ge-rinne gedämpft.

Diese Voraussetzungen sind in erstaunlich wenigenGebieten erfüllt, so dass grosse Hochwasser nur seltendurch die natürliche Retention wirksam gedämpftwerden (NAEF & THOMA 2002).

Eine Ausnahme stellt das Hochwasser der Gürbe (BE)am 29. Juli 1990 dar. Innerhalb weniger Stunden fie-len im oberen Teil des Einzugsgebietes 240 mm Nie-derschlag. Im steilen Oberlauf reagierte der Abflusssofort (vgl. Fig. 5-48, Pegel Burgistein). Im flachenUnterlauf zwischen Burgistein und Belp wirkte die Ge-rinneretention, so dass die Abflussspitze bis Belp klei-ner wurde. Im Juli 1990 wurden zudem grössere Flä-chen überflutet, was die Hochwasserspitze zusätzlichdämpfte. Der Anteil der Gerinneretention an der ge-samten Dämpfung von 51 m3/s kann auf 5 m3/s, derje-nige der Überflutungen auf 46 m3/s geschätzt werden.

Fig. 5-47: Überflutung der Vorländer: Doubs bei Ocourt (JU) am13. März 2001.

Fig. 5-48: Dämpfung der Hochwasserspitze vom 29. Juli 1990 imUnterlauf der Gürbe (BE) (nach NAEF & THOMA 2002).

0

20

40

60

80

Ab

flu

ss

[m3

/s]

0 9 123 6

Pegel Belp

Überflutungsvolumen (450'000 m )3

Pegel Burgistein

Berechneter Abfluss für Belp(Wirkung der Gerinneretention)

Zeit ab Hochwasseranstieg [h]

68

Während das Hochwasser im oberen Teil der Gürbe einganz ausserordentliches Ereignis darstellt, wurde es inBelp dank der Dämpfung durch die Retention kaumwahrgenommen.

5.7 Hochwasser vorhersagen

Hydrologische Vorhersagen sind heute eine wichtigeGrundlage für die Planung der Bewirtschaftung desAbflusses zur Stromerzeugung sowie für die Planungund Organisation von Transporten wichtiger Versor-gungsgüter auf dem Rhein. Die flussabwärts liegendenStaaten verwenden die Resultate der schweizerischenVorhersagen als Eingangsgrösse in ihre eigenen Vor-hersagemodelle.

Die Landeshydrologie berechnet mit dem ModellHBV3-ETHZ Abflussvorhersagen für das Rheineinzugs-gebiet unterhalb der Alpenrandseen. Eine Ausdehnung

auf das gesamte Rheineinzugsgebiet ist in Bearbei-tung. Für kleinere Flussgebiete und Bäche wird keineVorhersage veröffentlicht.

Datenbasis für die Vorhersage bilden die gemessenenStundenmittelwerte der Abflüsse, die gemessenenStundenwerte von Temperatur und Niederschlag desautomatischen Messnetzes von MeteoSchweiz sowiefür die Vorhersageperiode die stündlichen Daten derhochauflösenden numerischen Wettervorhersagemo-delle. Damit wurde erstmals in der Schweiz ein opera-tionelles Abflussvorhersagemodell mit einem numeri-schen Wettervorhersagemodell gekoppelt.

Alle Daten werden in eine Datenbank eingegeben,kontrolliert, plausibilisiert und für den Modellinputaufbereitet (vgl. Fig. 5-49). Die Berechnung der Abflüs-se erfolgt im Normalfall täglich. Bei extremen Hoch-wassersituationen werden alle zwei Stunden neueVorhersagen für die Stationen Rhein – Rheinfelden,

Fig. 5-49: Ablauf der operationellen Abflussvorhersage (Grafik: Th. Bürgi, BWG).

69

Rhein – Rekingen, Thur – Andelfingen, Reuss – Mellin-gen, Aare – Brugg und Aare – Murgenthal erstellt.

Die Bulletins der Wasserstands- und Abflussvorhersa-gen zeigen einen tabellarischen und grafischen Über-blick über die in den vergangenen Stunden gemesse-nen Daten im Fluss und über die voraussichtliche Ent-wicklung von Wasserstand und Abfluss. Diese Informa-tionen werden als Stundenmittel für jeweils drei Kalen-dertage dargestellt (vgl. Fig. 5-50). Das Vorhersagebul-letin ist auf www.bwg.admin.ch allen Nutzerinnen undNutzern frei zugänglich.

Fig. 5-50: Beispiel Vorhersagebulletin (www.bwg.admin.ch).

RHEIN - Rheinfelden

750

1000

1250

1500

1750

Abflu

ss[m

/s]

18.10.04Mo

19.10.04Di

20.10.04Mi

21.10.04Do

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

Pegel[

m]

Wetteraussichten

19.: Stark bewölkt oder bedeckt und zeitweise Regen. Schneefallgrenze von

2000 bis gegen 2500 Meter steigend.

20.: Vor allem im Westen gelegentlich Regen, im Osten föhnige Aufhellungen.

21.: Wechselnd bewölkt und am Vormittag etwas Regen.

---------------------normaler Vorhersagedienst-----------------

Bundesamt für Wasser und Geologie - Landeshydrologie, 3003 Bern-Ittigen

Vorhersage für:

ausgegeben am:

RHEIN - Rheinfelden

19.10.2004, 8.16 h Lokalzeit

Stundenmittel Abfluss [m /s]

gemessene Werte bis 19.10.04, 6.00 MEWZ

Stundenmittel Wasserstand [m]

gemessene Werte bis 19.10.04, 6.00 MEWZ

H 19.10.04 20.10.04 21.10.04 H 19.10.04 20.10.04 21.10.04

1 777 950 1079 1 2.23 2.50 2.682 781 977 1071 2 2.24 2.54 2.673 782 1008 1063 3 2.24 2.58 2.664 785 1042 1056 4 2.25 2.63 2.655 785 1076 1049 5 2.25 2.68 2.646 781 1110 1043 6 2.24 2.73 2.637 783 1142 1037 7 2.24 2.77 2.628 788 1169 1032 8 2.25 2.81 2.629 794 1191 1027 9 2.26 2.84 2.61

10 801 1206 1024 10 2.27 2.86 2.6111 809 1215 1021 11 2.28 2.88 2.6012 816 1217 1018 12 2.30 2.88 2.6013 824 1213 1016 13 2.31 2.87 2.5914 830 1205 1014 14 2.32 2.86 2.5915 837 1194 1012 15 2.33 2.85 2.5916 843 1182 1011 16 2.34 2.83 2.5917 849 1170 1010 17 2.35 2.81 2.5918 856 1158 1010 18 2.36 2.80 2.5819 864 1146 1009 19 2.37 2.78 2.5820 873 1134 1008 20 2.38 2.76 2.5821 883 1122 1008 21 2.40 2.75 2.5822 895 1110 1007 22 2.42 2.73 2.5823 910 1098 1006 23 2.44 2.71 2.5824 928 1088 1006 24 2.46 2.70 2.58

70

71

Temperatur [°C]

Dic

hte

[kg

/m]

3

0 5 15 20 25 40

994

996

998

1000

10 30 35

KennziffernGrösste Oberfläche 581,3 km2 Le Léman Quelle: BWGGrösste Tiefe 310 m Le Léman Quelle: BWGGrösstes Volumen 89'900 Mio m3 Le Léman Quelle: BWGGrösstes Stauvolumen 401 Mio m3 Grande Dixence (VS) Quelle: BWGLängste theoretische Aufenthaltsdauer des Wassers 15 Jahre Sempacher See Quelle: LIECHTI 1994Älteste Regulierung 1592 Zuger See Quelle: VISCHER 2003

6.1 Seen – Weiher – Teiche

Seen sind stehende Gewässer, in welchen im Sommer-halbjahr über längere Zeit eine stabile Temperatur-schichtung besteht. Ab einer mittleren Wassertiefe von14 Metern ist dies im Allgemeinen der Fall. Natürlichestehende Gewässer mit einer geringen Wassertiefewerden Weiher, künstlich gestaute Gewässer Stauseenoder Teiche genannt. Auch grössere Stauseen könnenim Sommer eine Temperaturschichtung aufweisen.

6.1.1 Bereiche von Seen

In Figur 6.1 sind Ufer-, Freiwasserzone und Seegrunddargestellt. Der Uferzone (Litoral) kommt als Über-gangszone zwischen Land und Wasser und durch diegeringe Wassertiefe eine wichtige Funktion zu. In kei-nem anderen Bereich des Sees ist die Artenvielfalt vonTieren und Pflanzen grösser als hier. Zugleich ist dieGefährdung dieser Flächen durch Uferbefestigungen,künstlichen Wellenschlag und Übernutzung durch denBadetourismus sehr gross.

Als Freiwasserzone (Pelagial) werden die Bereiche be-zeichnet, in welchen aufgrund der grossen Wassertiefekeine Bodenvegetation wächst. In der lichtdurchflute-ten obersten Schicht dieser Zone lebt eine Vielzahl von

Kleinstlebewesen (Plankton), welche die Nahrungs-grundlage vieler Fische bilden. Abgestorbenes Planktonsinkt teilweise auf den Seegrund (Profundal) ab. Dortwird es von Mikroorganismen oder Bodentieren abge-baut. Die mineralisierten Nährstoffe stehen für die Pri-märproduktion wieder zur Verfügung oder werden indie Sedimente eingebaut.

6.1.2 Schichtung und Zirkulation

Wasser ist bei einer Temperatur von vier Grad Celsiusam schwersten (vgl. Fig. 6-2). Während im Frühjahrdas gesamte Seewasser meist gleich warm ist, erwärmtsich im Sommer die oberflächennahe Schicht (Epilim-nion) stark und schwimmt in der Folge auf dem wei-terhin kühlen Tiefenwasser (Hypolimnion) auf. Zwi-schen den beiden Wasserkörpern kommt es zur Ausbil-dung einer Temperatursprungschicht (Metalimnion), inwelcher die Temperatur von oben nach unten stark ab-nimmt. Zwischen Epi- und Hypolimnion ist der Wasser-und Gasaustausch stark eingeschränkt (Stagnation)(vgl. Fig. 6-3).

Mit zunehmend kühleren Temperaturen im Herbst be-ginnt sich der See von oben her abzukühlen. KräftigeWinde begünstigen die Durchmischung der abgekühl-ten Wassermassen. Erst wenn die Wassertemperaturüberall gleich ist, wird eine vollständige Zirkulationmöglich. Das gesamte Seebecken wird dann wiedergleichmässig mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt.

6 Seen

Fig. 6-1: Skizze der verschiedenen Bereiche in einem See (nachLIECHTI 1994).

Fig. 6-2: Dichte von Wasser.

72

Dauert der Prozess der Abkühlung weiter an, bildetsich eine inverse Temperaturschichtung aus: Wassermit einer Temperatur unter vier Grad ist leichter undschwimmt auf dem wärmeren Wasser. Erreicht dieOberflächentemperatur null Grad, beginnt der See vonoben her zuzufrieren. Sogenannte «Seegfrörnis» (vgl.Fig. 6-5) sind bei den Seen in tieferen Lagen relativseltene Ereignisse. Die Wassertemperatur am Seegrundverbleibt bei vier Grad und ermöglicht so das Überle-ben von Fauna und Flora. Mit dem Einsetzen der Früh-lingswärme beginnt der Kreislauf erneut (LIECHTI 1994).

Nicht alle Seen zirkulieren jedes Jahr vollständig (vgl.Abschnitt 6.5.3). Im Genfer See z.B. geht die letztevollständige Durchmischung auf das Jahr 1986 zurück(CIPEL 2004). In Figur 6-4 ist die stark saisonal ausge-prägte Temperaturschichtung in den obersten rund60 m des Genfer Sees gut zu erkennen.

Neben der temperaturbedingten kann auch eine che-misch bedingte Schichtung auftreten: Die chemischeZusammensetzung zweier Wasserkörper kann so un-terschiedlich sein, dass sie sich nicht mehr mischen. ImNordbecken des Luganer Sees zirkulieren aus diesemGrund höchstens die oberen rund 100 Meter, das tie-ferliegende Wasser wird nicht mit Sauerstoff versorgt(vgl. auch Fig. 6-13) (LIECHTI 1994).

6.2 Vorkommen von Seen

Verschiedene Faktoren können zur Bildung von Seen(Seegenese) beitragen. Häufig wirken mehrere Ursa-chen zusammen. Mit der Entstehung eines Sees be-ginnt der Prozess der Verlandung.

6.2.1 Seegenese

Die meisten Schweizer Mittellandseen sind durch Glet-schervorstösse im Verlauf der Eiszeiten entstanden.Dabei sind bestehende Mulden durch die Erosion derEismassen vertieft und überformt worden. Die Längs-richtung der Seen entspricht in der Regel der Fliess-richtung der eiszeitlichen Gletscher. Während des Ab-schmelzens der Gletscher füllten sich diese Mulden mitSchmelzwasser. Hinter Endmoränen konnten sich dieWassermassen zusätzlich aufstauen, so z.B. bei Boden-see und Sempacher See (LIECHTI 1994).

Im alpinen Raum finden sich Seen, die im Anschluss anBergstürze hinter der Sturzmasse aufgestaut wurden.Der Lac de Derborence z.B. ist nach dem in historischerZeit grössten Bergsturz der Schweiz (23.6.1749) ent-standen.

Fig. 6-3: Erläuterungsskizze Zirkulation und Temperaturschichtung(nach www.gewaesserschutz.zh.ch)

Fig. 6-4: Temperaturprofile des Genfer Sees in den Jahren 1981–1983 (nach DE MONTMOLLIN & JAKOB 1995).

Fig. 6-5: «Seegfrörni» 2002 (Pfäffiker See).

Winter

Zirkulation

Sommer

Stagnation

Metalimnion

Epilimnion

Hypolimnion

0

10

20

20

40

60

80

90

5

15

25

1981 1982 1983

Temperatur [°C]

Tiefe[m

]

73

Die ältesten Seen der Schweiz wurden vor einigen10'000 Jahren geformt; der Ursprung der meisten Seenist aber deutlich jünger. Demgegenüber wird das Alterdes Baikalsees in Sibirien auf 20–25 Millionen Jahre ge-schätzt. Tabelle 6-1 zeigt eine Auswahl möglicher Ur-sachen und entsprechende Beispiele der Seegenese.

Ursache BeispielTektonische PrTektonische PrTektonische PrTektonische ProooozessezessezessezesseSee in tektonischer Bruchlinie Baikalsee (Sibirien)Synklinaltalsee Lac de Joux (VD)VulkanismusVulkanismusVulkanismusVulkanismusKratersee Lago Albano (Italien)MeteorkraterMeteorkraterMeteorkraterMeteorkraterKratersee Lake Manitoba (Kanada)LösungsvorgängeLösungsvorgängeLösungsvorgängeLösungsvorgängeHöhlensee Lac St-Léonard (VS)Glaziale ProzesseGlaziale ProzesseGlaziale ProzesseGlaziale ProzesseErosionsbecken Thuner See (BE)Erosion und Stau hinter Stirnmoräne Greifensee (ZH)Stau hinter Seitenmoräne Übeschisee (BE)Toteissee Burgäschisee (SO/BE)AufschüttungsprozesseAufschüttungsprozesseAufschüttungsprozesseAufschüttungsprozesseBergsturz Lago di Poschiavo (GR)Menschliche AktivitätenMenschliche AktivitätenMenschliche AktivitätenMenschliche AktivitätenStausee Lac de Gruyères (FR)Baggersee Baggersee Meienried (BE)

Tab. 6-1: Seegenetische Faktoren und Beispiele (nach DOKULIL et al.2001, ergänzt).

6.2.2 Verlandung

Mit der Bildung eines Sees beginnt auch dessen Ver-landungsprozess. Durch die Zuflüsse werden Feststoffeund Schwebstoffe in die Seen eingetragen (vgl.Kap. 8). Als Folge davon entstehen in den Mündungs-bereichen Deltas; die Seen werden kleiner und flacher.Zum Beispiel erstreckte sich im heutigen Gebiet vonThuner- und Brienzer See am Ende der letzten Eiszeit(vor rund 10'000 Jahren) ein einziger See von Meirin-gen bis weit über Thun hinaus. Die Zuflüsse haben mitihren Feststoffen seither schon grosse Teile der ur-sprünglichen Seefläche aufgefüllt, und in weiteren ca.36'000 Jahren wird der Thuner See vollständig verlan-det sein (vgl. Tab. 6-2).

Bei natürlich aufgestauten Seen kann die Tiefenerosionim Bereich des Ausflusses den Seepegel rasch absenkenund so zu einer Verkleinerung des Sees führen. Figur6-6 zeigt die morphologische Entwicklung des Greifen-

sees in den letzten rund 11'000 Jahren. Die sukzessiveVerkleinerung der Seefläche ergab sich aus:

− der Tiefenerosion im Ausflussbereich um 18 Meter;erodiert wurde die Endmoränen eines Seitenarmsdes eiszeitlichen Rhein-Linth-Gletschers,

− den Schuttlieferungen von Bächen und− der künstlichen Seespiegelabsenkung um 40–90 cm

im Rahmen der Glattkorrektur 1890/91 (MEIERBÜRGISSER & KELLER 2004).

See Seevolumen

JährlicherSediment-zuwachs

Zuschüttungs-dauer

[Mio m3] [Mio m3] [1000 Jahre]Bodensee 48'000 3,3 14–15Genfer See 89'900 1,8–3,0 30–50Thuner See 6500 0,18 36Walensee 2490 0,2 12–13Bieler See 1240 0,36 3–4Pfäffiker See 58 0,0038 15Oeschinensee 37 – 2,6

Tab. 6-2: Geschätzte Verlandungszeiten. Berücksichtigt sind nurEinträge über die grossen Zuflüsse (Daten: BWG, GUTHRUF et al.1999, IGKB 2004, LIECHTI 1994).

Neben dem Eintrag von Geschiebe und Schwebstoffenwird auch im See produziertes organisches Material indie Sedimente eingebaut und trägt so zum Verlan-dungsprozess bei. Gegen Ende seiner Existenz wird derSee von Ufer- und Bodenvegetation überwuchert. Er ist

Fig. 6-6: Formveränderung des Greifensees im Laufe der Zeit (nachMEIER BÜRGISSER & KELLER 2004).

74

Nr. See Oberfläche Volumengrösste

Tiefe[km2] [Mio m3] [m]

1 Le Léman 581,3 89'900 3102 Bodensee (Ober- u. Untersee) 536,0 48'000 2543 Lac de Neuchâtel 217,9 14'170 1534 Lago Maggiore 212,3 37'100 3725 Vierwaldstätter See 113,6 11'800 2146 Zürichsee (Ober- u. Untersee) 90,1 3900 1437 Lago di Lugano (sud e nord) 48,7 6560 2888 Thuner See 48,4 6500 2179 Bieler See 39,8 1240 7410 Zuger See 38,3 3210 19811 Brienzer See 29,8 5170 26112 Walensee 24,1 2490 15013 Murtensee 23,0 600 4614 Sempacher See 14,5 660 8715 Hallwiler See 10,3 215 4716 Greifensee 8,6 161 3417 Sarner See 7,5 244 5218 Ägerisee 7,2 357 8219 Baldegger See 5,3 178 6620 Lej da Segl (Silser See) 4,1 137 7121 Pfäffiker See 3,3 58 35

verlandet, wenn sich die gesamte Seefläche in einFlachmoor verwandelt hat (BINDERHEIM-BANKAY 1998).

6.2.3 Seen der Schweiz

In der Schweiz liegen 70 natürliche Seen mit einer Flä-che grösser als 0,1 km2. 1422 km2 oder knapp 3,5 %der Fläche der Schweiz sind durch stehende Gewässerbedeckt (www.statistik.admin.ch). In Figur 6-7 sind diegrössten natürlichen Seen aus Tabelle 6-3 dargestellt.Der Gesamtphosphorgehalt wird als Parameter für dieWasserqualität verwendet (vgl. Abschnitt 6.5.1).

6.3 Funktionen von Seen

Seen werden von alters her von den Menschen aufvielfältige Weise genutzt.

FischereiFischereiFischereiFischereiDie Fischerei stellt eine der ältesten Nutzungsformender Seen überhaupt dar. Aus dem Mittelalter sindSchutzbestimmungen und Fangbeschränkungen über-liefert (DOKULIL et al. 2001). Obschon die Bedeutung

Fig. 6-7: Lage der 21 grössten natürlichen Seen (vgl. Tab. 6-3) mit dem Gesamtphosphorgehalt der Periode 1996–2000 (nach JAKOB et al.2004).

Tab. 6-3: Die 21 grössten natürlichen Seen der Schweiz (nach BWG;IGKB 2004). Die Nummer bezieht sich auf Fig. 6-7.

75

der Binnenfischerei seit den 1970er Jahren zurückgeht,sind auch heute noch 349 Berufsfischer auf rund 20Seen in der Schweiz tätig (Stand 2004; www.umwelt-schweiz.ch).

VerkehrVerkehrVerkehrVerkehrBis zum Aufkommen der Eisenbahn im 19. Jahrhun-dert wurden Flüsse und Seen intensiv als Transportwe-ge genutzt. Heute beschränkt sich der Transportver-kehr auf Seen weitgehend auf Fährbetriebe, denhauptsächlich touristisch bedingten Personentransportund den Abtransport von im oder am See gewonne-nen Baumaterialien.

EnergiegewinnungEnergiegewinnungEnergiegewinnungEnergiegewinnungDas in Stauseen (vgl. Fig. 6-8) gesammelte Wasser wirdgrösstenteils zur Produktion von elektrischer Energieverwendet. Die Speicherkraftwerke erzeugen mit16'700 GWh rund 30 % der jährlich in der Schweizproduzierten elektrischen Energie(www.bwg.admin.ch).

HochwasserrückhaltHochwasserrückhaltHochwasserrückhaltHochwasserrückhaltSeen wirken als natürliche Hochwasserrückhalte-becken. Die grossen Alpenrandseen des Rheineinzugs-gebietes z.B. hielten zwischen dem 10. und 15. Mai

1999 gesamthaft 950 Mio m3 Wasser zurück, was ei-nem Abfluss von ca. 2200 m3/s in Rheinfelden entspre-chen würde. Dieser Rückhalt war natürlich, da einer-seits der Bodensee unreguliert ist und andererseits beiden übrigen Seen der Einfluss der Regulierung ver-nachlässigbar ist, weil die Wehre zu diesem Zeitpunktganz geöffnet waren (BWG 2000). Wo keine natürli-chen Seen bestehen, kann der Schutz vor Hochwasserin einigen Fällen durch künstlich erstellte Hochwasser-rückhaltebecken verbessert werden.

TrinkwassergewinnungTrinkwassergewinnungTrinkwassergewinnungTrinkwassergewinnungEinigen natürlichen Seen wird Trinkwasser entnommen(www.trinkwasser.ch). In gegen 30 Seewasserwerkenwerden rund 20 % (entspricht 200 Mio m3) des ge-samten Wasserverbrauchs der Schweiz gewonnen.

ErholungErholungErholungErholungDie Nutzung der Seen als Erholungsraum hat in denvergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Aktivi-täten am, auf und im Wasser sind zu wichtigen Berei-chen der Tourismusbranche geworden.

KlimaKlimaKlimaKlimaDie ausgleichende Wirkung der Seen auf das lokaleund regionale Klima wird seit Jahrhunderten in derLandwirtschaft genutzt: Weinbau ist auf der Alpen-nordseite auf klimatische Gunststandorte – vor allementlang von Seen – beschränkt. Weinberge prägen bisheute das Bild vieler Sonnenhänge an Voralpen- undMittellandseen.

6.4 Stoffhaushalt undWasserqualität

Die Nährstoffsituation in einem See ist ein Spiegel derAktivitäten in seinem Einzugsgebiet (GSA 2003). Seenmit schwach besiedelten und naturnahen Einzugsge-bieten sind nährstoffarm, während Seen mit einer ho-hen Siedlungsdichte oder intensiver Landwirtschaft imEinzugsgebiet nährstoffreich sind. Der Gesamtzustandder meisten Schweizer Seen kann heute wieder als gutbezeichnet werden. Trotzdem besteht vielerorts nochHandlungsbedarf.

6.4.1 Phosphor und Sauerstoff

Unter natürlichen Bedingungen kommt Phosphor inden Seen in so geringen Mengen vor, dass er der limi-tierende Faktor für die Primärproduktion ist. Der über-wiegende Teil der Primärproduktion besteht aus freischwebenden Algen, dem Phytoplankton (s. Fig. 6-9).Fig. 6-8: Der Gebidem-Stausee (VS) fasst 9,2 Mio m3 Wasser.

76

Im Sommerhalbjahr werden in Oberflächennähe vieleAlgen produziert, welche als Stoffwechselprodukt Sau-erstoff freisetzen. Der Sauerstoffgehalt im Epilimnionnimmt dadurch im Verlauf des Sommers zu. Ein Teildes absterbenden Phytoplanktons wird bereits im Me-talimnion abgebaut.

Die restliche abgestorbene Biomasse sinkt ab und wirdunter Sauerstoffverbrauch in den tieferen Wasser-schichten zersetzt, wodurch die Sauerstoffkonzentrati-on im Tiefenwasser abnimmt (vgl. Fig. 6-10). Weil eineNachlieferung von Sauerstoff vom Epilimnion her auf-grund der Schichtung nicht möglich ist, kann es dabeizu einer vollständigen Sauerstoffzehrung kommen. DieFolge davon ist ein sauerstofffreier Abbau organischenMaterials mit Bildung von reduzierten Verbindungen

(Ammonium, Schwefelwasserstoff, Methan etc.), diez.T. giftig sind. Weiter kann dabei in den Sedimentengebundener Phosphor rückgelöst werden, was einerinternen Düngung des Sees gleichkommt. Die Versor-gung des Tiefenwassers mit Sauerstoff erfolgt erst beider nächsten Zirkulation des Sees. Dabei wird auch derPhosphor wiederum im gesamten Wasserkörper ver-teilt.

6.4.2 Der Phosphorgehalt in Seen – eineErfolgsgeschichte des Gewässerschutzes

Steigende Bevölkerungszahlen, die Einführung vonWasserklosetts und deren Ableitung in die Oberflä-chengewässer, die Industrialisierung sowie die Intensi-vierung der Landwirtschaft führten ab dem 19. Jahr-

Fig. 6-9: Phytoplankton (Dynobrion).

Fig. 6-10: Sauerstoff- und Temperaturprofile des Greifensees im Jahr 2003 (nach www.gewaesserschutz.zh.ch).

Fig. 6-11: Algenblüte im Baldegger See (LU), aufgenommen im Mai1982.

Temperatur [°C]

Tie

fe[m

]

Sauerstoffgehalt [mg O ]2/l

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

Januar

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

November

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

Mai

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

Juli

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

September

0

0

10

15

20

25

300 7 14 21 28

0 4 8 12 16

März

77

hundert in vielen Schweizer Seen zu einem Ansteigender Nährstoffgehalte. Der Zustand der Oberflächenge-wässer verschlechterte sich unter der zunehmendenBelastung fortwährend und machte gesetzliche Mass-nahmen zum Schutz der Gewässer unumgänglich. Sowurde 1953 der Gewässerschutzartikel in der Bundes-verfassung verankert (vgl. Kap. 9).

Das reichliche Nährstoffangebot führte in den betrof-fenen Seen zu einer gesteigerten Primärproduktion. ImSommer bildeten sich auf vielen Seen ausgedehnte Al-genteppiche (vgl. Fig. 6-11). In den 1970er Jahrenwurde der Höhepunkt dieser Entwicklung erreicht (vgl.Fig. 6-12). Seither konnten die Phosphateinträge in dieSeen hauptsächlich dank der folgenden seeexternenMassnahmen gesenkt werden:

− Mit dem Bau von Abwasserreinigungsanlagenkonnte der Anteil der ungereinigt in die Seen gelan-genden Haushalts- und Industrieabwässer zuneh-mend vermindert werden.

− Als zusätzliche Reinigungsstufe wurde in bestehen-den Abwasserreinigungsanlagen die Phosphatfäl-lung eingeführt, womit das Phosphat grösstenteilsim Klärschlamm zurückgehalten werden kann.

− Das 1986 in Kraft getretene Phosphatverbot fürTextilwaschmittel zeigte grosse Wirkung.

Ergänzend wird daran gearbeitet, die diffusen Nähr-stoffeinträge aus den Landwirtschaftsflächen in dieGewässer zu verringern. Diese machen heute den ent-scheidenden Anteil der Nährstoffeinträge aus.

Heute kann der Zustand der meisten grossen Seen be-züglich Phosphor als gut bezeichnet werden. Proble-matisch bleiben Seen in Gebieten mit intensiver Land-wirtschaft. In einigen dieser Seen, z.B. im Baldegger-

und im Sempacher See, ist das Überleben von Pflanzenund Tieren bis heute nur dank seeinterner Massnah-men wie künstlicher Belüftung und Zirkulationshilfenmöglich.

6.4.3 Die Versorgung des Tiefenwassers mitSauerstoff

Die natürliche Versorgung des Tiefenwassers mitSauerstoff ist aufgrund der Temperaturschichtung imSommer auf das Winterhalbjahr beschränkt. Starkwindexponierte Seen mit einem flachen und breitenBecken zirkulieren regelmässig vollständig, relativwindgeschützte und schmale, tiefe Seen oft nur bis inbestimmte Tiefen. Beispielsweise zirkuliert der BrienzerSee nicht jedes Jahr vollständig. In solchen Seen hatauch die Erdwärme einen gewissen Einfluss auf dieTemperatur des Tiefenwassers. Durch die allmählichewenn auch nur geringfügige Erwärmung des Tiefen-wassers wird die Schichtungsstabilität reduziert, sodass nach einigen Jahren in einem kalten Winter eineZirkulation bis in grosse Tiefen einsetzen kann. Im Bri-enzer See wurde dies nach 1991 erst im Winter1998/1999 wieder beobachtet (GSA 2003).

Mit dem Absinken des Gesamtphosphorgehalts hat invielen Seen auch eine Verbesserung der Sauerstoffver-hältnisse während der Stagnationsphase stattgefun-den. Figur 6-13 zeigt die Entwicklung der Sauerstoff-gehalte einiger ausgewählter Seen über 20 Jahre.Neben positiv verlaufenden Entwicklungen (z.B. LeLéman, Lac de Neuchâtel) gibt es auch Seen, derenSauerstoffgehalt noch weit von der gesetzlichen An-forderung (4 mg Sauerstoff pro Liter, unter Vorbehaltbesonderer natürlicher Verhältnisse) entfernt sind. ImNordbecken des Luganer Sees sind aufgrund der che-mischen Schichtung in grösseren Tiefen nur leichteVerbesserungen feststellbar. Bei Sempacher- und Bal-degger See sind die positiven Auswirkungen der see-internen Massnahmen deutlich zu erkennen.

Fig. 6-12: Entwicklung des Gesamtphosphorgehalts ausgewählterSeen. Zielwert 10–25 mg/l (Daten: P. Liechti, BUWAL).

Baldegger See

Le Léman

Hallwiler See

Jahr

Ge

sa

mtp

ho

sp

ho

r[

g/l

]µ

200519951965 1975

200

500

400

300

1985

100

0

78

Fig. 6-13: Entwicklung der Sauerstoffverhältnisse in ausgewähltenSeen am Ende der sommerlichen Stagnationsphase (nach JAKOB et al.2004).

320

80

60

40

100

Baldegger

See

Tie

fe[m

]

300

280

260

240

220

200

180

160

140

120

Sem

pacherSee

ZugerSee

Lagodi Lugano

sud

Lagodi Lugano

nord

Lacde

Neuchâtel

LeLém

an

0

20

Qualitätsziel: 4 mg O /l2

Kein Sauerstoff (< 0,5 mg O /l)2

0,5 – 3,9 mg O /l2

4 – 8 mg O /l2

> 8 mg O /l2

Baldegger- und Sempacher See: Seeinterne Massnahmen(Belüftung / Zirkulationsunterstützung) seit 1983 / 1984

1979 / 1980

1989 1990/

1999 2000/

79

KennziffernTrink- und Brauchwassergewinnung in der Schweiz im Jahr 2001 Quelle: SVGW 2004Herkunft Volumen AnteilGrundwasser aus Förderbrunnen 377 Mio m3 36 %Grundwasser aus Quellen 491 Mio m3 48 %Seewasser 168 Mio m3 16 %Total 1036 Mio m3 100 %

Grundwasservorkommen in der Schweiz Quellen: BITTERLI et al. 2004, DOERFLIGER & ZWAHLEN 1998, GUILLEMIN

& ROUX 1992, POCHON & ZWAHLEN 2003, SVGW 2004Grundwasserleiter Flächenanteil Anteil an Wassergewinnung Fliessdauer pro 1 kmLockergesteins-Grundwasserleiter ca. 6 % 36 % 6 Monate bis 2 JahreKarst-Grundwasserleiter ca. 16 % 18 % 5 bis 50 StundenKluftgesteins-Grundwasserleiter ca. 78 % 30 % 2 Tage bis 1 Jahr

7.1 Wasser im Untergrund

Das Grundwasser ist der unterirdische, weitgehend un-sichtbare Teil des natürlichen Wasserkreislaufs; Wissen-schaft des Grundwassers ist die Hydrogeologie. Ge-steinsabfolgen, die Grundwasser enthalten und geeig-net sind es weiterzuleiten, werden als Grundwasser-leiter bezeichnet.

7.1.1 Grundwasser und Hydrogeologie

Grundwasser ist das Wasser, das Hohlräume (Poren,Trennflächen, Klüfte) im Gestein zusammenhängendausfüllt. Grundwasser wird vor allem durch Versicke-rung von Niederschlagswasser und Wasser aus Fliess-gewässern gebildet. Es bewegt sich ausschliesslichunter dem Einfluss der Schwerkraft und kann Tiefenvon mehreren Tausend Metern erreichen. Das Grund-wasser fliesst von den Infiltrationsgebieten in Richtung

der Exfiltrationsgebiete (vgl. Fig. 7-1). Grundwasserkann unterirdisch in Oberflächengewässer übertreten,an der Oberfläche natürlich austreten (Quellen) oderkünstlich gefasst werden (Förderbrunnen). Quellensind damit eine besondere Erscheinungsform desGrundwassers. Eine direkte Messung der Eigenschaftendes Grundwassers und des entsprechenden Grundwas-serleiters an jedem Punkt der Erdkruste ist unmöglich.Hydrogeologische Studien benötigen deshalb weitge-hend indirekte Methoden sowie Interpretationen.

Die Kenntnis der geologischen und hydrologischenVerhältnisse und der physikalischen Gesetze bezüglichHerkunft, Vorkommen, Bewegung und Eigenschaftendes Grundwassers ist Aufgabe der Hydrogeologie. Siestellt auch die Anwendung und Nutzung dieser Kennt-nisse für die Erkundung, die Erschliessung und denSchutz des Grundwassers sicher (CASTANY & MARGAT1977, GHO 1982, HÖLTING 1996, MÜLLER 1999).

7.1.2 Grundwasserleiter

Viele Gesteine sind geeignet, Grundwasser zu enthal-ten und weiterzuleiten. Unter den Grundwasserleiternwerden drei Haupttypen unterschieden: Lockerge-steins-, Karst- sowie Kluft-Grundwasserleiter(BUWAL 2004).

7 Grundwasser

Fig. 7-1: Erläuterungsskizze Grundwasser: Infiltrations- undExfiltrationsgebiete, Fliessrichtungen und Verweilzeiten (nachBOUZELBOUDJEN et al. 1997).

Tab. 7-1: Durchlässigkeit von Lockergesteinen: Grössenordnung(K-Wert) in m/s und Beschreibung (nach: SGTK ab 1972).

DurchlässigkeitGesteinsart K-Wert BeschreibungKiesig-sandiger Schotter 10-2–10-3 hochSchotter, sandig bis siltig 10-4 mittelLehmreicher Schotter 10-5 mittel bis geringFeinsand, Silt, Ton, Lehm < 10-5 gering bis sehr gering

80

Bei Lockergesteins-Grundwasserleitern (z.B. Kies, Sand)fliesst das Grundwasser durch die Poren im Gefüge.Die Fliessgeschwindigkeit beträgt in der Regel wenigeMeter pro Tag. Die Eignung eines Gesteins, das Wasserzu leiten, wird vom Gesetz von Darcy beschrieben (vgl.z.B. HÖLTING 1996). Entscheidend sind das Gefälle unddie Durchlässigkeit (K-Wert) (s. Tab. 7-1 und Fig. 7-2).

Q = K · S · i

mit: Q Durchfluss durch einen Grundwasserquerschnitt [m3/s]S Querschnittsfläche [m2]i Hydraulischer Gradient (Gefälle) [–]K Durchlässigkeitsbeiwert [m/s]

Eine Zusammenstellung der geschätzten Durchlässig-keiten der geologischen Schichtabfolgen zwischen Juraund Alpen und unter dem Molassebecken ist inPFIFFNER et al. (1997) sowie BOUZELBOUDJEN et al. (1997)aufgeführt.

Fig. 7-2: Lockergesteins-Grundwasserleiter.

Gewisse Gesteine (z.B. Kalk) können verkarsten, d.h.bestehende Trennflächen können durch Lösungspro-zesse erweitert werden und sich schliesslich zu einemdreidimensionalen Netz von offenen Klüften, Röhrenund Höhlen entwickeln (vgl. Fig. 7-3). In solchen Karst-Grundwasserleitern sind die Fliessgeschwindigkeitenräumlich und zeitlich sehr heterogen und können übermehrere zehn Meter pro Stunde betragen. Deshalbsind Grundwasservorkommen in Karst-Grundwasserlei-tern besonders empfindlich gegenüber Verschmutzun-gen.

Fig. 7-3: Karst-Grundwasserleiter (Skizze nach DEMATTEIS et al. 1997).

Bei den Kluft-Grundwasserleitern (z.B. Molassesand-steine, Flysche, Granite) fliesst das Grundwasser ent-lang von Trennflächen wie Klüften und Schichtfugen,je nach Gestein (z.B. Sandsteine) auch in Poren(vgl. Fig. 7-4). Die Fliessgeschwindigkeit ist von derÖffnungsweite der Trennflächen und vom Vernet-zungsgrad der Klüfte abhängig und kann von wenigenMetern bis zu mehreren hundert Metern pro Tag be-tragen.

Fig. 7-4: Kluft-Grundwasserleiter (nach POCHON & ZWAHLEN 2003).

81

7.2 Grundwasserstände undQuellschüttungen messen

Um quantitative Veränderungen der Grundwasserres-sourcen, die durch natürliche oder menschliche Ein-flüsse bedingt sein können, frühzeitig zu erkennen, isteine langfristige, quantitative Beobachtung des Grund-wassers notwendig. Diese stellt eine Grundlage für ei-ne landesweite nachhaltige Wasserversorgung dar. Zudiesem Zweck ist das Nationale Beobachtungsnetz derGrundwasserstände und Quellschüttungen seit 1975 inBetrieb.

Im Allgemeinen wird der Grundwasserstand in einemgelochten Rohr (Piezometer, Förderbrunnen), das imGrundwasserleiter eingebaut ist, manuell (mit einemLichtlot) oder automatisch gemessen (s. Fig. 7-5).

Die automatischen Messungen erfolgen mit Hilfe einesSchwimmers, eines Pneumatikpegels (Einperleinrich-tung) oder einer Drucksonde. Die Daten werden ent-weder analog auf Papier (Umlauftrommel) aufgezeich-net oder digital auf einem Modul gespeichert. In einemPiezometer wird in der Regel der natürliche Grundwas-serstand gemessen, in einem Förderbrunnen ist derWasserstand durch den Förderbetrieb beeinflusst.

Die Quellschüttung wird möglichst nahe beim Quell-austritt an einem natürlichen Querschnitt oder mitHilfe eines künstlichen Überlaufs gemessen. Analog zurAbflussmessung an Oberflächengewässern wird derWasserstand erfasst; die Schüttung (Abfluss) wird dar-aus mit Hilfe der Abflusskurve bestimmt (vgl. Kap. 5).

Das nationale Beobachtungsnetz der Grundwasser-stände und Quellschüttungen (NABESS) umfasst der-zeit 41 Piezometer und 2 Quellen und erlaubt eine all-gemeine nationale Übersicht (vgl. Fig. 7-6). Eine ersteSynthese über die Ergebnisse des Messnetzes NABESShaben BUTTET & EBERHARD (1995) erstellt. Die Tages-mittelwerte stehen dem interessierten Publikum zurVerfügung (s. www.bwg.admin.ch; s. auch «Hydrolo-gisches Jahrbuch der Schweiz», z.B. BWG 2004).Quantitative Grundwasserdaten werden auch gezieltvon Kantonen, Hochschulen und privaten Organisatio-nen erhoben; rund 1000 Stationen (Piezometer, För-derbrunnen, Quellen) konnten gesamtschweizerischbei einer Bestandesaufnahme identifiziert werden(SCHÜRCH et al. 2004; s. auch www.bwg.admin.ch).

Nebst der Messung der Grundwassermenge ist dieKontrolle seiner Qualität von entscheidender Wichtig-keit für die Trinkwassernutzung. Fragen der Wasser-

Fig. 7-5: Messprinzip und Datenerfassung mittels Piezometer (links)und Förderbrunnen (rechts) (nach SCHÜRCH et al. 2004).

Fig. 7-6: Eidgenössische Stationen zur Messung von Grundwasser-ständen und Quellschüttungen (Stand 2003) vor dem Hintergrundder dominierenden Grundwasserleitertypen (HydrogeologischeÜbersichtskarte der Schweiz).

82

qualität im Allgemeinen werden in Kapitel 9, die Qua-lität des Grundwassers im Besonderen in Kapitel 7.4behandelt.

7.3 Grundwasserregime

Die Grundwasserneubildung ist durch einen jahreszeit-lichen Rhythmus geprägt. Dies führt zu Schwankungendes Grundwasserspiegels und der Quellschüttungen.Bei den sehr ergiebigen Grundwasservorkommen ingut durchlässigen Schottern der ausgedehnten Fluss-täler z.B. erfolgt die Grundwasserneubildung überwie-gend durch die Flussinfiltration, mit Maxima meist imFrühling und Sommer.

Bei den grossen alpinen Flüssen Aare, Reuss, Rhein,Rhone und Inn wird das Grundwasser vor allem imFrühling und Sommer durch das Schnee- und Glet-scherschmelzwasser gespeist. Aus diesem Grund lagendie Grundwasserstände in den Talschottern dieser Flüs-se selbst im ausgeprägt trockenen Sommer 2003 zwargenerell tief, aber über dem langjährigen Minimum,wie z.B. bei Wartau (SG) (BUWAL / BWG / Meteo-Schweiz 2004) (vgl. Fig. 7-9).

Abflüsse und Grundwasserneubildung kleinerer Ein-zugsgebiete des Mittellandes sind durch den Verlauf

der Niederschläge und der Evapotranspiration be-stimmt. Überdurchschnittlich trockene Perioden kön-nen hier zu einem Defizit bei der Grundwasserneubil-dung führen, wie aus dem Vergleich der Ganglinie derMonatsmittel mit dem langjährigen mittleren Jahres-gang des Grundwassers bei Nebikon (Wiggertal, LU)ersichtlich ist (vgl. Fig. 7-7).

In einem Karst-Grundwasserleiter bewegt sich dasGrundwasser sowohl in einem zusammenhängendenNetz von Karströhren (Karstnetz) wie auch in zerklüfte-ten und im Allgemeinen gering durchlässigen Gesteins-massen. Das Karst-Grundwasser tritt an der Oberflächemeistens als Quelle aus, deren Ergiebigkeit stark in

Fig. 7-7: Grundwasserbilanz Nebikon – Winkel (LU). Vergleich der mittleren monatlichen Grundwasserstände der Einzeljahre mit denjenigender Periode 1989–2003 (nach SCHÜRCH et al. 2004).

Fig. 7-8: Quellschüttung aus Karst-Grundwasserleiter im Jahr 1993: Schlichenden Brünnen, Muotathal (SZ) mit Niederschlägen der StationBisisthal (nach SCHÜRCH et al. 2004).

Fig. 7-9: Saisonale Grundwasserstände im Flussschotter: Rhein –Wartau Weite B (SG) (nach BUWAL / BWG / MeteoSchweiz 2004).

463,0

464,0

J F M A M J J A S O N D

Wassers

tan

d[m

ü.M

.] 464,5

463,5

Minimum 1981–2002

Monatsmittel 1981–2002

Tagesmittel 2003

Monatsmittel 2003

Überschuss

Defizit

Mittlere monatliche Wasserstände der Periode 1989–2003

Mittlerer monatlicher Wasserstand

478

479

480

481

Wa

ss

ers

tan

d[m

ü.M

.]

1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

482

Niederschlag

Quellschüttung

0

2,5

5

7,5

Ab

flu

ss

[m/s

]3

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

60

40

20

0

Nie

de

rsc

hla

g[m

m]

83

GPGrundprogramm

HKW

HalogenierteKohlenwasserstoffe

PEPestizidePAN

Phosphat, Ammonium,Nitrit

BTBTEX, MTBE

SMSchwermetalle

Diverse EinzelstoffeEIN

Abhängigkeit der Witterungsbedingungen variiert. DieGanglinie der Tagesmittel für die Quelle SchlichendenBrünnen (SZ) (Fig. 7-8) illustriert die typischen Hydro-gramme dieser Quellen mit einer raschen und starkenZunahme bei Niederschlagsereignissen bzw. einer ra-schen Abnahme der Schüttungsmenge danach sowieeiner langsamen Abnahme in Zeiten mit wenig Nieder-schlag (vgl. Periode vom 9. Oktober bis 21. Dezember1993 in Fig. 7-8).

7.4 Die Qualität des Grundwassers

Über 80 % der Trink- und Brauchwasserversorgung derSchweiz wird aus Grundwasser gedeckt. Grundwassermuss somit im Hinblick auf seine langfristige Erhaltungnicht nur quantitativ, sondern auch qualitativ landes-weit beobachtet werden. Das Nationale Netz zur Beob-achtung der Grundwasserqualität soll diese Anforde-rung erfüllen.

7.4.1 Instrumente der landesweitenBeobachtung

Die Umsetzung von Grundwasserschutzmassnahmenverlangt ausreichende und langjährige Datenreihenüber den Grundwasserzustand. Bis anhin erhoben kan-tonale Labors, Wasserversorgungen und zunehmendauch kantonale Gewässerschutzämter solche Daten imHinblick auf ihre spezifischen Fragestellungen. Daten-reihen wurden auch von Hochschulen erhoben(KILCHMANN 2001).

Da auch eine nationale Übersicht gewährleistet werdenmuss, wurde 1997 das Nationale Netz zur Beobach-tung der Grundwasserqualität NAQUA ins Leben ge-rufen. Im Endausbau wird das Modul NAQUATREND

fünfzig möglichst repräsentativ über die ganze Schweizverteilte Messstellen zur langfristigen Beobachtungumfassen; Ende 2003 waren davon 48 in Betrieb (vgl.Fig. 7-10). Das Modul NAQUASPEZ erlaubt an ca. 500Messstellen gezielte Kampagnen zu speziellen Frage-stellungen im Zusammenhang mit der Qualität desGrundwassers.

7.4.2 Vorgehensschritte zur Datenbeschaffung

Wahl der NAQUA-Messstellen, Probenahme und Ana-lytik müssen strenge Anforderungen erfüllen (BUWAL /BWG 2002 und 2004, GREBER et al. 2002). Für die Aus-wahl der Messstellen wurde auf bereits bestehendeFörderbrunnen, Quellwasserfassungen und Piezometerzurückgegriffen. Das Messprogramm ist modulartig imBaukastensystem aufgebaut (vgl. Fig. 7-11). Es basiertauf einem Grundprogramm und zusätzlichen, jederzeitanpassbaren Zusatzprogrammen. Der Einsatz der Zu-satzprogramme hängt von der potentiellen anthropo-genen Belastungssituation (z.B. Landwirtschaft, Ver-kehr), den natürlichen Einflussfaktoren der jeweiligenStation und den vorhergehenden Analyseergebnissenab. Die vom beauftragten Labor abgelieferten Analy-senresultate werden umgehend einer ersten Auswer-tung unterzogen, so dass auch kurzfristig Anpassun-gen bei den Zusatzprogrammen künftiger Messungeneingeleitet werden können. Grundwasserproben wer-den – bei den Brunnen und Piezometern – erst nachausreichendem Vorpumpen und nach Erreichen kon-stanter Werte der kontinuierlich aufgezeichneten Feld-parameter abgefüllt.

Fig. 7-10: Messstellen NAQUATREND (Stand 2003) mit hauptsächlicherBodennutzung im hydrogeologischen Einzugsgebiet (Daten ausMessnetz NAQUATREND).

Fig. 7-11: Modulaufbau NAQUA – Das Grundprogramm kann mitbis zu sechs Zusatzprogrammen kombiniert werden (nach GREBER etal. 2002).

84

7.4.3 Darstellung ausgewählter Messreihen

Die dichte Besiedlung der Schweiz und die intensiveNutzung des Landes hinterlassen ihre Spuren imGrundwasser. Die Befunde zeigen, dass das schweizeri-sche Grundwasser und damit das Trinkwasser eine sehrgute Qualität aufweisen, denn die gefundenen Werteliegen nach heutigem Stand des Wissens in einer Grös-senordnung, in welcher keine Gesundheitsgefährdungzu erwarten ist. Die Werte sind hingegen als deutlicherHinweis darauf zu werten, dass mit den Bemühungenzum Schutz der Grundwasservorkommen intensiv wei-tergefahren werden muss (BUWAL / BWG 2004).

Von den Hauptinhaltsstoffen des Grundwassers ist Ni-trat der markanteste Indikator zur Beobachtung desEinflusses der Bodennutzung. Als Hauptquelle des Ni-trats im Grundwasser ist die landwirtschaftliche Boden-bewirtschaftung zu bezeichnen. Das Nitrat gelangtdurch Auswaschung des Bodens und über das infiltrie-rende Niederschlagswasser ins Grundwasser. Figur7-12 zeigt beispielhaft die mittleren und die maxima-len Nitratwerte für alle NAQUA-Messstellen in denJahren 2002–2003, gruppiert nach der Hauptboden-nutzung. Die Graphik belegt, dass die Bodennutzungmarkant die Nitratgehalte im Grundwasser und somitauch dessen Qualität bestimmt. Die verfügbaren Datenlassen zudem den Schluss zu, dass zwischen den Perio-den 1989–1991 (kantonale Daten) und 2002–2003(NAQUA-Daten) der mittlere Nitratgehalt in denschweizerischen Grundwasservorkommen abgenom-men hat.

Einen wichtigen Grund für die beobachtete durch-schnittliche Abnahme dürften generelle Veränderun-gen in der Landwirtschaft darstellen. Seit 1999 unter-stützt der Bund zudem Sanierungsprojekte, um die un-erwünschte Auswaschung von Nitrat ins Grundwasser

zu vermindern. Dabei verpflichten sich die Betriebe zubesonders wasserschonenden Produktionsmethoden(z.B. Umstellung von Ackerflächen auf Dauergrünlandmit extensiver Beweidung) (MEYLAN 2003). Die beidenin Figur 7-13 dargestellten exemplarischen Ganglinienzeigen mögliche Entwicklungen des Nitratgehaltes, jenach lokalen Verhältnissen. Während die Messstellemit Nitratprojekt seit ca. 1995 eine deutliche Abnahmedes Nitratgehalts zeigt, erhöhte sich dieser in derMessstelle ohne Nitratprojekt bis 1996 deutlich undkonnte seither, insbesondere durch die tiefgreifendenVeränderungen in der Landwirtschaft, etwa auf dasNiveau von 1989 gesenkt werden.

Im Rahmen des Spezialprogrammes NAQUASPEZ (Phase2002) wurden Pflanzenschutzmittel (am häufigsten

Fig. 7-12: Durchschnittlicher mittlerer und maximaler Nitratgehalt inAbhängigkeit der Hauptbodennutzung für die beprobten NAQUA-Messstellen (Periode 2002–2003) (nach BUWAL / BWG 2004).

Fig. 7-13: Zwei Förderbrunnen im östlichen Mittelland (Schotterausserhalb des Einflussbereichs eines Fliessgewässers). Hauptboden-nutzung Ackerbau (nach BUWAL / BWG 2004).

Fig. 7-14: Maximale Gehalte an Pflanzenschutzmitteln im Grund-wasser im Jahr 2002. Die Gewässerschutzverordnung (GSchV 1998)legt als Anforderung für Grundwasser, das als Trinkwasser genutztwird, eine maximale Konzentration an Pflanzenschutzmitteln von0,1 µg/l je Einzelstoff fest (nach BUWAL / BWG 2003).

2001199919971995199319911989

30

50

2003

Nit

rat

[mg

/l]

60

40

20

ohne Nitratprojekt

mit Nitratprojekt

5

15

30

10

0

20

25

Nit

rat

[mg

/l]

Siedlung undVerkehr

(87 Werte)

Ackerbau(92 Werte)

Übrige ganz-jährige Land-

wirtschaft(184 )Werte

Sömmerungs-weiden

(29 )Werte

Wald undunproduktive

Gebiete(76 )Werte

Durchschnittlicher Mittelwert

Durchschnittlicher Maximalwert

85

das Totalherbizid Atrazin und sein Abbauprodukt De-sethylatrazin) in einer grossen Zahl von Messstellennachgewiesen (vgl. Fig. 7-14). Nach heutigem Wis-sensstand handelt es sich dabei um gesundheitlich un-bedenkliche Spuren. Ihr Auftreten im Grundwassermuss aber aufmerksam verfolgt werden (BUWAL /BWG 2003, 2004).

Der Spurenstoff Bor kann geogenen und/oder anthro-pogenen Ursprungs sein. In der Natur ist er u.a. inzahlreichen Mineralien enthalten. Im Zusammenhangmit menschlichen Aktivitäten befindet er sich in derSchweiz vor allem im kommunalen Abwasser (Wasch-mittel und Medikamente), aber auch in zahlreichen in-dustriellen Produkten, Düngemitteln und Insektiziden.Deshalb kann er als Indikator für allgemeine anthropo-gene Beeinflussungen wie z.B. Deponieeinflüsse ver-wendet werden. Beim gegenseitigen Vergleich von Borund Natrium – ein Hauptinhaltsstoff, der ebenfallsgeogenen oder anthropogenen Ursprungs sein kann –ergibt sich eine positive Korrelation (vgl. Fig. 7-15). Beigleichzeitigem Nachweis höherer Konzentrationen vonBor und Natrium (GREBER et al. 2002, MATTHESS 1994,MERKEL & SPERLING 1996) ist die Wahrscheinlichkeitanthropogener Verunreinigung gross.

7.5 Grundwasser als Lebensraum

In den Grundwasserleitern lebt eine Vielzahl unter-schiedlichster einzelliger Mikroorganismen wie Bakteri-en und Protozoen. In speziellen Grundwasserhabitatenkönnen auch kleine vielzellige tierische Lebewesen be-obachtet werden. Diese Fauna besteht mehrheitlichaus Mikrokrustazeen. Alle autochthonen mikrobiellenArten sind harmlos und diese natürliche Lebensge-meinschaft (Biozönose) verstärkt die Reinigungs-funktion in den Grundwasserleitern. Gemäss Gewäs-serschutzverordnung vom 28. Oktober 1998 soll dieBiozönose unterirdischer Gewässer «naturnah undstandortgerecht» sein sowie «typisch für nicht oder nurschwach belastete Gewässer». Gegenwärtige Studienhaben zum Ziel, Beurteilungskriterien für natürlicheBiozönosen im Grundwasserbereich zu definieren.

7.5.1 Lebewesen im Grundwasserbereich

Untersuchungen über Mikroorganismen im Grundwas-ser konzentrierten sich bisher meist auf zwei Aspekte:das Vorkommen und den Transport von pathogenenMikroorganismen und die Rolle von Bakterien beimSchadstoffabbau. Durch die rasanten methodischenFortschritte im Bereich der molekularen Mikrobiologie

wurde jedoch zunehmend erkannt, dass auch in unver-schmutzten Grundwasserleitern eine Vielzahl unter-schiedlichster Mikroorganismen lebt, vor allem Bakteri-en, aber auch Archebakterien, Protozoen und Bakterio-phagen (GIBERT et al. 1994, GRIEBLER & MÖSSLACHER2003, HUNKELER et al. in Vorb.). Wie die Bakterien bil-den die Archebakterien eine wichtige Gruppe primiti-ver einzelliger Lebewesen, deren Zellen keinen Zellkernaufweisen; beide Gruppen sind genetisch grundlegendverschieden. Protozoen sind ebenfalls einzellige Lebe-wesen, die jedoch einen Zellkern besitzen. Bakterio-phagen sind eine Art Viren, deren Wirtszellen Bakteriensind; die Viren brauchen für ihre Entwicklung eine le-bende Zelle. Die Grösse einer Bakterie beträgt mehr-heitlich 0,5 bis 2 Mikrometer, diejenige der Protozoen,je nach Art, mehrheitlich 2 bis 200 Mikrometer.

Diese Mikroorganismen können natürlicherweise unddauerhaft im Grundwasserbereich leben oder von aus-serhalb stammen (autochthoner bzw. allochthonerCharakter). Die Herkunft der allochthonen Arten kannanthropogen oder natürlich sein. Zahlreiche Arten sindharmlos; die Bedeutung der pathogenen Arten ist vorkurzem analysiert worden (AUCKENTHALER & HUGGEN-BERGER 2003). Es scheint so zu sein, dass alle auto-chthonen Arten harmlos sind, während alle pathoge-nen Arten allochthon sind (HUNKELER et al. in Vorb.).

Neben den Mikroorganismen kann im Karstgrundwas-ser sowie in gewissen Lockergesteins-Grundwasserlei-tern auch eine Fauna beobachtet werden. Mit wenigenAusnahmen sind diese Lebewesen sehr klein (kleiner als3 mm). Auch diese Kleintiere können autochthonen

Fig. 7-15: Korrelation zwischen Bor und Natrium als Indikatormöglicher anthropogener Beeinflussung (Daten aus MessnetzNAQUATREND, Periode 1999–2002).

20

0,1

Natr

ium

[mg

/l]

30

10

00,080,060,040,020

Bor [mg/l]

86

bzw. allochthonen Charakters sein. Die in der Schweizbekannten, ausschliesslich im Grundwasserbereich le-bende Arten sind vor allem Krustazeen, Insekten, Ne-matoden und Mollusken; dabei stellen die Krustazeenden Grossteil der bekannten Arten dar (HUNKELER et al.in Vorb., persönliche Mitteilung P. Moeschler). In derSchweiz leben gewisse Arten, die jeweils nur in einerbeschränkten Region bekannt (endemische Arten) unddeswegen besonders schützenswert sind; z.B. die Mi-krokrustazee Gelyella monardi (s. Fig. 7-16).

Fig. 7-16: Die Mikrokrustazee Gelyella monardi wurde zum erstenMal im Karst-Grundwasserleiter, der die Quelle Combe-Garot (NE)speist, identifiziert. Sie lebt ausschliesslich im Grundwasser und ist0,3 mm lang (Zeichnung C. Marendaz nach MOESCHLER & ROUCH

1988).

Die Grundwasserfauna kann als natürlicher Indikatorfür hydrogeologische Untersuchungen verwendet wer-den; z.B. haben MOESCHLER et al. (1982, 1988) dieseFauna, insbesondere Mikrokrustazeen, für die Analyseder hydrodynamischen Verhältnisse in Karst-Grund-wasserleitern verwendet. Dabei wurde Quellwasserkontinuierlich beprobt, die Individuen der Mikrofaunagezählt und dann deren Anzahl mit der Ganglinie derQuellschüttung verglichen und interpretiert (Fig. 7-17).

7.5.2 Der Grundwasserbereich als Ökosystem

Die Bundesgesetzgebung verlangt die Erhaltung natür-licher Lebensräume für die einheimische Tier- undPflanzenwelt (Gewässerschutzgesetz vom 24. Januar1991) und legt fest, dass für unterirdische Gewässerdie Biozönose naturnah und standortgerecht sein sollsowie zudem typisch für nicht bzw. nur schwach bela-stete Gewässer (Gewässerschutzverordnung vom 28.Oktober 1998). Die gegenwärtige Gesetzgebung stelltdemnach nicht nur Anforderungen an die chemischeund mikrobiologische Wasserqualität, sondern defi-niert auch ökologische Ziele für das Grundwasser, waseiner Neuorientierung im Grundwasserschutz gleich-kommt. Diese Situation ist auch eine wissenschaftlicheHerausforderung: Eindeutige Beurteilungskriterien undMethoden für die Definition und den Nachweis natür-licher Biozönosen im Grundwasserbereich müssen erstnoch entwickelt werden. Entsprechende Studien sindim Gange (HUNKELER et al. in Vorb.). Bei dieser interdis-ziplinären Fragestellung werden die Erd-, Wasser- undLebenswissenschaften gemeinsam gefordert.

In HUNKELER et al. (in Vorb.) sind die Merkmale mikro-bieller Gemeinschaften im Grundwasser zusammenge-stellt. Der Lebensraum Grundwasser zeichnet sichdurch die Abwesenheit von Licht sowie meist durch ei-nen Mangel an organischem Kohlenstoff und Nähr-stoffen aus. Die Mikroorganismen befinden sich teils ineinem Zustand reduzierter Aktivität. Die Bakterien fin-den die für sie essentiellen Elemente wie Wasserstoff,Sauerstoff und Kohlenstoff sowie ihre Nährstoffe, z.B.Stickstoff, Phosphor, Kalium oder Schwefel, im Grund-wasserbereich. Zwischen den Bakterien und den Mine-ralkörnern des Gesteins bzw. den im Grundwassertransportierten gelösten und ungelösten Substanzenfinden vielfältige Wechselwirkungen statt. Bakterienkönnen die Oberfläche der Mineralkörner besiedeln.Diese natürliche Lebensgemeinschaft verstärkt die Rei-nigungsfunktion im Grundwasserleiter. OrganischerKohlenstoff wird von gewissen Bakterien konsumiert,welche von Protozoen vertilgt werden, die wiederumdie Nahrungsgrundlage für die Mikrofauna bilden. Dieräumliche geochemische Heterogenität der Grundwas-serleiter spiegelt sich in der Heterogenität der mikro-biellen Gemeinschaften wider. Grenzflächen zwischenunterschiedlichen Bereichen der Grundwasserleiter(z.B. Kapillarsaum als Grenzbereich zwischen wasser-gesättigter und -ungesättigter Zone, Grenzflächenzwischen unterschiedlichen lithologischen Einheitenwie Tonlinsen und Kies oder Grundwasserleiter und-stauer) zeichnen sich oft durch besonderen Arten-reichtum aus und werden als Ökotone bezeichnet.

Fig. 7-17: Häufigkeit verschiedener Mikrokrustazeen in der Quelleder Areuse (NE) während des Hochwasserereignisses vom 8. Oktober1980 (nach MOESCHLER et al. 1982).

0

200

An

za

hl

Ind

ivid

ue

n

400

100

300

Ab

flu

ss

[m/s

]3

20

10

5

07.10. 9.10. 10.10.8.10.

Nauplii

Cyclopides 15

0 1 mm

Abfluss

87

Typische Habitate für Mikroorganismen im Grundwas-serbereich sind in den Figuren 7-18 und 7-19 darge-stellt. Bei manchen Grundwasserhabitaten sind auchstarke zeitliche Variationen in der Besiedlung durchMikroorganismen zu beobachten.

7.6 Anwendung von Tracern imGrundwasser

In der angewandten Hydrogeologie werden verschie-dene Methoden wie geologische Kartierung, geophysi-kalische Untersuchungen, Bohrungen und Markierungdes Grundwassers eingesetzt. Zur Markierung werdenkünstliche oder natürliche Tracer verwendet. Der Ent-wicklungsstand dieser Methodik entspricht den heutegestellten, hohen Ansprüchen bei der Untersuchungder Stoffausbreitung im Untergrund und beim Grund-wasserschutz im Allgemeinen.

7.6.1 Einsatz künstlicher Tracer

Das Prinzip ist einfach: Mit Hilfe eines noch bei grosserVerdünnung nachweisbaren Markierstoffes (engl. Tra-cer) wird Wasser markiert, um seine Ausbreitung ver-folgen zu können (vgl. Fig. 7-20). Die Tracerankunftwird durch eine geeignete Beprobung an den mögli-chen Wiederaustrittsstellen beobachtet und analytischim Feld oder im Labor quantitativ ermittelt. Die amhäufigsten verwendeten Substanzen sind wasserlösli-che Markierstoffe (Fluoreszenztracer und Salze)(BÄUMLE et al. 2001, SCHUDEL et al. 2002).

Die Markiertechnik ermöglicht es, folgende Fragen zubeantworten:

− Wohin fliesst das Wasser?− Woher kommt es?− Besteht zwischen zwei Punkten eine Verbindung?− Wie breiten sich Stoffe im Wasser aus?− Wie lange bleibt das Wasser im Untergrund?− Wie gross ist die Fliessgeschwindigkeit des Wassers

im Untergrund?

Mit dieser Methode können z.B. die Begrenzung deshydrogeologischen Einzugsgebietes einer Quelle oderhydraulische Parameter des Grundwasserleiters be-stimmt werden. Die vorliegenden Tracerdurchgangs-kurven – auch Durchbruchskurven genannt – zeigen

Fig. 7-18: Vorkommen von Mikroorganismen (Habitate und Mikro-habitate) in einem Lockergesteins-Grundwasserleiter (nach HUNKELER

et al. in Vorb.).

Fig. 7-19: Karst-Grundwasserleiter bieten eine Vielzahl unterschied-licher Habitate für Mikroorganismen (nach HUNKELER et al. in Vorb.).

Fig. 7-20: Markierversuch in einem Karstsystem, Covatanne-Schlucht(VD).

88

beispielhaft die Ergebnisse von Markierversuchen, diefür die Ausscheidung von Grundwasserschutzzonenbei Kluft-Grundwasserleitern im Tessin durchgeführtwurden (vgl. Fig. 7-21 und Fig. 7-22).

Seit der Inbetriebnahme von INFO-TRACER, der zentra-len Koordinationsstelle für Markierversuche im Grund-wasser (www.bwg.admin.ch) im Jahre 1984, werdenin der Schweiz jährlich 100–500 Versuche gemeldet.

7.6.2 Anwendung natürlicher Tracer

Die künstlichen Tracer eignen sich besonders für dieUntersuchung von Grundwässern mit beschränkterVerweilzeit (z.B. einige Stunden bis einige Wochen),während die natürlichen Tracer (z.B. gelöste Stoffe,Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit, Mikrobio-logie, Isotope) eher ein Langzeitbild oder eine gross-räumige Information ergeben.

Die Isotope, die im Wasserkreislauf natürlich vorhan-den sind, ohne dass eine künstliche Anreicherung fürden Bedarf einer Studie vorgenommen wird, werdenals Umweltisotope bezeichnet. In der angewandtenHydrologie und Hydrogeologie werden sie oft als na-türliche Tracer verwendet. Dabei sind Sauerstoff-18,Deuterium und Tritium als Bestandteile des Wasser-moleküls ideale Tracer. Sie werden keinen Wechselwir-kungen mit der Umwelt unterzogen und ihre Bewe-gung ist identisch mit jener des Wassers. Sauerstoff-18und Deuterium sind stabile Isotope; ihre Konzentrationvariiert mit den Phasenänderungen des Wassers. Tri-tium ist radioaktiv. Diese Eigenschaften sind Grund fürdie vielseitige Anwendbarkeit von Isotopen-Methoden(ETCHEVERRY 2002, PARRIAUX et al. 2001, SIEGENTHALER etal. 1983) (vgl. Kap. 10.5).

Figur 7-23 zeigt beispielhaft die Anwendung von Sau-erstoff-18 als natürlichem Tracer für die quantitativeAnalyse der Grundwasserneubildung durch Flussinfil-tration im Bereich Kappelen (Seeland). Das Grundwas-ser wird teilweise direkt durch die lokalen Niederschlä-ge gespeist, teilweise durch Flussinfiltration. Das Ein-zugsgebiet des infiltrierenden Oberflächengewässersliegt bedeutend höher als dasjenige des Seelands. So-mit hinterlässt Sauerstoff-18 einen unterschiedlichen«Fingerabdruck» im Niederschlag bzw. im Aarewasser.Durch die Anwendung eines Mischmodells mit zweiKomponenten kann der Anteil an infiltrierendem Aare-wasser im Grundwasser ermittelt werden (WEA 1989).

Fig. 7-21: Markierversuche an der Quelle von Livurcio (TI). DistanzImpfstelle–Quelle: 25 m (Tiopal), 80 m (Uranin), Einspeisung am19.05.2000 (nach POCHON & ZWAHLEN 2003).

Fig. 7-22: Markierversuch an der Quelle Borgnone (TI), 14.–27.09.2000. Distanz Impfstelle–Quelle: 90 m (nach POCHON &ZWAHLEN 2003).

Fig. 7-23: Anteil Aareinfiltrat im Grundwasser, bestimmt aufgrunddes Sauerstoffisotopen-Verhältnisses (Probenahmestellen – Piezo-meter – sind nicht dargestellt) (nach WEA 1989).

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Aare - Hagneck-Kanal

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Einspeisung:14.09.200018:00 Uhr

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89

Gesteinsart Standort bzw. Gebiet K-Wert [m/s] ReferenzUntere Untere Untere Untere SüsswassermolasseSüsswassermolasseSüsswassermolasseSüsswassermolasseMittel- und Grobsandstein (Typ «Rinnengürtel») Bohrung, Burgdorf (BE) 4 · 10-8–4 · 10-6 AMMANN et al. 1993Fein- bis Mittelsandstein (Typ «Durchbruchsflächen») Grauholztunnel (BE) < 5 · 10-10–5 · 10-6 DOLLINGER 1997Palfris-Formation (Untere Kreide)Palfris-Formation (Untere Kreide)Palfris-Formation (Untere Kreide)Palfris-Formation (Untere Kreide)Mergelig-tonige Schiefer Wellenberg (NW) oberflächennah 10-11–10-8 NAGRA 1997Mergelig-tonige Schiefer Wellenberg (NW) > 300 m Tiefe 10-13–10-11 NAGRA 1997Opalinuston (Opalinuston (Opalinuston (Opalinuston (Aalénien)Aalénien)Aalénien)Aalénien)Tonstein Felslabor Mont Terri (JU) 2–9 · 10-13 PEARSON et al. 2003Lockergesteine in den TalsohlenLockergesteine in den TalsohlenLockergesteine in den TalsohlenLockergesteine in den TalsohlenSandiger Kies (sehr ergiebiger Grundwasserleiter) Grundwasserleiter der Aare

zwischen Thun und Bern (BE)2 · 10-3–2 · 10-2 PASQUIER et al. 1999

Kies (z.T. siltig) und Sand(ergiebiger Grundwasserleiter)

«Oberer Grundwasserleiter» desGürbetals (BE)

3 ·10-5–5 · 10-3 PASQUIER et al. 1999

7.7 Wasser in geringdurchlässigenGesteinen

Eine Herausforderung für die zeitgemässe Hydrogeo-logie, vor allem seit den achtziger Jahren, stellt dieUntersuchung der geringdurchlässigen Gesteine dar.Die Entwicklung der Kenntnisse in diesem Bereich istmit der Problematik der konventionellen Abfallentsor-gung sowie der Endlagerung der radioaktiven Abfällenötig geworden. In den letzten Jahren konnte in derSchweiz von neuen Untertagebauprojekten und Boh-rungen Nutzen gezogen werden, um wichtige hydro-geologische Daten über diese Gesteine zu beschaffen.Das Felslabor Mont Terri z.B. wurde in der Abzwei-gung eines Autobahntunnels erstellt.

7.7.1 Geringe Durchlässigkeiten undMessanforderungen

Die geringdurchlässigen Gesteine kommen in Sedi-ment- (z.B. Tonformationen) und in Kristallingesteinen(z.B. Granit) vor. Sie stellen keine eigentlichen Grund-wasserleiter dar, da sie es nicht ermöglichen, Grund-wasser in ausreichenden Mengen zu fördern. Sie sindjedoch in der Regel wassergesättigt und dieses Wasser,obschon in extrem langsamer Bewegung, ist Teil einesGrundwasserströmungssystems. Aus Figur 7-24 undTabelle 7-2 ist ersichtlich, dass die Durchlässigkeit die-ser Gesteine – z.B. des Opalinustons – ein Milliardenmal geringer als jene eines ergiebigen Grundwasser-leiters sein kann. Diese Tatsache hat zur Folge, dass diehydrogeologisch relevanten Messgrössen extrem kleinsind und dass die Messung der Eigenschaften dieserGesteine sowie die Entnahme von Wasserproben sehrhohe Anforderungen an die Mess- und Beprobungs-

technologie stellt. Die Beeinflussung der natürlichenGesteinsverhältnisse durch die Untersuchungsvorgänge(z.B. durch Bohrarbeiten) bzw. die Verformung derMessausrüstungen (z.B. durch mechanische oder ther-mische Beanspruchung) müssen bei der Versuchskonzi-pierung und -durchführung mit der grössten Aufmerk-samkeit berücksichtigt werden.

7.7.2 Art der Grundwasserzirkulation – einBeispiel

Wichtige Parameter, die zur hydrogeologischen Cha-rakterisierung geringdurchlässiger Gesteine relevant

Tab. 7-2: Durchlässigkeit (K-Wert) von geringdurchlässigen, sedimentären Gesteinen anhand ausgewählter Beispiele (oben). Zum Vergleichsind K-Werte von zwei Lockergesteins-Grundwasserleitern aufgeführt (unten).

Fig. 7-24: Durchlässigkeit: Grössenordnungen und Beschreibungen(nach TRIPET et al. 1990).

10-1 010-1 2 10-8 10-6 10-4 10-2

Durchlässigkeitsbeiwert K [m/s]

2. Wasserführung

Ton Feinsand, siltiger Sand Sand, Kies

1. Gesteinstyp am Beispiel der Lockergesteine

3. Beschreibungunter dem Gesichtspunkt der Grundwasserbewirtschaftung

der Durchlässigkeit

4. Beschreibung der Durchlässigkeit unter dem Gesichtspunkt der Ingenieurgeologie

5. Ermittlung der Durchlässigkeit durch Messungen in Bohrungen

In Untertagebauten:Felsoberfläche weitgehendtrocken

In Untertagebauten:Nässe, Tropfen

Grundwasserleiter

Undurchlässig Sehr gering bis gering Mittel bis hoch

Sehr gering Gering SehrhochMittel Hoch

Hydraulische Versuche mit Spezialausrüstung(Packerversuche, z.B. «slug tests», «pulse tests»)(NAGRA 2001)

Pumpversuche, Absenkversuche,«Lugeon» - Tests(P 1997, M & U 2003)RINZ ATTHESS BELL

90

sind, stellen vor allem die Lithologie (Gesteinsart), dieDurchlässigkeit (vgl. Tab. 7-2), die Porosität, die Poren-geometrie, die Grundwasserbeschaffenheit, die Fakto-ren der Transportprozesse (z.B. Schwerkraft, Diffusion),die Herkunft und das Alter des Wassers dar. Die Figur7-25 zeigt beispielhaft ein Profil des Chloridgehaltes ineiner Abfolge von Tonformationen (Opalinuston undLias-Mergel).

Fig. 7-25: Profil der Chlorid-Konzentration im Porenwasser desOpalinustons (nach PEARSON et al. 2003).

Die Proben wurden im Felslabor Mont Terri (JU) ent-nommen. Die Tonformationen liegen zwischen zweiwasserführenden, rund 45° nach Südosten einfallen-den Kalkabfolgen: unten der Gryphitenkalk (links inFig. 7-25), oben die Dogger-Kalke (rechts in Fig. 7-25).Der Chloridgehalt ist als «Fingerabdruck» des ur-sprünglichen Meerwassers aus der Zeit der Ablagerungder Sedimente, vor ca. 180 Millionen Jahren, zu inter-pretieren. Die höchste Konzentration erreicht mit rund14'000 mg/l ungefähr zwei Drittel der Konzentrationvon Meerwasser. Die Abnahme des Chloridgehaltesgegen die untere bzw. obere Formationsgrenze istdurch diffusen Abtransport von NaCl vom Opalinustonin die benachbarten durchlässigeren Kalkabfolgen ent-standen. Diese Abnahme der Salinität dürfte vor ca.2,5 Millionen Jahren eingesetzt haben, als die Erosionder Jurakette eine Wasserinfiltration in die aufliegen-den Dogger-Kalke ermöglicht hat (BOSSART & WERMEILLE2003); die Salinitätsabnahme hat noch kein Gleichge-wicht erreicht und schreitet immer noch voran. Diegegenwärtig beobachtete, langsame Wasserzirkulation

in den Tonformationen gegen das Felslabor (Stollenund Bohrungen) wird jedoch auf die Drainagewirkungdes Stollensystems zurückgeführt. Eine Synthese überdie hydrogeologischen Verhältnisse des Opalinustonsam Standort Mont Terri ist in HEITZMANN (2004) prä-sentiert.

7.8 Grundwasser alsGefahrenpotential

Das Grundwasser kann auch ein Gefahrenpotential bil-den. Die konsequente Messung der relevanten Para-meter liefert die unentbehrliche Grundlage zur Planunggeeigneter präventiver Massnahmen zur Verminderungder potentiellen Schäden.

7.8.1 Grundwasser und Überschwemmungen

Wie die katastrophalen Hochwasser von 1999 und2000 in der Schweiz gezeigt haben, sind die jeweiligenGrundwasserverhältnisse vor und während der Hoch-wasserperiode oft entscheidend für die Intensität vonÜberschwemmungen. Je nach den örtlichen Verhält-nissen kann der Anstieg der Grundwasseroberflächefür Überschwemmungen und Schäden verantwortlichsein. In Locarno löste der extrem hohe Seewasserstandvom 14.–15. Oktober 2000 einen Grundwasseranstiegaus; Heizöltanks wurden infolge des Auftriebs aus ihrerVerankerung gerissen und verursachten eine Ver-schmutzung (vgl. Fig. 7-26). Im Hinblick auf die Ver-meidung einer solchen Situation sind bauliche Mass-nahmen (Sicherung der Tanks, Gebäudekonzipierung)möglich.

Durch eine Studie im Rhonetal (VS) wurde gezeigt, wiedie von einem Grundwasseranstieg gefährdeten Zonenausgeschieden werden können (FAGERLUND 2001). Bei

Fig. 7-26: Hochwassersituationsskizze Locarno, Oktober 2000 (nachDUPASQUIER & PARRIAUX 2002).

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Niederschlag

Seitlicher Zufluss (> 2 mm/Tag)

Verschiebung

Bedarf können somit geeignete raumplanerische Mass-nahmen getroffen werden. Für diese Studie wurdenebenfalls die Daten aus dem hundertjährigen Hoch-wasser vom Oktober 2000 ausgewertet (vgl. Fig. 7-27).Die Analyse beruht auf dem dichten Messnetz zurBeobachtung des Grundwasserstandes im Rhonetalzwischen dem Genfersee und Visp (www.crealp.ch).

Fig. 7-27: Hochwasserereignis vom Oktober 2000 im Rhonetal:Ausschnitt aus der Karte der maximalen Amplitude des Grund-wasserstandes, am 16.10.2000 (nach FAGERLUND 2001).

7.8.2 Grundwasser und Massenbewegungen

Grundwasser stellt einen der massgebenden Faktorenbei der Auslösung und dem Verlauf von Massenbewe-gungen – wie Rutschungen, Felsstürze, Hangmuren –dar. Das Grundwasser hat einen ungünstigen Einflussauf die hydraulischen sowie fels- und bodenmechani-schen Verhältnisse innerhalb der instabilen Masse. Beider Rutschung von La Frasse (nordöstlich Aigle, VD)wurden die Verschiebungsbeträge einerseits mit demNiederschlag, andererseits mit dem Grundwasserzu-fluss verglichen (NCG+EPFL 2004). Dabei wurde keindirekter Zusammenhang zwischen Verschiebungenund Niederschlägen beobachtet; diese Situation wirdbei den meisten Rutschungen, die durch eine tiefereGleitfläche gekennzeichnet sind, festgestellt. Hingegenbesteht eine gute Übereinstimmung zwischen den Ver-schiebungen und dem Grundwasserzufluss, der seitlichentlang der Ränder der Rutschmasse stattfindet (vgl.Fig. 7-28).

Die Rutschung liegt im Flysch, ist ca. 2 km lang und500 bis 1000 m breit. Die ersten Verschiebungsmes-sungen wurden bereits Mitte des 19. Jahrhunderts imZusammenhang mit dem Bau der Kantonsstrasse vor-genommen. Erste präventive Massnahmen durch Drai-nage wurden Anfang der 1920er Jahre durchgeführt.

Einen wichtigen Beitrag zur dauerhaften Sanierung derRutschung kann eine Absenkung der Wasserdrücke lei-sten, da diese Drücke den massgebenden Faktor fürdie Gleitbewegungen der Rutschung bilden. Zu diesemZweck wird ein Drainagesystem empfohlen mit einemca. 1 km langen Drainagestollen unterhalb der Rutsch-fläche und vom Stollen her nach oben gerichtetenDrainagebohrungen. Ein ähnliches System wurde inden Jahren 1993 bis 1996 zur Sanierung der Rut-schung von Campo Vallemaggia (TI) ausgeführt (vgl.Fig. 7-29). Die bisherigen Kontrollmessungen deutenauf eine deutliche Wasserdruck-Absenkung und einebefriedigende Stabilisierung der Gleitmasse hin.

Die Rutschung von Campo Vallemaggia liegt in Kristal-lingesteinen (Metamorphiten) auf einer Fläche vonmehr als 5 km2 mit einer Mächtigkeit von bis zu 250 mund einem Gesamtvolumen von rund 800 Mio m3

Fig. 7-28: Rutschung von La Frasse, Zusammenhang zwischenseitlichem Grundwasserzufluss und Verschiebungsbeträgen,kumuliert von Juli 1982 bis Dezember 1995. Die Übereinstimmungwurde verbessert, indem die niedrigen täglichen Zuflusswerte(< 2 mm/Tag) vor der Kumulierung ausgeklammert wurden (nachNCG+EPFL 2004).

Fig. 7-29: Rutschung von Campo Vallemaggia, schematischerLängsschnitt mit Detail des Drainagesystems (nach LOMBARDI 1996).

92

(BONZANIGO 1998 und 1999, LOMBARDI 1996). Sie stellteine der grossen Rutschungen Europas dar. Die erstenBohrungen zur Untersuchung der Rutschung wurdenim Jahre 1962 abgeteuft.

7.9 Grundwassernutzung

Das Grundwasser ist unser wichtigster Rohstoff. DerTrink- und Brauchwasserbedarf der Schweiz wirdmehrheitlich aus dem Grundwasser gedeckt. Die Fas-sungsanlagen liefern ein Wasser guter Qualität, wovonder grösste Teil mit einer einfachen oder sogar ohneBehandlung zu den Verbrauchern gelangt. Das Grund-wasser ist aber auch ein ausserordentlich guter Wär-melieferant für unterschiedliche Heizzwecke und bildetsomit eine einheimische und umweltfreundliche Ener-giequelle.

7.9.1 Grundwasser für die Wasserversorgung

In der Schweiz fördern die rund 3000 öffentlichenWasserversorgungen jährlich über 1000 Mio m3 Trink-wasser, wovon mehr als 80 % aus dem Grundwassergedeckt werden. Im Jahre 2001 stammten 48 % ausQuellen und 36 % aus Förderbrunnen, 16 % warenaufbereitetes Seewasser (BFS 2002, SVGW 2004). InGemeinden mit weniger als 10'000 Einwohnerinnenund Einwohnern, wo 54 % der Schweizer Bevölkerungleben, hängt die Trinkwasserversorgung sogar zu 98 %vom Grundwasser ab (MEYLAN 2003, SVGW 2002).Rund 46 % des Grundwassers aus Quellen und Förder-brunnen können ohne jegliche Aufbereitung oderDesinfektion an die Verbraucher abgegeben werdenund 40 % benötigen lediglich eine einfache Aufberei-

tung (z.B. Behandlung mit Chlor, UV-Licht oder Ozon)(BUWAL 1993).

Das Grundwasser wird in speziell dafür geeigneten,den hydrogeologischen Verhältnissen am Fassungs-standort und dem Wasserbedarf angepassten Anlagengefasst. Dabei handelt es sich hauptsächlich um För-derbrunnen (Vertikal- und Horizontalfilterbrunnen)(vgl. Fig. 7-30), Quellfassungen (vgl. Fig. 7-31)(BUWAL 2004) und Anlagen zur künstlichen Grund-wasseranreicherung für die Wasserversorgung (z.B. inGenf, Basel, Zürich, vgl. Abschnitt 7.11.2). Ein Hori-zontalfilterbrunnen besteht aus mehreren Filtersträn-gen, die von einem vertikalen Fassungsschacht aus ho-rizontal in den Grundwasserleiter gebohrt sind.

Etwa die Hälfte des genutzten Grundwassers kommtaus Förderbrunnen in den Talschotterebenen, diegrösstenteils durch wichtige Flüsse – u.a. durch diegrossen alpinen Flüsse – gespiesen werden. In den al-pin beeinflussten Grundwasserleitern treten die Maxi-ma des Grundwasserstandes meist im Frühling undSommer auf, wobei die Schneeschmelze verstärkendwirkt. Somit findet dort eine genügende natürlicheGrundwasseranreicherung im Prinzip auch bei anhal-tender Trockenheit statt.

Hingegen kommt die andere Hälfte des genutztenGrundwassers aus Quellen; wenn diese durch oberflä-chennahes Grundwasser gespiesen werden, kann eineanhaltende Trockenheit zum ausgeprägten Rückgangder Quellschüttungen führen. Deshalb ist bei den Ge-meinden, wo eine solche Situation regelmässig wie-derkehren kann, ein Anschluss an grössere Wasserver-bundnetze von Vorteil (BUWAL / BWG / MeteoSchweiz2004).

Fig. 7-30: Blick in einen Förderbrunnen, Lockergesteins-Grundwasserleiter (Pumpwerk von Lenzburg in Niederlenz, AG).

Fig. 7-31: Stollen zur Quellfassung, Karst-Grundwasserleiter (Sourcede la galerie des Moyats, Quelle der Stadt La Chaux-de-Fonds, NE).

93

7.9.2 Grundwasser als Wärmelieferant

Unterhalb der Erdoberfläche ist natürliche Energie inForm von Wärme gespeichert. Im Schnitt nimmt dieTemperatur ab Erdoberfläche pro 100 m Tiefe um et-wa 3 °C zu. Diese Energie (geothermische Energie,auch als Erdwärme bezeichnet) ist u.a. im Grundwas-ser gespeichert und kann für unterschiedliche Heiz-zwecke genutzt werden. Drei Nutzungsmethoden kön-nen unterschieden werden (BFE 1998), wobei unterir-dische Wärmetauscher, bei denen kein Grundwassergefördert wird (z.B. Erdwärmesonden, die zum Teilauch bis ins Grundwasser reichen), ausgeklammertsind.

Die erste Methode bildet die Wärmenutzung der «un-tiefen» (d.h. Tiefe von max. 400 m) Grundwasservor-kommen (BURGER et al. 1985). Grundwassertempera-turen betragen in der Schweiz im oberflächennahenBereich (5 bis 20 m) im Mittel 8 bis 12 °C und unterlie-gen nur sehr geringen jahreszeitlichen Schwankungen.Bei dieser Methode wird durch einen FörderbrunnenGrundwasser entnommen und dessen Wärme von ei-ner Wärmepumpe entzogen (vgl. Fig. 7-33). Allein imKanton Bern z.B. sind mehr als 900 solcher Anlagenmit einer thermischen Leistung von insgesamt über50 MW in Betrieb (SVG 2002b).

Die zweite Methode entspricht der Nutzung von Sub-thermal- bzw. Thermalquellen (Temperatur von 15 bis20 °C bzw. > 20 °C) oder von tiefen Grundwasservor-kommen mittels Bohrungen (Singletten- oder Dou-bletten-Anlagen). In der Schweiz fördern sechs Tief-bohrungen (Tiefe ca. 550 bis 1550 m, Auslauftempera-tur 23 bis 69 °C) mit einer thermischen Leistung voninsgesamt über 10 MW warmes Grundwasser für Heiz-

zwecke, wie z.B. die geothermische Heizanlage in Rie-hen (BS) oder Thermalbäder. Dreizehn Thermalzentrennutzen warmes Grundwasser mittels Quell- und Brun-nenfassungen oder Tiefbohrungen (BFE 1998, SVG2003, VUATAZ & FEHR 2000) (s. Fig. 7-32, Fig. 7-34).

Die dritte Methode bildet die Nutzung von warmenTunnelwässern. Das gesamte geothermische Potentialvon fünfzehn untersuchten Tunnels beläuft sich aufgegen 30 MW, was dem Wärmebedarf von etwa 4000Haushalten entspricht; davon sind fünf Strassen- undEisenbahntunnels bereits an eine geothermische Heiz-anlage gekoppelt – z.B. die Tunnels von Ricken (SG),von Mappo-Morettina (TI) und der Furka (VS) (SVG2002a).

Fig. 7-32: Pumpversuch in der Tiefbohrung von Lavey-les-Bains (VD).Die Austrittstemperatur des Wassers beträgt 68 °C.

Fig. 7-33: Beheizung eines Einfamilienhauses mit der Wärme vonGrundwasser (nach SVG 2002b).

Fig. 7-34: Thermalquelle im Bäderpark von Val d’Illiez (VS). DieAustrittstemperatur des Wassers beträgt maximal 30 °C.

94

7.10 Grundwasserschutz

Der Trink- und Brauchwasserbedarf der Schweiz wirdzu mehr als 80 % durch die Grundwasservorkommenaus durchlässigen Locker- und Festgesteinen gedeckt.Grundwasser ist aber auch ein wesentlicher Bestandteildes natürlichen Wasserkreislaufes und vieler Ökosyste-me. Die in den 1990er Jahren revidierte Gewässer-schutzgesetzgebung bezweckt unter anderem denquantitativen und qualitativen Schutz des Grundwas-sers vor nachteiligen Einwirkungen und soll dessennachhaltige Nutzung unter Berücksichtigung ökolo-gischer Ziele ermöglichen.

7.10.1 Grundwassergefährdung

Die Beschaffenheit des Grundwassers hängt unter na-türlichen Bedingungen wesentlich vom durchflossenengeologischen Substrat ab (DEMATTEIS et al. 1997). Ge-wisse für die Wasserversorgung unerwünschte Eigen-schaften wie z.B. eine hohe Mineralisation oder einniedriger Sauerstoffgehalt (BITTERLI et al. 2004) könnendie Folge von besonderen lokalen geologischen Ver-hältnissen sein. Die natürliche Grundwasserbeschaf-fenheit wird aber auch durch menschliche Aktivitätenverändert oder ist zumindest dadurch gefährdet. Bei-spiele sind die Auswaschung von Nährstoffen (z.B. Ni-trat) und Pflanzenschutzmitteln (z.B. Herbizide) auslandwirtschaftlichen Nutzflächen, Gärten und Sport-anlagen, die mikrobiellen Belastungen als Folge vonfalsch ausgebrachter Gülle, der Sickerverluste aus un-dichten Abwasserkanalisationen und Güllegruben oderdie Gefährdung durch Tankanlagen (BUWAL 2004). InFigur 7-35 sind die verschiedenen Arten von Ver-schmutzungsquellen aufgeführt. In mengenmässigerHinsicht besteht auch eine Gefährdung durch gewisseunerwünschte Eingriffe wie z.B. durch Bauwerke un-terhalb des Grundwasserspiegels (drainierende Wir-kung oder Verringerung des Grundwasserdurchfluss-profils) oder durch eine intensive Überbauung (Boden-versiegelung).

7.10.2 Grundsätze des Grundwasserschutzes

Angesichts möglicher negativer Umwelteinflüsse ist derGrundwasserschutz gemäss Gewässerschutzverord-nung vom 28. Oktober 1998 einerseits flächendeckendumzusetzen. Andererseits ist aber durch den speziellen(nutzungsorientierten) Schutz für das genutzte und zurNutzung vorgesehene Grundwasser jederzeit und dau-erhaft eine einwandfreie Trinkwasserversorgung sicher-zustellen (vgl. Fig. 7-36) (BUWAL 2004).

Die hauptsächlichen Instrumente, um den qualitativenGefährdungen des Grundwassers zu begegnen, sind:

− numerische Grundwasser-Qualitätsanforderungen;die Überschreitung dieser physikalisch-chemischenIndikatorwerte weist in der Regel auf eine möglicheanthropogen bedingte Belastung und auf einenHandlungsbedarf (Abklärung oder Massnahme) hin;

Fig. 7-35: Auftreten von kontinuierlichen (gelb) und ereignishaften(orange) Schadenereignissen (nach DUPASQUIER & PARRIAUX 2002).

Fig. 7-36: Ziele des Gewässerschutzes (BUWAL 2004).

Herkunft derVerschmutzung

Diffusesräumliches Auftreten

Punktuellesräumliches Auftreten

Undichte JauchegrubenLandwirtschaft,Gartenbau

Ausbringen von Dünge-mitteln und Pestiziden

Leerung von Jauche-gruben, nicht vorschrifts-gemässe Entsorgunggefährlicher Stoffe

Wohngebiete Diffuse Verluste aus de-fekten Abwasserleitungen

Überlaufen vonHeizöltanks

Kontinuierliche Verlusteschädlicher Substanzenin grossen Industrie-gebieten

Ungesicherte Lagerungschädlicher Stoffe

Industrie,Gewerbe

Ereignishafte Freisetzungschädlicher Stoffe, nichtvorschriftsgemässe Ent-sorgung gefährlicherStoffe

Verkehrswege Salzeinsatz im Winter, Ab-fliessen von Öl und Metall-verbindungen, Verdunstungvon Treibstoffbestandteilen,Unkrautbekämpfung anEisenbahnlinien

BelasteteStandorte

Verluste aus Heizöltanks

Ehemalige Industrie-und Deponiestandorte,Schiessplätze, Unfallorte

Strassen- und Bahn-unfälle

NaturnaheGrundwasserqualität undBiozönose sicherstellen

Trinkwasserqualitätgewährleisten

Naturnahe hydraulischeVerhältnisse im

Grundwasserleiter erhalten

AusreichendesTrinkwasserangebot

sichern

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quantitativqualitativ

95

− Gewässerschutzbereiche, Grundwasserschutzzonenund -areale (Instrumente des planerischen Schutzesdes Grundwassers, s. Abschnitt 7.10.3);

− technische, bauliche und organisatorische Mass-nahmen, beispielsweise bei der Lagerung, demTransport und dem Gebrauch wassergefährdenderStoffe (DUPASQUIER & PARRIAUX 2002) sowie bei derDurchführung von Bauarbeiten bzw. beim Material-abbau in Gewässerschutzbereichen und Grundwas-serschutzzonen.

Im Hinblick auf den Schutz des Grundwassers vorquantitativen Gefährdungen sind Massnahmen u.a. inden folgenden Bereichen festgelegt:

− Grundwassernutzung und -bewirtschaftung (z.B.Vorbeugung der Übernutzung);

− Bauarbeiten, die Grundwasser beeinflussen können(z.B. Auflagen bei Untertagebauten und Stauanla-gen).

Die weiter oben aufgeführte Strategie beruht grund-sätzlich auf der Prävention – für alle Typen von Grund-wasserleitern, im Lockergestein und in verkarstetenoder geklüfteten Festgesteinen – und soll einen nach-haltigen Grundwasserschutz gewährleisten.

7.10.3 Planerischer Schutz

Bei den Massnahmen der Raumplanung werden vorallem die folgenden Elemente definiert (vgl. Fig. 7-37und Fig. 7-39; BUWAL 2004):

− Der Gewässerschutzbereich Au umfasst die bedeu-tenden Grundwasservorkommen.

− Mit dem Gewässerschutzbereich Ao können oberir-dische Gewässer mit besonderer Nutzung geschütztwerden.

− Der Zuströmbereich Zu dient zum Schutz vor schwerabbaubaren Substanzen (gezielter Schutz der Was-serqualität).

− Die Grundwasserschutzzonen S1, S2 und S3 dienendazu, die Fassungsanlage und das Grundwasserunmittelbar vor seiner Nutzung als Trinkwasser zuschützen.

− Die Grundwasserschutzareale sichern den vorsorgli-chen Schutz dort, wo eine zukünftige Grundwasser-nutzung vorgesehen ist.

Zu jedem Element des planerischen Schutzes – Bereich,Zone oder Areal – gehört eine dem Schutzbedarf ent-sprechende Liste von Schutzmassnahmen bzw. Nut-zungsbeschränkungen.

Bei Lockergesteins-Grundwasserleitern werden dieSchutzzonen S konzentrisch um die Fassung ausge-schieden, wobei das Kriterium für die Bemessung derZone S2 der Verweilzeit des Grundwassers entspricht:die Verweilzeit vom äusseren Rand der Zone S2 bis zurGrundwasserfassung soll mindestens 10 Tage betra-gen. Für die Bemessung der Schutzzonen S in Karst-und Kluft-Grundwasserleitern ist die Vulnerabilität(Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers, s.EUROPEAN COMMISSION 1995, ZWAHLEN 2004) im Ein-zugsgebiet der Grundwasserfassung gemäss GSchVmassgebend. Entsprechende Bemessungskriterien sindin neuen Praxishilfen ausgeführt (DOERFLIGER & ZWAHLEN1998, POCHON & ZWAHLEN 2003); diese hydrogeolo-gisch fundierten, nachvollziehbaren Kriterien sollen ei-nen gesamtschweizerisch harmonisierten, nachhaltigenGrundwasserschutz ermöglichen. Bei stark heteroge-nen Grundwasserleitern (in Karst- und in gewissenKluft-Grundwasserleitern) nimmt der Schutzbedarfnicht mit dem Abstand zur Fassung regelmässig ab, sodass die Schutzzonen nicht mehr konzentrisch gestal-tet sind (vgl. Fig. 7-38).

Die Kantone erstellen Gewässerschutzkarten, in derRegel im Massstab 1:25'000, die eine Übersicht überdie Elemente des planerischen Schutzes – Bereiche,Zonen oder Areale – sowie über die Fassungsanlagen(Förderbrunnen, gefasste Quellen) darstellen (vgl.Fig. 7-39). Eine gesamtschweizerische, digitale

Fig. 7-37: Planerische Instrumente des Grundwasserschutzes (nachDUPASQUIER & PARRIAUX 2002).

Grundwasserschutzareal

Fliessrichtung

Zuströmbereich Zu

Grundwasserfassung(Förderbrunnen)

S3: Weitere Schutzzone

S2: Engere Schutzzone

S1: Fassungsbereich

Grundwasserleiter

Gewässerschutz-bereich Au

96

725000

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726000

Schutzzonen S

Zone S1

Zone S2

Zone S3

Quellfassungen

1000 m5000

Marxenwald

Unter Howald

Gewässerschutzkarte wurde in einem GeographischenInformationssystem (GIS) erstellt und ist für das inter-essierte Publikum teilweise via Internet zugänglich(Übersichtskarte der Grundwasserschutzzonen sowieder Gewässerschutzbereiche, www.ecogis.admin.chbzw. www.umwelt-schweiz.ch).

7.11 Grundwasser und Wald

Die Ergebnisse der Beobachtung der Grundwasserqua-lität sowie die Statistik der Grundwasserschutzzonenunterstreichen die grosse Bedeutung der bewaldetenEinzugsgebiete für die Trinkwasserversorgung. DerWald sorgt für sauberes Trinkwasser. Eine nachhaltigeBewirtschaftung der Waldgebiete als Trinkwasserliefe-ranten bedingt jedoch nicht nur eine sorgfältige Um-setzung der Gewässerschutzgesetzgebung sondernauch eine effiziente Luftreinhaltung und eine ange-messene Waldbewirtschaftung.

7.11.1 Wenig Fremdstoffe und optimaleReinigungsprozesse im Wald

Im Gegensatz zu landwirtschaftlichen Nutzflächen gibtes in Waldgebieten praktisch keinen direkten Eintragvon umweltgefährdenden Stoffen in den Boden. DerEinsatz von Düngemitteln wie Mineraldünger, Gülle,Mist oder Kompost ist dort nicht erforderlich und zu-dem stark eingeschränkt bzw. verboten. Anders als inSiedlungsgebieten führen auch kaum Kanalisations-rohre durch den Wald, aus denen Fäkalbakterien undunerwünschte Stoffe ins Grundwasser austretenkönnten. Zudem besteht hier ein weit geringeres Ver-schmutzungsrisiko durch Unfälle und den fahrlässigenUmgang mit wassergefährdenden Substanzen wieBrenn- und Treibstoffen oder Chemikalien. Aufgrundder eingeschränkten wirtschaftlichen Aktivitäten sindQuellen und Förderbrunnen im Wald insgesamt einerviel geringeren Gefährdung durch Schadstoffe ausge-setzt als Grundwasserfassungen in Landwirtschaftszo-nen oder in Siedlungsgebieten (vgl. Fig. 7-12). Zudemgarantieren der hohe Humusgehalt vieler Waldböden,die damit verbundene Vielfalt an Bodenorganismensowie die gute Durchwurzelung fast überall im Waldeine zuverlässige Filterfunktion. Auch mit seinem spe-ziellen Mikroklima schafft der Wald Bedingungen, diefür den biologischen Reinigungsprozess im Boden op-timal sind. So werden die mineralischen und organi-schen Stoffe, die nicht ins Trinkwasser gehören, weit-gehend ausgefiltert oder abgebaut (IWB ohne Datum,MEYLAN 2003, SCHÜRCH et al. 2003a).

7.11.2 Der Wald als Trinkwasserlieferant

Aufgrund der Vorteile, die der Wald als Trinkwasser-lieferant bietet, befinden sich viele Grundwasserfas-sungen (Quellen oder Förderbrunnen) in bewaldetenGebieten (vgl. Fig. 7-40). In der Schweiz befinden sichrund 42 % aller Grundwasserschutzzonen in geschlos-senen Wäldern. Dieser Wert liegt deutlich über dem

Fig. 7-38: Bemessungsvorschlag der Schutzzonen für zwei gefassteQuellen in Rieden (SG). Grundwasserleiter: Nagelfluh, Sandstein undMergel der Subalpinen Molasse (nach POCHON & ZWAHLEN 2003).

Fig. 7-39: Ausschnitt aus der Gewässerschutzkarte des KantonsAppenzell A.Rh. 1:10'000 (Beschriftung ergänzt).

97

Anteil des Waldareals an der Landesfläche von ca.27 % (MEYLAN 2003).

Grosse Anlagen zur künstlichen Grundwasseranreiche-rung für die Trinkwasserversorgung nutzen nach Mög-lichkeit bewaldete Bodenareale zur Versickerung desWassers. Beim Grundwasserwerk Lange Erlen (BS) z.B.wird Rheinwasser in vierzehn bewaldeten Bodenarea-len mit einer Gesamtfläche von ca. 22 ha zur Versik-kerung und zur künstlichen Anreicherung des Grund-wassers gebracht (IWB ohne Datum). Die Sickeranla-gen und die Förderbrunnen des Grundwasseranrei-

cherungssystems der Stadt Basel in der Hard bei Mut-tenz (BL) liegen in einem Wald von 240 ha (vgl.Fig. 7-41) wo eine reiche Artenmischung erhalten wird(HARDWASSER AG ohne Datum). An den beiden erwähn-ten Standorten besitzt das geförderte Grundwasser be-ste Trinkwasserqualität.

7.11.3 Luftschadstoffe und Nitratbelastung:potentielle Gefahren und Lösungen

Die Vorzüge des Waldes als Trinkwasserlieferant wer-den aber zunehmend durch den übermässigen Eintragvon Luftschadstoffen und eine allmähliche Versaue-rung bedroht. Eine häufig zu hohe Stickstoffkonzen-tration in den Wäldern stammt mehrheitlich aus derLandwirtschaft, aber auch aus Verkehr und Feuerun-gen. Durch die Filterwirkung der hohen Baumkronen,in denen neben Staubpartikeln auch gasförmige Luft-schadstoffe hängen bleiben, werden die Wälder vielstärker belastet als alle anderen Landschaftsformen –wobei die Laubbäume generell günstigere Eigenschaf-ten als die Nadelbäume aufweisen. Zudem führt diehohe Verdunstungsrate im Wald dazu, dass der Anteildes Regenwassers, der den Waldboden erreicht, eineerhöhte Konzentration an gelösten Stoffen aufweist.Übermässige Stickstoffeinträge ihrerseits führen zu hö-heren Nitratauswaschungen; damit wächst das Risikoeiner zunehmenden Nitratbelastung des Grundwassers– auch aus Waldeinzugsgebieten.

Fig. 7-40: NAQUA-Messstation an einer öffentlichen Quellfassung,deren Einzugsgebiet im Wald liegt (Freienstein-Teufen, ZH).

Fig. 7-41: Sickerkanal der Grundwasser-Anreicherungsanlage in der Hard (BL).

98

Obwohl zum Schutz des Grundwassers primär bei denEmissionsquellen von Stickstoffverbindungen angesetztwerden muss (u.a. Luftreinhaltung), kann mit einerspeziell auf den Grundwasserschutz ausgerichtetenWaldbewirtschaftung ein wichtiger Beitrag geleistetwerden, um die Belastung des Sickerwassers mit Nitratund anderen unerwünschten Fremdstoffen zu verrin-gern. Besonders relevant sind in diesem Zusammen-hang die Wahl der Baumarten, Verjüngerungsmass-nahmen, Aufforstungen sowie ein angemessener Um-gang mit grossflächigen Rodungen im Einzugsgebietvon Trinkwasserfassungen (COMBE & ROSSELLI 2002,MEYLAN 2003). Die Aufrechterhaltung des Waldes alsLieferant von sauberem Trinkwasser setzt eine ver-mehrt interdisziplinäre Betrachtung des Systems Wald-Boden-Grundwasserleiter bei der Untersuchung desWasserkreislaufs im Wald sowie die Gewährleistungder systematischen, langfristigen Beobachtung derGrundwasserqualität voraus (vgl. Fig. 7-12 undFig. 7-42). Diese gewährleistet das nationale Messnetzzur Beobachtung der Grundwasserqualität (NAQUA)(vgl. Kap. 7.4).

Fig. 7-42: Lutry-Quelle in Savigny (NISOT-Messnetz): Beobachtungder Isotope im Wasserkreislauf.

7.12 Hydrogeologische Karten

Eine hydrogeologische Karte gibt Auskunft über dieGrundwasserverhältnisse; somit sind dabei Angabeneinerseits über die Grundwasserleiter und andererseitsüber das eigentliche Grundwasser dargestellt. Inhaltund Massstab der Karte hängen grundsätzlich von derZielsetzung und von den potentiellen Nutzern ab.

7.12.1 Die Darstellung von hydrogeologischenDaten

Eine hydrogeologische Karte gibt Auskunft über dasVorkommen und die Art der Zirkulation des Grund-wassers (z.B. Poren-, Kluft- oder Karstgrundwasser), dieEigenschaften der Grundwasserleiter (vor allem Durch-lässigkeit) sowie die Lage der Infiltrations- und Exfiltra-tionsgebiete (vgl. Fig. 7-1) und der wichtigeren Quel-len. Die Karte stellt eine Synthese der vorhandenen hy-drogeologischen Daten dar (IAH 1989). Eine unerläss-liche Grundlage dazu bildet die geologische Karte. Einehydrogeologische Karte kann durch Profile ergänztwerden, um Auskunft über die Verhältnisse in drei Di-mensionen zu geben; Beispiele von gross- und klein-massstäblichen hydrogeologischen Profilen sind inBUTTET et al. (1992) und BOUZELBOUDJEN et al. (1997)ersichtlich.

Im erweiterten Sinne kann auch die Darstellung vonausgewählten hydrogeologischen Daten als hydrogeo-logische Karte bezeichnet werden. Als Beispiel könnenfolgende Karten erwähnt werden: Karte mit Lage undForm der Grundwasseroberfläche; Situationskarte derQuellen, Piezometer und Förderbrunnen; Karte derMarkierversuche mit Angabe der unterirdischen Was-serläufe; Karte der Verbreitung und der Konzentrationeines bestimmten gelösten Stoffes im Grundwasser(Grundwasserhärte-, Nitrat-, Kohlenwasserstoff-Karte).

Fig. 7-43: Erläuterungsskizze Grundwasseroberfläche (nach SCHÜRCH

et al. 2004).

Die Auswertung der Grundwasserstandsmessungendurch Interpolation und Extrapolation, unter Berück-sichtigung der geologischen Verhältnisse, ermöglichtdie Ermittlung der Grundwasseroberfläche (vgl.Fig. 7-43). Diese wird in einer Karte mittels Grundwas-

Grundwasserstand

Karte

Blockskizze

Grundwasserisohypsen

Fliessrichtungen

Flusswasserinfiltrationins Grundwasser

Grundwasserexfiltrationin den Fluss

99

serisohypsen (oder Grundwassergleichen) dargestellt,d.h. als Kurven gleicher und gleichzeitiger Höhe derGrundwasserstände, bezogen auf eine waagrechteEbene. Aus diesen Isohypsen können die Fliessrichtun-gen abgeleitet werden; die Fliessrichtung des Grund-wassers ist meistens senkrecht zu den Isohypsen.Wenn ein Grundwasserleiter im Zusammenhang miteinem Fluss steht, können anhand der Grundwasser-isohypsen und -fliessrichtungen die Strecken mitGrundwasserexfiltration in den Fluss bzw. mit Fluss-wasserinfiltration ins Grundwasser ermittelt werden.

7.12.2 Hydrogeologische Karten in der Schweiz

Eine Übersicht über die in der Schweiz veröffentlichtenhydrogeologischen Karten ist in BUTTET et al. (1992)dargestellt. Diese Karten werden je nach Zielsetzung inunterschiedlichen Massstäben erstellt.

Kleinmassstäbliche Karten (1:500'000 oder kleiner)vermitteln eine landesweite Übersicht und richten sichan Fachleute aus Planung, Verwaltung und Hochschu-len sowie auch an fachfremde interessierte Kreise. Siewerden von Fachdiensten des Bundes (siehe Abschnitt7.12.3) oder von Forschungsorganisationen (JÄCKLI &KEMPF 1967) erstellt. Die Hydrogeologische Übersichts-karte der Schweiz 1:2'200'000, veröffentlicht z.B. inDUPASQUIER & PARRIAUX (2002), ist verkleinert und ver-einfacht in Fig. 7-6 ersichtlich.

Mittelmassstäbliche Karten (1:100'000) vermitteln eineÜbersicht über ein Teilgebiet der Schweiz. Sie stellenauch den allgemeinen Rahmen für kantonale Pla-nungsaufgaben dar. Das Zielpublikum ist ähnlich wiedasjenige der kleinmassstäblichen Karten. Zur Zeit sindsechs Blätter der Hydrogeologischen Karte der Schweiz1:100'000 erschienen (SGTK ab 1972; vgl. Fig. 7-45,HAERING et al. 1993); eine weitere ist in Vorbereitung.Für den Kanton Bern ist eine hydrogeologische Karte inzwei Blättern im Massstab 1:100'000 vorhanden (WEA1998, 1999).

Grossmassstäbliche Karten (1:25'000, in einzelnen Fäl-len 1:50'000) stellen Planungs- und Vollzugsinstru-mente dar. Sie werden von den Kantonen unter Be-rücksichtigung der lokalen Bedürfnisse erstellt. Siestellen ein Instrument für die Erschliessung, die Bewirt-schaftung und den Schutz des Grundwassers dar. Inverschiedenen Kantonen beschränkt sich die Darstel-lung auf die hydrogeologischen Verhältnisse derLockergesteins-Grundwasserleiter; diese Karten werdenoft als «Grundwasserkarten» bezeichnet. Sie zeigenunter anderem die Verbreitung und Mächtigkeit der

Grundwasservorkommen, die Grundwasseroberflächeund -fliessrichtung (Fig. 7-44). Die ebenfalls von denKantonen erstellten Gewässerschutzkarten werdenunter 7.10 «Grundwasserschutz» erwähnt.

Hydrogeologische Detailkarten (Massstab grösser als1:25'000) werden vor allem gezielt für konkrete Was-serversorgungs- oder Infrastrukturprojekte erstellt undin der Regel nicht veröffentlicht.

7.12.3 Digitale Hydrogeologische Karte derSchweiz 1:500'000

Im Zusammenhang mit der Neubearbeitung der Geo-logischen und Tektonischen Karte der Schweiz1:500'000 in einem Geographischen Informationssy-stem (GIS) (BWG in Vorb. a und b, HEITZMANN & PHILIPP1999) drängte sich auch eine Weiterentwicklung derbestehenden Hydrogeologischen Karte (JÄCKLI & KEMPF1967) auf. Die neue Hydrogeologische Karte derSchweiz 1:500'000 teilt sich auf in ein erstes Blatt, wel-ches die verschiedenen Grundwasservorkommen derSchweiz und deren Ergiebigkeit darstellt (Blatt «Grund-wasservorkommen») und in ein zweites Blatt («Vulne-rabilität der Grundwasservorkommen»), in welchemdie Grundwasservorkommen aufgrund ihrer Vulnerabi-lität (Verschmutzungsempfindlichkeit) charakterisiertwerden. Im Blatt Grundwasservorkommen (Fig. 7-46),das sowohl im Hydrologischen Atlas der Schweiz (Tafel8.6, BITTERLI et al. 2004) wie auch in der Kartenreihedes BWG im Massstab 1:500'000 (BWG in Vorb. c)veröffentlicht wird, werden zudem die Art der Grund-wasserzirkulation in Karst-, Kluft- oder Lockergestei-nen, die wichtigsten Quell- und Grundwasserfassun-gen sowie hydrodynamische Angaben zu den Infiltra-tions- und Exfiltrationsgebieten dargestellt. Im BlattVulnerabilität sollen die natürlichen Kriterien wie Bo-denart, Deckschicht und ungesättigte Zone quantitativbeurteilt und kombiniert sowie das Resultat dieserKombination als Karte dargestellt werden. Die beidenhydrogeologischen Karten, zusammen mit der Geolo-gischen und Tektonischen Karte der Schweiz, beruhenauf der gleichen Datenbasis und stellen ein gemeinsa-mes Geographisches Informationssystem dar. Es istvorgesehen, dass diese Karten den interessierten Be-nutzern sowohl als gedrucktes Produkt wie auch in di-gitaler Form zur Verfügung gestellt werden.

100

Fig. 7-44: Ausschnitt aus der Grundwasserkarte des Kantons St. Gallen 1:25'000.

Fig. 7-45: Ausschnitt aus der Hydrogeologischen Karte der Schweiz 1:100'000, Blatt Toggenburg (HAERING et al. 1993).

Fig. 7-46: Ausschnitt aus der Hydrogeologischen Karte der Schweiz 1:500'000 (BITTERLI et al. 2004).

101

Kennziffern Quelle: BWGMittlere jährliche Schwebstoffrachten Rhein – Diepoldsau (1979–1999) 2'800'000 t/Jahr 89 kg/s

Rhône – Porte du Scex (1979–1999) 1'900'000 t/Jahr 60 kg/sTicino – Bellinzona (1983–1999) 240'000 t/Jahr 8 kg/s

Mittlere Sedimentationsraten Bodensee 0,04 mm/JahrWalensee 0,10 mm/JahrThuner See 0,30 mm/JahrLago Maggiore 0,36 mm/JahrBrienzer See 0,50 mm/Jahr

Spezifische Feststofffrachten (beobachtete Gebiete) 10–40'000 m3/km2 pro Jahr

8.1 Feststoffe messen

Unter dem Begriff Feststoffe wird die Gesamtheit derfesten Stoffe verstanden, welche im Wasser transpor-tiert oder abgelagert werden. Feststoffe sind also Ge-schiebe, Schwebstoffe, Geschwemmsel und Eis. Mitgeeigneten Geräten und Einrichtungen werdenSchwebstoffe und Geschiebe in eigenen Messnetzenerfasst.

8.1.1 Feststoffprozesse

Der Problemkreis Feststoffe umfasst die Prozesse Ge-nerierung, Mobilisierung, Verlagerung und Ablagerungaller im Wasser befindlichen festen Stoffe. Unter demEinfluss der Verwitterung werden die Festgesteine auf-gelockert und zersetzt. Das derart entstandene Locker-material wird durch Oberflächenabfluss, Sturz- oderRutschprozesse den Wasserläufen zugeführt. Wildbä-che und Flüsse verfrachten diese Feststoffe weiter tal-abwärts, wobei Material teilweise in den Gerinnen ab-gelagert und wieder erodiert wird. In Seen und Stau-seen werden grosse Feststoffvolumen abgelagert (GHO1987).

8.1.2 Schwebstoffe

Bei der Messung der Schwebstoffe stehen die Schweb-stoffkonzentration, die Schwebstofffracht sowie dieKorngrössenverteilung im Vordergrund.

Die Schwebstoffkonzentration lässt sich durch Mes-sungen relativ einfach bestimmen. Die Messung mitden manuellen Schwebstoff-Entnahmegeräten (vgl.Fig. 8-1) liefert in einem bestimmten Punkt des Mess-querschnittes einen quasi momentanen Konzentrati-onswert. Mit Hilfe eines Schwebstoff-Messwagenskönnen integrierende Proben über die Abflusstiefe ge-nommen werden (vgl. Fig. 8-2).

Die automatische Entnahme von Wasser-Schwebstoff-proben (vgl. Fig. 8-3) weist gegenüber der manuellen

8 Feststoffbeobachtung

Fig. 8-1: Einsatz manueller Schwebstoffmessgeräte am Seil und ander Stange.

102

Methode den Vorteil auf, auch kurze Hochwasserereig-nisse mit genügender Probedichte erfassen zu können.

Die Schwebstofffracht (Tagesfracht, Jahresfracht) kannim Fliessgewässer aus der Schwebstoffführung und

den entsprechenden Abflussmengen bestimmt wer-den. In natürlichen Seen, Absetzbecken und Speicher-seen kann die Fracht auch aus der Vermessung desGrundes (bathymetrische Aufnahme) abgeschätzt wer-den. Diese Vermessungen müssen aber mit der Analysevon Bodenproben kombiniert werden.

Die Bestimmung der Schwebstofffracht mit Hilfe vonStichprobenmessungen der Schwebstoffkonzentrationund der kontinuierlichen Abflussmessung ist mancher-orts problematisch. Einerseits ist es schwierig, inner-halb eines Flussquerschnittes einen repräsentativenMesspunkt für den Querschnitt zu bestimmen, da sichdieser entsprechend der Abflussbedingungen undweiterer Einflussgrössen ändert (vgl. Fig. 8-4). Anderer-seits kann mittels Stichprobenmessung die kontinuier-liche Schwebstoffführung nur annähernd erfasst wer-den, wie Figur 8-5 zeigt. In vielen Gewässern ist zudemkein eindeutiger Zusammenhang zwischen Abfluss undSchwebstoffkonzentration feststellbar (vgl. Fig. 8-6).Deshalb wird heute an den Messstationen der Landes-hydrologie eine Kombination von kontinuierlicher Trü-bungsmessung und Stichprobenmessung der Schweb-stoffkonzentration angestrebt.

Das Standardmessnetz der Landeshydrologie deckt ver-schiedene wichtige Fliessgewässer verteilt über dieHauptstromgebiete der Schweiz ab (vgl. Fig. 8-7). Das

Fig. 8-2: Schwebstoffmesswagen der Landeshydrologie – Schweb-stoffmessgerät am Flügelgewicht.

Fig. 8-3: Beispiel einer automatischen Station: Aare – Ringgenberg(BE). Die Station gehört nicht zum Standardmessnetz (vgl. Fig. 8-7).

Fig. 8-4: Variation der Schwebstoffkonzentration im Flussprofil:Problem des repräsentativen Entnahmeortes (Daten: BWG).

V3

V1 V2 V3 V4 V5

V1 V2 V4 V5

4

200

300

400

500

600

700

9

Gerinnebreite (m)

0

100

0

Sch

web

sto

ffko

nzen

trati

on

[mg

/kg

]

14 19 24 28

0

1Tie

fe[m

]

Profil

103

Messnetz ist so angelegt, dass die Schwebstoffeinträgein die grössten Seen der Schweiz erfasst und derSchwebstoffaustrag aus der Schweiz ins nahe Auslandgrob ermittelt werden kann (BWG 2004).

8.1.3 Geschiebe

Seit 1987 erfassen die Landeshydrologie, die Eidg. For-schungsanstalt WSL, interessierte Kantone und For-schungsinstitute Feststofffrachten (Geschiebe und/oderSchwebstoffe) in Geschiebesammlern (vgl. Fig. 8-8) imRahmen eines Messprogrammes der Gruppe für ope-rationelle Hydrologie. Die Datenerhebung ist so ange-legt, dass sowohl Mittelwerte der Geschiebefracht alsauch Extremwerte erfasst werden können. Die Mes-sungen liefern die Grundlage für eine Verbesserungder bestehenden Ansätze zur Abschätzung der Fest-stoffmengen. Es ist vorgesehen, das Messnetz (vgl.Fig. 8-9) über einen Zeitraum von mindestens 30 bis50 Jahren zu betreiben, um eine aussagekräftige stati-stische Auswertung zu ermöglichen.

Fig. 8-5: Zeitliche Variation der Schwebstoffkonzentration, Lütschine– Gsteig (1994): Problem der Stichprobenmessung (Daten: BWG).

Fig. 8-6: Zusammenhang Schwebstoffkonzentration – Abfluss, Linth– Mollis (Periode 1976–1997) (Daten: BWG).

Fig. 8-7: Standardmessnetz der Landeshydrologie zur Erfassung derSchwebstoffe in Fliessgewässern. (Für die Beschriftung der geologi-schen Übersichtskarte s. Fig. 8-9) (Daten: BWG).

Fig. 8-8: Geschiebeablagerungsplatz im Schipfenbach bei Silenen(UR).

Fig. 8-9: Messstationen des Geschiebemessnetzes mit Zuordnungder Stationen zu den geologischen Einheiten der Schweiz (Daten:BWG).

Automatische Probenahme

Routinestichproben

Abfluss

100

0

1000

Sc

hw

eb

sto

ffk

on

ze

ntr

ati

on

[mg

/l]

2000

500

1500

Ab

flu

ss

[m/s

]3

2500

60

40

20

80

J A M J S O NMF J A D0

Abfluss [m /s]3

0

1

10

100

1000

10'000

0 20 40 60 80 100 120 140Sc

hw

eb

sto

ffk

on

ze

ntr

ati

on

[mg

/kg

]

104

Verschiedene Institute betreiben Forschungsstationenund Einrichtungen für die Feststoffmessung. Im Test-gebiet Leissigen (BE) z.B. wird der aktuelle Geschiebe-trieb des Spissibachs mit 18 Hydrophonen und einerGeschiebewaage (Entwicklung J. Schenk, GIUB; vgl.Fig. 8-10) erfasst (KIPFER 2000).

8.1.4 Murgänge

In den Alpen und anderen Gebirgen der Welt stellenMurgänge (auch als Gerölllawinen oder «Rüfen» be-zeichnet) ein bedeutendes Gefahrenpotential dar. Sietreten vor allem in alpinen Schutthalden und in Wild-bachgerinnen auf. Murgänge sind ein sich rasch be-wegendes Wasser-Gesteins-Gemisch. Häufig ereignensie sich bei ausserordentlichen Niederschlägen, wie z.B.bei den schweren Unwetterereignissen von 1987,1993 und 2000 oder bei intensiven Sommergewittern.Murgangereignisse können vor allem auf überbauten

Wildbachkegeln oder bei einer Überlastung des Vor-fluters durch den grossen Geschiebeeinstoss zu grösse-ren Schäden führen.

Zahlreiche Ereignisbeschreibungen in der Fachliteratureignen sich wegen der meist nur groben Schätzungender Fliesshöhen und -geschwindigkeiten lediglich be-dingt zum Testen von Modellen oder zur Überprüfungvon Erkenntnissen aus dem Labor. Es besteht deshalbweltweit ein erheblicher Bedarf an genauen Datenüber die Eigenschaften und das Fliessverhalten vonMurgängen aus Naturmessungen.

Erste automatische Beobachtungen von Murgängenwurden in der Schweiz 1993 im Dorfbach Randa(Mattertal VS) realisiert. Die Eidg. ForschungsanstaltWSL betreibt diese Station seit 1995. Seither sind diedrei weiteren Stationen Schipfenbach (1997), Illgraben(2000) und Riale Valegión (2002) dazugekommen (vgl.Fig. 8-11).

In diesen Einzugsgebieten erfassen Pluviometer denauslösenden Niederschlag, Geophone messen ab-schnittsweise Fliessgeschwindigkeiten, Pegelmessun-gen mittels Radar oder Echolot ermitteln Abflusstiefenund sämtliche Stationen sind mit Videokameras zuroptischen Kontrolle ausgerüstet.

Im Illgraben, wo jedes Jahr mehrere Murgangereignis-se auftreten, wurde 2003 zusätzlich eine Murgang-waage installiert. Diese besteht aus einer horizontalenPlatte von 4 x 2 m, welche auf einem Stahlrahmenaufgeschraubt ist (vgl. Fig. 8-12). Vier vertikale undzwei horizontal angebrachte Messzellen registrierendie einwirkenden Kräfte und erlauben die Bestimmung

Fig. 8-10: Geschiebemessstation Spissibach – Leissigen (BE) desGeographischen Instituts der Universität Bern.

Fig. 8-11: Murgangbeobachtungsstationen der WSL.

Fig. 8-12: Murgangwaage im Illgraben (VS).

105

Korndurchmesser (mm)

0

6

0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 1

An

teil

[%]

2

4

8

Ton

KlassifikationFein-

schluffMittel-schluff

Grob-schluff

Fein-sand

Mittel-sand

Grob-sand

0,001 0,05 0,01 0,05 0,1

Rhein – Bad Ragaz

Rhein Schmitter

Thur Bütschwil

Lütschine Bönigen

Aare Brugg

Linth Weesen, Gäsi

Rhone Brigerbad

Rhône Porte du Scex

Arve Genève

Inn Martinsbruck

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Korndurchmesser (mm)

der Masse, welche auf der Waage liegt. Zusammen mitden Messungen der Abflusstiefe und der Geschwindig-keit lassen sich Dichte und Wassergehalt eines Mur-gangs kontinuierlich bestimmen. Figur 8-13 zeigt denersten Murgang, der im Sommer 2004 mit der Waageaufgezeichnet werden konnte.

Alle Messungen dienen dem besseren Verständnis desProzesses und fliessen in die Entwicklung von numeri-schen Simulationsmodellen für die Praxis ein, welcheunter anderem an der WSL entwickelt werden.

8.1.5 Seesedimentation

Der weitaus grösste Teil aller Feststoffe wird durch ein-mündende Fliessgewässer den Seen zugeführt (vgl.Fig. 8-15). Die Bestimmung der Ablagerungsvoluminaerfolgt durch periodische Seegrundaufnahmen (Delta-

vermessungen). Deltabeobachtungen geben Auf-schluss über den Einfluss von wasserbaulichen Verän-derungen (Flusskorrektionen, -verlegung), Gefällsverän-derungen, Auflandungen, ökologischen und ökomor-phologischen Veränderungen auf das Erosionsverhal-ten der Flüsse. Die ersten Vermessungen Ende des19. Jahrhunderts wurden mit einem Kabellot durch-geführt. Ab ca. 1940 erfolgte die Vermessung mit Ul-traschall von Booten aus.

Zur Bestimmung der Sedimentationsraten (Schicht-mächtigkeit der pro Zeiteinheit abgelagerten Sedi-mente) werden Sedimentfallen eingesetzt und Sedi-mentprofile erstellt.

8.1.6 Korngrössenverteilung

Die Korngrössenverteilung des Sohlenmaterials und derSchwebstoffe (vgl. Fig. 8-14, Fig. 8-16) ist für vieleFragestellungen, insbesondere für Berechnungen desTransportvermögens einer Flussstrecke, wichtig. Zur

Fig. 8-13: Erstes erfasstes Ereignis auf der Murgangwaage imIllgraben (VS).

Fig. 8-14: Variationsbreite der Mittelwerte (Median) bei verschiede-nen Stationen (Daten: BWG).

Fig. 8-15: Delta der Maggia im Lago Maggiore.

Fig. 8-16: Häufigkeitsverteilung der Schwebstoffe in der Rhone ander Station Porte du Scex (Daten: BWG).

106

Erfassung der gröberen Komponenten (Deckschicht)werden Linien- und Flächenproben durchgeführt. Vo-lumenproben dienen vor allem zur Erhebung des Un-terschichtmaterials. Die Bestimmung der Korngrössen-verteilung der Schwebstoffe erfolgt mit manuellen(Attenberg, Pipette) und elektronischen Messgeräten(Sedigraph, Coulter Counter, Laser).

8.2 Resultate

8.2.1 Schwebstoffkonzentration und -frachten

Die Erfassung von Schwebstoffführung und Schweb-stofffrachten ist wichtig für die Prognose der Entwick-lung von Stauräumen. Da die Schwebstoffe mengen-mässig stärker ins Gewicht fallen als das Geschiebe,sind sie auch als Mass für den Gebietsabtrag im Ein-zugsgebiet von Bedeutung.

Figur 8-17 zeigt Schwebstoffkonzentrationen und ab-solute Frachten am Messstandort Aare – Brienzwiler(vgl. Fig. 8-18). Der Grossteil der Jahresfracht fällt inden abflussreichen Monaten Mai bis September an.Dass die Schwebstoffkonzentration in Zeiten mit ho-hen Abflüssen zunimmt, zeigt auch Figur 8-19. DieKorrelation zwischen der Schwebstoffkonzentrationund dem mittleren Tagesabfluss ist mit 0,45 (Periode1993–1997) allerdings nur schwach. In schweizeri-schen Fliessgewässern variiert sie zwischen 0,2 (Reuss –Mühlau) und 0,9 (Areuse – Boudry).

Die oberhalb des Brienzer Sees gelegene StationBrienzwiler misst mit rund 125'000 t/Jahr (Periode1994–2003) im schweizerischen Vergleich eher kleineSchwebstoffmengen (vgl. Fig. 8-20). Am meistenSchwebstoffe transportieren die grossen Alpenflüsseoberhalb der Alpenrandseen (Rhein – Diepoldsau:3 Mio t/Jahr; Rhône – Porte du Scex: 2,7 Mio t/Jahr;Periode 1994–2003).

8.2.2 Feststofffrachten (Geschiebe undSchwebstoffe)

Aus Figur 8-21 kann ersehen werden, dass im Mittel-land (Geologie: Molasse) generell die kleinsten Fest-stofffrachten anfallen. Dies hängt, abgesehen von dengeologischen Faktoren, natürlich auch mit der Topo-graphie zusammen. Einzelne grössere Einzelereignisseverlagern teilweise das Mehrfache einer Jahresfracht an

Fig. 8-17: Prozentuale Unterschreitungshäufigkeit der jährlichenSchwebstoffkonzentration (oben) und mittlere monatliche Schweb-stofffrachten der Periode 1994–2003 (unten) gemessen an derMessstation Aare – Brienzwiler (BWG 2004).

Fig. 8-18: Messstation Aare – Brienzwiler (BE).

Fig. 8-19: Vergleich von Abfluss und Schwebstoffkonzentration beider Messstation Aare – Brienzwiler (Daten: BWG).

SchwebstoffkonzentrationMittlerer Tagesabfluss

1994 1995 1996

Ab

flu

ss

[m/s

]3

0

40

80

120

160

0

500

1000

1500

2000

Sch

web

sto

ffko

nzen

trati

on

[mg

/l]0

25

50

75

100

0,1 1 10 100 1000 10'000 100'000

Schwebstoffkonzentration [g/m ]3

Häu

fig

keit

[%]

10

20

J F M A M J J A S O N D

Fra

ch

ten

[1000

t]

15

5

0

25

2003 (104 Werte)

1994–2003 (1028 Werte)

107

100

1000

10’000

Geologie

Anzahl Sammler

Molasse Flysch Kalkalpen KristallinPeriode 1981–1999 1953–2001 1981–2001 1934–2001

16 16 10 19

Sp

ezif

isch

eJah

resfr

ach

t[m

/km

]3

2

21.05.1999

18.07.1994

01.07.1986

14.06.1988

Durchschnittliche JahresfrachtMaximale Jahresfracht der PeriodeMaximales Einzelereignis der Periode

100’000

Material. Mit zunehmender Einzugsgebietsgrössenimmt die spezifische Jahresfracht ab (vgl. Fig. 8-22).

8.2.3 Deltaaufnahmen: Linth-Delta

Die erste bathymetrische Aufnahme des Linth-Deltasim Walensee (vgl. Fig. 8-23) wurde im Jahre 1860 aus-

geführt. Der jährliche Feststoffeintrag der Linth wurdebei einer Einzugsgebietsfläche von 621,7 km2 auf zwi-schen 60'000 und 80'000 m3 geschätzt. Dies entsprichteinem Transportvolumen von 96,5–128,5 m3/km2 proJahr.

Eine neue Karte des Deltas wurde 1911 erstellt. Auf ei-ner Deltafläche von 2,83 km2 wurden 9640 Messun-

Fig. 8-20: Mittlere jährliche Schwebstofffrachten ausgewählter schweizerischer Fliessgewässer [Angaben in 1000 t] (nach BWG 2004, JAKOB &SPREAFICO 1997, SPREAFICO 1988).

Fig. 8-21: Feststofffrachten ausgewählter Geschiebesammlerunterschiedlicher Geologischer Zugehörigkeit (Daten: BWG).

Fig. 8-22: Spezifische Jahresfrachten in den Untersuchungsgebieten(Daten: BWG).

0,1

1

10

100

1000

10’000

0,1 1 10 100 1000

Einzugsgebietsfläche [km ]2

sp

ezif

isc

he

Ku

ba

tur

[m/k

m]

32

100’000MolasseFlyschKalkalpenKristallin

108

gen ausgeführt. Zwischen 1860 und 1911 lagerte dieLinth 3'738'000 m3 Feststoffe im Walensee ab, was ei-ner jährlichen Rate von 74'000 m3 entspricht. Das spe-zifische Volumen pro Jahr und km2 betrug 119 m3

(COLLET et al. 1916).

Die Deltaaufnahme wurde 1931 wiederholt. Für diePeriode 1911–1931 wurde ein Feststoffeintrag von2'400'000 m3 geschätzt, was einem jährlichen Eintragvon 114'300 m3 entspricht. Zu diesem Volumen mussnoch eine Entnahme von schätzungsweise 11'400 m3

durch Baggerungen hinzugezählt werden, um den ge-samten Feststoffeintrag zu erhalten. Dies ergibt ca.202 m3/km2 pro Jahr (EAWW 1939).

Im Juni 1979 wurde das westliche Seebett wiederumvermessen. Das abgelagerte Feststoffvolumen von1931–1979 wurde auf 6'500'000 m3 geschätzt. Diesentspricht einem mittleren jährlichen Erosionsabtragvon 0,23 mm für das Einzugsgebiet.

Verglichen mit früheren Untersuchungen(0,17 mm/Jahr für die Periode 1911–1931; JÄCKLI1958) bedeutet dies einen erhöhten Eintrag (LAMBERT1978, 1980).

8.2.4 Stauraumverlandung

Man geht davon aus, dass innerhalb weniger Dekaden50 % der weltweiten Speicherkapazität in Stauseenverloren geht. In der Schweiz ist die Verlandung nichtso dramatisch (vgl. Tab. 8-1, Fig. 8-24), unter anderemauch wegen regelmässiger Stauraumspülungen durcheinen Grundablass.

Trotzdem sind das bessere Verständnis der Erosions-und Ablagerungsprozesse, die Erfassung von Dichte-strömungen, die Kenntnis der Auswirkungen der

Massnahmen zur Verringerung des Feststoffeintragessowie die Entwicklung von Strategien für das optimaleSpülen auch in der Schweiz sehr wichtig.

Stausee Ein

zug

sgeb

iets

fläc

he

Spez

ifis

che

Jah

ress

edim

enta

tio

n

Ret

enti

on

svo

lum

en

Jäh

rlic

her

Kap

azit

ätsv

erlu

st

Quelle[km2] [m3/km2·a] [Mio m3] [%]

Gebidem (VS) 200 430'000 8,7 5,0 BOILLAT et al.1996, RECH-STEINER 1996

Palagnedra (TI) 139 93'000 2,1 2,0 MÜLLER 1996,VISCHER 1981

Grimsel (BE) 74 68'000 94 2,8 VISCHER 1981Dixence (VS) 47 28'000 400 0,0 BEZINGE &

AESCHLIMANN

1981Luzzone (TI) 36,5 35'000 87 0,0 EPFL 1997Sihlsee (SZ) 31,9 68'000 91,8 0,1 AMMANN 1987

Tab. 8-1: Ausgewählte Beispiele für die Kapazitätsverluste durchStauraumverlandung in der Schweiz.

Fig. 8-24: Speicherbecken Luzzone (TI).

8.3 Abschätzung vonFeststofffrachten in Wildbächen

Geschiebeführende Hochwasser und Murgänge verur-sachen regelmässig grosse Schäden im besiedelten Al-penraum. Die Eidg. Forschungsanstalt WSL stellt jähr-

Fig. 8-23: Die Entwicklung des Linth-Deltas von 1849–1979 (LAMBERT

1980).

350

400

300

Hö

he

[mü

.M.]

0 500 1000 1500 2000

Profilbreite [m]

419,3

19791931

1911

1867

1860

1849

Alte Eisenbahnbrücke Stralegg (Batlis)

109

lich solche Umwetterschäden in der Schweiz zusam-men (z.B. HEGG 2003). Der Planung und Realisierungvon Schutzmassnahmen kommt hohe Priorität zu. Lei-der bestehen bei der Grundlagenbeschaffung nochimmer grosse Unsicherheiten und Kenntnislücken. DieLandeshydrologie hat deshalb in Zusammenarbeit mitdem Geographischen Institut der Universität Bern eineMethode entwickelt, welche die Abschätzung derTransportkapazität, der transportierten Feststofffracht,des Feststoffpotentials und der Ablagerungen erlaubt(vgl. Fig. 8-25). Die Anwendung der Methode durchden Praktiker wird durch ein Handbuch, einen Theorie-band und ein Rechenprogramm unterstützt.

Nach Vorarbeiten im Büro, bei denen eine erste Wild-bachbeurteilung vorgenommen wird, sind Feldabklä-rungen notwendig. Dabei wird das Gerinne von untennach oben abgeschritten, das Feststoffpotential abge-schätzt, Ablagerungsstrecken lokalisiert und beurteilt.Aufgrund der Begehung wird der Wildbach einer Ka-

tegorie, die Hinweise zum Transportverhalten gibt, zu-geordnet. Obschon das vorgestellte Verfahren zu einerbesseren Beurteilung des Feststofftransportes in steilenGerinnen geführt hat, sind noch nicht alle Problemezufriedenstellend gelöst.

Als Beispiel zeigt Figur 8-26 ein Ergebnis aus Berech-nungen, welche für die Guppenruns (GL) erstellt wor-den sind. Der Bachlauf ist durch die Querprofile Nr. 21(Tobelbereich) bis hinunter zur Mündung in die Linth(Nr. 1) schematisch dargestellt. Die grösseren natürli-chen Ablagerungsstellen (zu ersehen bei den Querpro-filen 19, 18, 13 sowie 8 und 7) genügen nicht, denFeststoffeintrag in die Linth dermassen zu reduzieren,dass dort kein Rückstau zu befürchten wäre.

Fig. 8-26: Feststoffverlagerung während eines Grossereignisses in derGuppenruns (GL) (Daten: BWG).

Es konnte aber gezeigt werden, dass durch den ge-planten Geschiebeablagerungsplatz im Bereich derQuerprofile Nr. 8 und 7 zusammen mit weiteren Rück-haltemassnahmen weiter oben (zu erstellen im Bereichder Querprofile 14–12) die Feststofffracht eines Gross-ereignisses so stark reduziert wird, dass ein Aufstau derLinth praktisch verhindert werden kann.

8.4 Feststofferhebung nachUnwettern

Die Erhebung der im Anschluss an ein Hochwasserer-eignis abgelaufenen Prozesse im Gerinne, der Geschie-beherde, der erodierten Feststoffmenge, der Ablage-rungen und der Schlüsselstellen hilft bei einer mög-lichst sachgerechten Planung. Zudem tragen diese In-formationen auch massgeblich zum Prozessverständnisbei, welches im Hinblick auf die Erarbeitung von län-gerfristigen Schutzmassnahmen unabdingbar ist. Die

Fig. 8-25: Übersicht über die einzelnen Arbeitsschritte zurAbschätzung der Feststofffracht (nach GHO 1996).

0

20’000

40’000

Ku

batu

r[m

]3

60’000

80’000

Querprofil Nr.

21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

AblagerungenFeststoffpotential

Feststofffracht

Transportkapazität

Vorarbeiten

Beschaffung von Unterlagen

Studium und Interpretation der Unterlagen

Erste Wildbachbeurteilung

Beschaffung und Aufbereitungvon Abflussinformationen

Feldaufnahmen

Zuordnung des Wildbaches zu einer Kategorie:- Nicht murfähiger Wildbach- Murfähiger Wildbach mit Ablagerungen- Murfähiger Wildbach ohne Ablagerungen

Erhebung der Parameter entsprechend derKategorienzuordnung

Auswertungen

Berechnung der Feststofffracht am Wildbach-kegel für die entsprechende Kategorie

Durchführung von Plausibilitätskontrollenund Sensitivitätsanalysen

Überprüfung der Ergebnisse aus den Vor-arbeiten anhand der Gegebenheiten im Gelände

110

Dokumentation der feststoffrelevanten Prozesse undder umgesetzten Feststoffvolumina nach Unwetternbildet daher einen wesentlichen Teil einer umfassendenEreignisdokumentation. Figur 8-27 gibt einen Über-blick über das Vorgehen.

Fig. 8-27: Übersicht über das Vorgehen bei der Erfassung vonFeststoffen nach Unwettern (nach GHO 1996).

Erhebungen im Ablagerungsgebiet

Erfassung der abgelagerten Feststoffkubatur- Messung von Fläche und Verlandungsgefälle- Bestimmung / Kartierung der abgelagerten Kubatur- Schätzung der Materialzusammensetzung

Durchführung eines Übersichtsfluges

Erhebungen im Einzugsgebiet

Kartierung von:- Anrisstellen / Ursache des Ereignisses- Prozessen- Schäden- Schlüsselstellen

Erste grobe Beurteilung der Gefahrensituation

Erstellung der Feststoffbilanz- Beurteilung der Veränderungen im Gerinne- Schätzung der Erosionskubaturen- Schätzung der Ablagerungen- Berechnen der Bilanz- Erhebung der Materialzusammensetzung

Planung der Begehungsroute

Beurteilung der Ausbruchstelle

Bestimmung des Transportprozesses

Verifikation des Transportprozesses

Schätzung des Abflusses

Erfassung der Schäden

Auslösung und Ablauf des Ereignisses

Analyse des Gerinnes und der Geschiebeherde

Zusätzliche wichtige Beobachtungen

111

Kennziffern Quelle: BWG 2004Konzentrationsmittelwerte an ausgewählten Konzentrationsmittelwerte an ausgewählten Konzentrationsmittelwerte an ausgewählten Konzentrationsmittelwerte an ausgewählten NADUF-Stationen im Jahr 2003 (NADUF-Stationen im Jahr 2003 (NADUF-Stationen im Jahr 2003 (NADUF-Stationen im Jahr 2003 (frachtgewogen)frachtgewogen)frachtgewogen)frachtgewogen)StationStationStationStation NitratNitratNitratNitrat GesamtstickstoffGesamtstickstoffGesamtstickstoffGesamtstickstoff OrthophosphatOrthophosphatOrthophosphatOrthophosphat GesamtphosphorGesamtphosphorGesamtphosphorGesamtphosphor organischer Kohlenstofforganischer Kohlenstofforganischer Kohlenstofforganischer Kohlenstoff

((((Filtrat)Filtrat)Filtrat)Filtrat) DOC (gelöst)DOC (gelöst)DOC (gelöst)DOC (gelöst) TOC (gesamt)TOC (gesamt)TOC (gesamt)TOC (gesamt)N [mg/l]N [mg/l]N [mg/l]N [mg/l] N [mg/l]N [mg/l]N [mg/l]N [mg/l] P [mg/l]P [mg/l]P [mg/l]P [mg/l] P [mg/l]P [mg/l]P [mg/l]P [mg/l] C [mg/l]C [mg/l]C [mg/l]C [mg/l] C [mg/l]C [mg/l]C [mg/l]C [mg/l]

Mehrheitlich alpines oder Mehrheitlich alpines oder Mehrheitlich alpines oder Mehrheitlich alpines oder voralpines Einzugsgebietvoralpines Einzugsgebietvoralpines Einzugsgebietvoralpines EinzugsgebietRhein – Diepoldsau 0,52 0,64 0,003 0,099 1,0 2,8Kleine Emme – Littau 1,06 1,90 0,013 0,211 3,3 8,3Rhône – Porte du Scex 0,46 0,50 0,005 0,184 0,9 2,6Inn – S-chanf 0,27 0,30 0,003 0,091 1,0 1,8Grosse Grosse Grosse Grosse Mittellandflüsse mit Seen im EinzugsgebietMittellandflüsse mit Seen im EinzugsgebietMittellandflüsse mit Seen im EinzugsgebietMittellandflüsse mit Seen im EinzugsgebietRhein – Rekingen 1,18 1,23 0,010 0,031 2,2 2,7Rhein – Weil 1,36 1,44 0,014 0,038 2,3 2,9Aare – Hagneck 0,92 1,02 0,003 0,029 1,6 2,1Aare – Brugg 1,64 1,68 0,012 0,038 2,7 3,4Reuss – Mellingen 0,75 0,92 0,006 0,044 2,7 3,3Rhône – Chancy 0,62 0,76 0,020 0,085 1,7 2,5

Dieses Kapitel behandelt hauptsächlich Fragen derWasserqualität in den Fliessgewässern. Speziell dieSeen resp. das Grundwasser betreffende Qualitätsfra-gen werden in den Kapiteln 6 und 7 vorgestellt.

9.1 Wasserqualität messen

Der Zustand eines Gewässers lässt sich mit zahlreichenMessgrössen beschreiben. Ausgewählte, wichtigechemische und physikalische Parameter von Fliessge-wässern werden vom BWG im Rahmen des 1972 ge-starteten Projekts «Nationale Daueruntersuchung derschweizerischen Fliessgewässer» (NADUF) erhoben.

Im Mittelpunkt des Interesses stehen diejenigen chemi-schen Inhaltsstoffe, die als Indikatoren für die zivilisa-torische Belastung der Gewässer gelten. Die Tabelle derKennziffern (s. oben) zeigt die frachtgewogenen Kon-zentrationsmittelwerte von Stickstoff (vgl. Abschnitt9.2.3), Phosphor (vgl. Abschnitt 9.2.2) und organi-schem Kohlenstoff (DOC = gelöst; TOC = gesamt) fürdas Jahr 2003. Die Stationen wurden aufgrund dergeographischen Gegebenheiten in zwei Gruppen auf-geteilt. Die Station Kleine Emme – Littau weist im Ge-gensatz zu den anderen Stationen derselben Gruppeeine höhere Stickstoff- und Phosphorbelastung auf,was auf die intensivere landwirtschaftliche Nutzung imEinzugsgebiet zurückzuführen ist. Die Phosphorkon-zentration der verbleibenden Flüsse mit alpinen bzw.voralpinen Einzugsgebieten folgt einem saisonalenMuster: Durch die Gesteinsverwitterung (apatitischerPhosphor) ist die Gesamtphosphorkonzentration imSommer bei grösseren Abflüssen höher als im Winter,dies im Gegensatz zur Orthophosphatkonzentration,

die im Sommer geringer ausfällt als im Winter (Ver-dünnungseffekt der höheren Abflussmengen, unter-schiedliche Herkunft des Wassers, sommerliche Zeh-rung aufgrund der Bioproduktion).

Andere wichtige Parameter wie z.B. der Gehalt an ge-löstem Sauerstoff (vgl. Abschnitt 9.2.4) und die Was-sertemperatur (vgl. Abschnitt 9.2.1) sind keine direktenVerschmutzungsindikatoren, bestimmen aber den Le-bensraum der Wasserorganismen.

9.1.1 Messnetze und Beprobungsarten

NADUF, ein Gemeinschaftsprojekt des BWG mit demBundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft(BUWAL), der Eidgenössischen Anstalt für Wasserver-sorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz(EAWAG) und der Eidgenössischen Forschungsanstalt

9 Wasserqualität

Fig. 9-1: Ausgewählte NADUF-Messstellen in der Schweiz.

112

für Wald, Schnee und Landschaft (WSL), liefert Grund-lagen zur Beurteilung des gegenwärtigen Zustandesder Fliessgewässer sowie dessen mittel- und langfristi-gen Veränderung (JAKOB et al. 1994). In üblicherweise14tägigen, abflussproportionalen Sammelproben wer-den mehrere chemische Inhaltsstoffe untersucht. Zu-sätzlich werden an den meisten Messstellen die Para-meter pH, elektrische Leitfähigkeit, Wassertemperaturund Konzentration des gelösten Sauerstoffs kontinu-ierlich aufgezeichnet. Figur 9-1 zeigt die Lage ausge-wählter NADUF-Stationen in der Schweiz.

Den grössten Teil der chemischen Gewässeruntersu-chungen führen die kantonalen Gewässerschutzfach-stellen durch. Art und Ausmass der Erhebungen dereinzelnen kantonalen Fachstellen sind sehr heterogen.Es gibt sowohl örtliche wie zeitliche Unterschiede inder Datenerhebung. Den Fliessgewässern werden proJahr entweder 4, 12 oder mehr Stichproben entnom-men oder 12 bis 365 24-Stunden-Sammelproben er-hoben. Bei Seen werden jährlich zwischen 2 und 12Probenahmen mit Stichproben in verschiedenen Was-sertiefen durchgeführt. Teilweise werden mit Mess-sonden Tiefenprofile in hoher Auflösung für einzelne

Parameter (gelöster Sauerstoff, Temperatur, elektrischeLeitfähigkeit und Lichtdurchlässigkeit) erhoben.

In der «Datenbank Gewässerzustand» (DBGZ) werdendie Ergebnisse der Untersuchungen des Bundes undder Kantone zur Beurteilung des chemisch-physikali-schen Gewässerzustandes in der Schweiz gespeichert.In der mehrplatzfähigen Applikation der DBGZ, dievom BWG betrieben wird, stehen den Benutzerinnenund Benutzern bedienungsfreundliche Verwaltungs-und Auswertungsfunktionen zur Verfügung (JAKOB &GUNTERSWEILER 1996).

In Figur 9-2 ist die zeitliche Entwicklung der Messnetzezur Bestimmung chemischer und physikalischer Para-meter in Fliessgewässern und Seen dargestellt. Basisdazu sind die in der DBGZ gespeicherten Messresulta-te. Neben den chemischen Parametern sind auch Er-hebungen von Schwebstoffgehalten und Einzelmes-sungen von Temperaturen und elektrischen Leitfähig-keiten mit einbezogen. Unabhängig von Anzahl undArt der Probenahmen sind die Messstellen mit vorhan-denen Daten an Fliessgewässern und Seen für die ver-schiedenen Jahre verzeichnet. Die Übersicht zeigt deut-lich, dass umfangreiche Gewässeruntersuchungen vie-lerorts erst nach 1970 mit der Inkraftsetzung des zwei-ten Gewässerschutzgesetzes begannen. Damit fällt anvielen Messstellen der Beginn der Messreihe mit dem«Höhepunkt» der Gewässerbelastungen zusammen.Lange Messreihen mit regelmässig erhobenen Datenfehlen grösstenteils.

Aufgrund der Temperaturentwicklung in den Gewäs-sern seit Ende der 1980er Jahre wurde das BWG-Tem-peraturmessnetz ab dem Jahr 2001 mit Messstellen anmehrheitlich kleineren und möglichst wenig beein-flussten Gewässern wesentlich ergänzt.

9.1.2 Beprobung und Messgeräte NADUF

Für die automatische Probenahme und die kontinuier-liche Messung wird bei den BWG-Stationen Flusswas-ser mittels einer Tauchpumpe in die Messstation ge-fördert (vgl. Fig. 9-3). Hier fliesst das Wasser in ein mitMesselektroden bestücktes Gefäss. Elektrische Leitfä-higkeit, Sauerstoff und pH werden kontinuierlich be-stimmt. Seit Anfang 1990 wurden stationsweise digi-tale Registriergeräte eingeführt. Ab 1999 wurde auftelefonische Übermittlung umgestellt, so dass 10-Minuten-Mittelwerte (Temperatur, pH, Sauerstoffkon-zentration, elektrische Leitfähigkeit) übertragen wer-den. Dies ermöglicht eine häufige Kontrolle der Daten.Die Messelektroden werden monatlich gereinigt und

Fig. 9-2: Entwicklung des Messnetzes (nach JAKOB & GEISSEL 2004).

113

geeicht. Allfällige Differenzen zwischen aufgezeichne-ten und effektiven Werten werden bei der Datenaus-wertung korrigierend berücksichtigt. Gleichzeitig mitdem Unterhalt der Sonden werden auch die Zu- undAbläufe sowie die Probenehmer gründlich gereinigt.

Das Probenahmegerät entnimmt in gewissen Zeitab-ständen nacheinander zwei kleine Einzelprobe von ei-nem resp. zwei Milliliter aus dem Wasserstrom. DieSteuerung des Probenahmegerätes erfolgt wo immermöglich abflussproportional. Wo eine abflusspropor-tionale Probenahme nicht möglich ist, kommt einezeitproportionale Probenahme zur Anwendung. Dieautomatisch entnommenen Proben gelangen durchein Verteilsystem in die Aufbewahrungsgefässe (ange-säuert für Schwermetallanalysen, nicht angesäuert fürAnalysen der übrigen Parameter), welche in einemKühlschrank untergebracht sind (vgl. Fig. 9-3). Diesesogenannten Sammelproben wurden bis 1980 wö-chentlich erhoben und untersucht. Seit 1981 werdendie wöchentlichen Sammelproben vor der Untersu-chung zu 14tägigen Mischproben vereinigt. Bei denunterhalb der Seen liegenden Stationen werden dieSammelproben seit 1993 zweiwöchentlich erhoben

und untersucht, weil Hochwasserspitzen im Gegensatzzu den oberhalb von Seen liegenden Stationen ge-dämpft werden, weshalb die Gefahr des Überlaufensder Probeflaschen kleiner ist und somit zweiwöchentli-che Sammelproben ausreichend sind. Die Probenah-meflaschen werden gekühlt per Express an die EAWAGgesandt, welche die Proben analysiert.

9.2 Ausgewählte Parameter

Anhand der Wassertemperatur sowie der Gehalte anPhosphor, Stickstoff und Sauerstoff im Wasser lassensich Fragen der Wasserqualität beantworten.

9.2.1 Wassertemperatur

Die Wassertemperatur gehört zu den wichtigsten Re-gulatoren von Lebensvorgängen in Gewässern. AlleStoffwechselvorgänge, die Dauer, der Verlauf und dieGeschwindigkeit des Wachstums sowie die Zusammen-setzung der Lebensgemeinschaften werden von ihr be-einflusst.

Lebensfähigkeit und Lebensaktivität der Wasserorga-nismen sind an bestimmte Temperaturgrenzen undTemperaturoptima gebunden. Die Temperaturregimessind deshalb einer der Gründe für die unterschiedlicheFischbesiedlung der Flussregionen in Mitteleuropa. Soist allein aufgrund von Vorlieben und Toleranzen fürspezifische Temperaturbereiche das Vorkommen man-cher Arten auf bestimmte Flussabschnitte beschränkt.Im Oberlauf der Fliessgewässer kommen beispielsweisekälteliebende Arten vor, während die im Unterlauf inhöherer Individuendichte auftretenden Arten an diedort herrschenden höheren Temperaturen angepasstund gegen grössere Temperaturschwankungen weit-gehend unempfindlich sind.

Mit steigender Wassertemperatur nimmt die Löslichkeitder Gase ab und die Aufnahmefähigkeit des Wassersfür Sauerstoff sinkt. Gleichzeitig nimmt die Aktivitätder tierischen Organismen zu und ihr Sauerstoffbedarfsteigt. Bei erhöhtem Sauerstoffbedarf und gleichzeitigverringertem Sauerstoffangebot treten Stresssympto-me auf. Eine Folge davon ist eine stark verminderteNahrungsaufnahme. Werden die Temperaturgrenzenfür eine Art überschritten, kann sie, falls keine Flucht-möglichkeit besteht, nicht überleben. Temperaturen ab15 °C begünstigen zudem den Ausbruch der prolifera-tiven Nierenerkrankung (PKD), die hohe Mortalitätenzur Folge haben kann.

Fig. 9-3: NADUF-Messstation.

114

Das Temperaturoptimum liegt je nach Art unterschied-lich hoch. Bei Salmoniden wie Forellen, Felchen oderÄschen können ab 18–20 °C Stresssymptome auftre-ten. Temperaturen über 25 °C können bereits tödlichsein. Andere Arten, etwa Karpfen, Barsche oder Hech-te, ertragen hohe Temperaturen besser.

Für die Flora und Fauna in den Gewässern sind nichtMittelwerte über eine gewisse Zeit massgebend. Ent-scheidend ist die Dauer der temperaturbedingtenStresssituation. Je länger ein Organismus ihr ausgesetztist, desto anfälliger wird er auf entsprechende Sym-ptome.

Neben biologischen Wirkungen verändern hohe Was-sertemperaturen auch die Chemie eines Gewässers. Sowird beispielsweise Ammonium (NH4

+) zunehmend indas für Fische giftige Ammoniak (NH3) überführt, oderes kommt nach der Vermehrung von Algen zur soge-nannten «biogenen Entkalkung».

Der Wärmehaushalt der Gewässer hängt von vielenUmweltfaktoren ab. Eine entscheidende Rolle spielendabei die Temperaturen des Quellwassers und der Zu-flüsse, die Energieeinstrahlung und -abstrahlung, derNiederschlag, die Verdunstung, die Kondensation unddie Schneeschmelze sowie der Wärmeaustausch mitdem Untergrund und der Luft. In den Fliessgewässernfindet beispielsweise wegen der turbulenten Wasser-bewegung ein intensiver Temperaturaustausch mit derUmgebung statt. Schliesslich können Umgebungsfak-toren – wie die Beschattung durch eine ufernahe Ge-hölzvegetation oder die Infiltration von kühlemGrundwasser – die Temperatur des Gewässers ent-scheidend beeinflussen. Bei alpinen Fliessgewässernspielt zudem der Schmelzwasseranteil aus Schnee undEis eine Rolle.

Alle diese Faktoren sind sowohl kurz- wie auch langfri-stigen Schwankungen unterworfen, was sich auf dieDynamik des Wärmehaushaltes auswirkt. Die Wasser-temperatur an einer bestimmten Stelle hängt dahervon der Summe der einzelnen Faktoren und der Dauerihrer Einwirkung im obenliegenden Flusslauf bzw. imEinzugsgebiet ab.

Die Ausgangstemperatur eines Gewässers ergibt sichaus der Grundwassertemperatur im Quellgebiet unddiese wiederum aus der Höhenlage. Ausser bei Ther-malquellen entspricht die Quellwassertemperatur inder Regel der Jahresmitteltemperatur der Luft am be-treffenden Ort und ist ziemlich konstant. Fliessgewäs-

ser in tieferen Lagen werden wärmer und weisen grös-sere jährliche Schwankungen auf.

Seen im Einzugsgebiet wirken sich insbesondere aufkurzfristige Temperaturschwankungen dämpfend aus.Auf der anderen Seite bietet ein See eine grosse Was-serfläche, die von der Sonneneinstrahlung erwärmtwerden kann. Weil im Sommer aus dem temperatur-geschichteten See meist das obere, warme Wasser ab-fliesst, liegen die Temperaturen im Seeausfluss höherals im Seezufluss.

Bei niedrigem Wasserstand erwärmt sich das Wasser inBächen und Flüssen schneller als bei tiefem Wasser, dasich bei geringem Abfluss das spärlich abfliessendeWasser auf der ganzen Breite des Profils verteilt unddamit eine grössere Fläche für den Wärmeaustauschbildet.

Die Tagesschwankung der Gewässertemperatur zeigtbei sonnigem Wetter eine markante, meist sinusförmi-ge Periodizität, wobei der Unterschied zwischen Tages-und Nachttemperatur mehrere Grade betragen kann(vgl. Fig. 9-4). Die Minima werden in den frühen Mor-genstunden, die Maxima im Lauf des Nachmittagsgemessen.

Fig. 9-4: Tagesschwankungen der Wassertemperatur (Aare – Berndurch Seeeinfluss gedämpft) (Daten: BWG 2004).

Die saisonalen Schwankungen weisen ebenfalls einedeutliche Sinusform auf, im Mittelland ausgeprägterals in den Alpen. Sie ergeben sich aus dem Jahresgangder Sonneneinstrahlung. Kurzzeitige meteorologischeEinflüsse wie der Durchzug von Kalt- und Warmfron-ten oder das Auftreten von Nord- und Südströmungenerscheinen auf der Temperaturkurve deutlich als Ab-weichung vom sinusförmigen saisonalen Verlauf.

Die längerfristigen Zeitreihen der Wassertemperaturenausgewählter BWG-Stationen zeigen seit 1954 eine

20

18

Tem

pera

tur

[°C

]

12

10

8

01.09.03 03.09.03 05.09.03 07.09.03

16

14

6

4

22

Aare – Bern

Thur – Adelfingen

Inn – S-chanf

115

Temperaturzunahme (vgl. Fig. 9-5). Im Rhein bei Baselbeispielsweise beträgt sie mehr als 2 °C. In den letzten16 Jahren (1988–2003) lagen dort die Jahresmittel-werte – unabhängig von der Wasserführung – bei über12 °C und damit deutlich höher als in den Jahren zu-vor. Im Jahr 2003 lag der Jahresmittelwert erstmalsund sogar deutlich über 13 °C. Diese Veränderungkonnte auch bei Gewässern im Mittelland festgestelltwerden. Mehrere Einflüsse wie Klimaänderung, Einlei-tungen von erwärmtem Wasser, Veränderungen imAbflussregime (beispielsweise durch Stauhaltungenund Drainagen) tragen zu dieser Entwicklung bei.

Auch die Thur bei Andelfingen – mit einem mittelländi-schen Einzugsgebiet ohne zusätzliche Einflüsse durchoberliegende Seen oder Gletscher – zeigt eine deutli-che Zunahme der Perioden mit hohen Temperaturen(vgl. Fig. 9-6). Auffallend ist, dass sich die Zeitdauermit Wassertemperaturen über 20 °C im Jahr 2003 ge-genüber den trockenheissen Jahren 1976 und 1983verdoppelt bis vervierfacht hat.

Durchschnittlich erfolgt der Temperaturanstieg in denMonaten April/Mai früher als in den 1970er Jahren,was zu einer Verlängerung der Sommerperiode mithohen Wassertemperaturen geführt hat.

9.2.2 Phosphor

Phosphor ist das wichtigste wachstumslimitierendeElement. Er kommt in der Natur in gelöster oder festerForm vor und stammt entweder aus organischen oderanorganischen Quellen. Orthophosphat stellt die fürPflanzen physiologisch direkt wirksame Phosphorkom-ponente dar. Eine möglichst niedrige Konzentration istvor allem in den Seezuflüssen anzustreben, um einezunehmende Nährstoffanreicherung (Eutrophierung)der Seen zu vermeiden (vgl. Abschnitt 6.4.1). Phosphatgelangt diffus aus der Landwirtschaft und punktuellüber Abwassereinleitungen und Regenüberlaufbeckenin die Gewässer.

Die Phosphatkonzentration hat in den letzten Jahrenabgenommen (vgl. Abschnitt 6.4.2), einerseits als Fol-ge des Ausbaus der Abwasserreinigungsanlagen insbe-sondere durch die Phosphatfällung, und andererseitsdurch das Inkrafttreten des Phosphatverbotes für Tex-tilwaschmittel im Jahre 1986. Heute stammt der grös-ste Teil der Phosphoreinträge aus der Landwirtschaft,obschon auch in diesem Bereich Ansätze zur Ökologi-sierung erkennbar sind. Ein besonderes Problem stelltdie Phosphorakkumulation in vielen Böden des Mittel-lands dar. Da Phosphor im Boden nicht immer perma-nent gebunden wird (abhängig vom Bodentyp undvon der Bodenhydrologie), muss auch nach weiteren inder Landwirtschaft ergriffenen Massnahmen mit einemmittel- bis längerfristigen Phosphoreintrag gerechnetwerden, der zur Eutrophierung führen kann.

In der Figur 9-7 ist sichtbar, dass sowohl die Konzen-trationen als auch die Schwankungen des Phosphors inFliessgewässern unterhalb von Seen abgenommen ha-ben. Mit der Abnahme der Phosphorgehalte nahmendie Algenbiomasse und damit auch der Stoffumsatz indiesen Seen ab.

Fig. 9-5: Veränderung der Wassertemperatur an ausgewählten BWG-Messstationen seit 1950: Jahresmittelwerte (Punkte) und gleitendesMittel über sieben Jahre (Linien). Zum Vergleich ist der Verlauf derLufttemperatur in Basel dargestellt (nach BUWAL / BWG / Meteo-Schweiz 2004).

Fig. 9-6: Zeitdauer der Wassertemperaturen über 18 °C in der Thurbei Andelfingen (Anzahl Stunden pro Jahr). Die gewählten Tempe-raturgrenzen entsprechen den Empfindlichkeitsbereichen bestimmterFischarten (nach BUWAL / BWG / MeteoSchweiz 2004).

0

500

1000

1500

2000

2500

An

zah

lS

tun

den

pro

Jah

r

1970

1980

1990

2000

1995

1985

1975

> 25 °C

22–25 °C

20–22 °C

18–20 °C

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Te

mp

era

tur

[°C

]

Basel (Luft)

Rhein – Basel

Aare Bern–

Rhein Diepoldsau–

Ticino Riazzino–

116

9.2.3 Nitrat

Nitrat ist ein guter Indikator für Belastungen aus derLandwirtschaft und aus gereinigten Siedlungsabwäs-sern. Die Nitratgehalte haben nach einer Periode derZunahme, die bis Ende 1980er Jahre reichte, in denletzten 10 Jahren an den meisten Stellen wieder abge-

nommen (vgl. Fig. 9-8). Dies ist eine Folge der Anstren-gungen zur Ökologisierung der Landwirtschaft aberauch der Reduktion des NOx-Ausstosses durch dieEinführung des Katalysators bei den Benzinmotoren.

Figur 9-9 zeigt die Veränderung ausgewählter chemi-scher Parameter in den Jahren 1976–2000. Die Karte

Fig. 9-7: Ganglinie Phosphorkonzentration Rhein – Village-Neuf/Weil (nach JAKOB et al. 2004).

Fig. 9-8: Ganglinie Stickstoffkonzentration Rhein – Village-Neuf/Weil (nach JAKOB et al. 2004).

Fig. 9-9: Ausschnitt aus der HADES-Karte «Veränderung ausgewählter chemischer Parameter in Fliessgewässern und Seen 1976–2000» (JAKOB

et al. 2004).

2

4

6

8

Sti

cksto

ff[m

g/l]

0

Gesamtstickstoff

Nitrat

1977 1980 1990 1995 2000 20031985

0

0,1

0,2

0,3

Ph

osp

ho

r[m

g/l]

Gesamtphosphor

Orthophosphat

1977 1980 1990 1995 2000 20031985

117

stammt aus dem Hydrologischen Atlas der Schweiz(HADES) und stellt die klassierten mittleren Stoffkon-zentrationen verschiedener Zeitperioden dar.

9.2.4 Sauerstoff

Für die Lebewesen im Gewässer bedeutet eine hoheTemperatur speziell dann eine Stresssituation, wenngleichzeitig der Sauerstoffgehalt reduziert ist. Bei derStation Thur – Andelfingen zeigen die Differenzen derPerioden 1986–1990 und 1996–2000 eine deutlicheZunahme der Sauerstoffkonzentration speziell in denWintermonaten (vgl. Fig. 9-10).

Fig. 9-10: Mittlere gemessene Sauerstoffkonzentrationen respektiveberechnete Sauerstoffsättigungen in der Thur bei Andelfingen.Dargestellt sind Tagesmittelwerte, über jeweils sieben Tage gleitendgemittelt (nach JAKOB et al. 2002).

Mit der Berechnung der Sauerstoffsättigung wird dervon der Temperatur abhängige Anteil der Sauerstoff-gehalte im Jahresverlauf eliminiert. Im Durchschnitt er-höhte sich die Sauerstoffsättigung zwischen den Peri-oden 1986–1990 und 1996–2000 von 97 % auf101 %. In der ersten Periode lag die Sättigung nochwährend längerer Zeitperioden deutlich unter 100 %.Ende der 1990er Jahre war die Situation speziell in denWintermonaten deutlich besser. Dies ist hauptsächlichauf Massnahmen im Abwasserbereich zurückzuführen.So verringerte sich beispielsweise auch die Orthophos-

phatfracht zwischen den beiden Perioden im Mittelvon 5,3 g P/s (1986–1990) auf 2,8 g P/s (1996–2000).In den von NADUF untersuchten Mittellandgewässern,bei denen in diesen Perioden Temperaturerhöhungenfeststellbar sind, konnten keine ausgeprägten Sauer-stoffmangelzustände beobachtet werden. Im Gegen-satz dazu sind insbesondere in stehenden Gewässernkurzfristig auch Übersättigungen von bis zu 200 %möglich, wenn durch die Photosyntheseaktivität in ei-nem Gewässer Sauerstoff produziert wird. In Fliessge-wässern gast – je nach Turbulenzen – der überschüssi-ge Sauerstoff rascher aus.

Die ausserordentliche Strahlungsintensität und die Re-kordtemperaturen im August 2003 spiegeln sich imSauerstoffgehalt der Gewässer wider. Die Variation inder Sauerstoffsättigung bei NADUF-Stationen unter-halb der Seen hat während der Hitzeperiode ein Aus-mass erreicht, das seit Beginn der Messreihen noch niebeobachtet wurde; auch nicht im Trockenjahr 1976(vgl. Fig. 9-11). Verstärkt wird dieser Effekt durch lang-sam fliessendes Flusswasser, das dem Ausbilden einesGleichgewichtszustandes im Austausch mit atmosphä-rischem Sauerstoff nicht förderlich ist. Wesentlich sindhier Länge und Morphologie der Fliessstrecke vom See-ausfluss bis zur Messstation. Auf der Strecke zwischendem Bieler See und der Messstation an der Aare beiBrugg beispielsweise befinden sich neun grössere Stau-stufen, in denen die Aare langsam fliesst. Die Reuss istbis zur Messstation bei Mellingen ebenfalls durch Stau-stufen beeinflusst, aber die vier Staustrecken sind imVergleich zur gesamten Fliessstrecke von geringererBedeutung. Die Messstelle Brugg zeichnete sich im Hit-zesommer 2003 durch besonders tiefe Sauerstoffwertewährend der Nacht aus (< 80 %), die Messstelle Mel-lingen durch besonders hohe Werte tagsüber(> 170 %).

J F M A M J J A S O N D8

10

12

14

Sa

ue

rsto

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1986–1990

1996–2000

J F M A M J J A S O N D

Sa

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un

g[%

]

105

100

95

90

85

1986–1990

1996–2000110

118

Fig. 9-11: Sauerstoffsättigung der Aare bei Brugg und der Reuss bei Mellingen in den Trockenjahren 1976 und 2003. Tagesmittel undVariation zwischen Minimal- und Maximalwerten (nach BUWAL / BWG / MeteoSchweiz 2004).

Aare – Brugg 1976

100

140

160

180

60

Sa

ue

rsto

ffs

ätt

igu

ng

[%]

Januar Februar Juni September November DezemberMaiMärz April Juli August Oktober

80

120

Aare – Brugg 2003

100

140

160

180

60

Sau

ers

toff

sätt

igu

ng

[%]

Januar Februar Juni September November DezemberMaiMärz April Juli August Oktober

80

120

100

140

160

180

60

Sau

ers

toff

sätt

igu

ng

[%]

Januar Februar Juni September November DezemberMaiMärz April Juli August Oktober

80

120

Reuss – Mellingen 1976

100

140

160

180

60

Sau

ers

toff

sätt

igu

ng

[%]

Januar Februar Juni September November DezemberMaiMärz April Juli August Oktober

80

120

Reuss – Mellingen 2003

119

KennziffernWasserhaushalt der Schweiz (Periode 1961–1990) Quelle: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a

Kanton Niederschlag Abfluss Verdunstung SpeicherunterirdischerZu- / Abfluss

Anteil am Ge-samtabfluss CH

P [mm/a] R [mm/a] E [mm/a] δδδδS [mm/a] I [mm/a] [%]Aargau 1086 521 565 – – 1,8Appenzell Innerrhoden 1891 1229 480 0 –182 0,5Appenzell Ausserrhoden 1596 1059 537 – – 0,6Bern 1484 1028 465 –2 7 15,0Basel-Landschaft 988 455 533 – – 0,6Basel-Stadt 942 393 549 – – < 0,1Fribourg 1242 720 522 – – 2,9Genève 981 363 618 – – 0,3Glarus 1971 1617 417 –6 57 2,7Graubünden 1443 1099 346 –2 – 19,1Jura 1181 680 501 – – 1,4Luzern 1318 748 547 – –23 2,7Neuchâtel 1339 818 521 – – 1,6Nidwalden 1785 1290 495 0 – 0,9Obwalden 1781 1316 453 –1 –13 1,6St. Gallen 1658 1156 498 0 –4 5,7Schaffhausen 916 364 552 – – 0,3Solothurn 1106 570 536 – – 1,1Schwyz 1997 1499 498 0 – 3,3Thurgau 1027 421 606 – – 1,0Ticino 1971 1474 497 0 – 10,1Uri 2088 1711 382 –5 – 4,5Vaud 1250 678 572 0 – 5,3Valais 1457 1062 401 –6 – 13,6Zug 1447 872 575 – – 0,5Zürich 1221 662 559 – – 2,8Schweiz 1458 991 469 –2 0 100,0

10.1 Wasserkreislauf

Der globale Wasserkreislauf, der Weg des Wassers ausden Ozeanen über die Atmosphäre auf die Kontinenteund wieder zurück, ist untrennbar mit den regionalenWasserkreisläufen über den Landflächen verknüpft. Ersetzt sich aus den Bilanzgliedern Niederschlag (P), Ab-fluss (R), Verdunstung (E), Speicheränderung (δS) undunterirdischen Zu- oder Abflüssen (I) zusammen.

Als Ausgangspunkt des Wasserkreislaufs wird oft dieVerdunstung gewählt (vgl. Kap. 4). Wasser kann direktvon Wasser- und Landoberflächen verdunsten oderüber die Transpiration von Pflanzen aus dem Bodenund dem Grundwasser in die Atmosphäre gelangen.Kondensation und Resublimation des dampfförmigenWassers (vgl. Fig. 10-1) ermöglicht die Wolken- oderNebelbildung. Im Durchschnitt verweilt ein Wasser-molekül rund 9 Tage in der Atmosphäre (BAUMGARTNER& LIEBSCHER 1990), bevor es als Niederschlagswasser,

Hagel, Schnee, Rauhreif oder Nebelniederschlag (vgl.Kap. 2 und 3) zur Erdoberfläche zurückgelangt. Hiertritt das Wasser in Fliessgewässern (vgl. Kap. 5), Seen(vgl. Kap. 6), als Schnee und in Gletschern (vgl. Kap. 3)sowie im Grundwasser (vgl. Kap. 7) in Erscheinung.

10 Wasserhaushalt

Fig. 10-1: Aggregatzustände des Wassers.

erstarren

schmelzen

verdam

pfen

kondensieren

sublim

iere

nre

sublim

iere

n

Wasserdampf

WasserEis

Energieumsatz:2790 J/g

Energieumsatz:2450 J/g

Energieumsatz:340 J/g

120

Auf seinem Weg nimmt Wasser feste und gelösteStoffe auf. Die erosive Wirkung des Wassers prägt dieErdoberfläche z.B. durch den Transport und die Akku-mulation von Feststoffen (vgl. Kap. 8) und zwingt zumdauernden Unterhalt der wasserbaulichen Einrichtun-gen (vgl. Kap. 5). Für viele Nutzungen hat die Qualitätdes Wassers oberste Priorität (vgl. Kap. 6, 7 und 9).Spätestens mit der erneuten Verdunstung werden alleStoffe wieder zurückgelassen – der Wasserkreislauf be-ginnt von vorn.

Fig. 10-2: Wasserkreislauf und Wasserhaushalt.

Die Isotope des Wassermoleküls (Sauerstoff-18, Deu-terium und Tritium) eignen sich als natürliche Tracerfür die Untersuchung hydrologischer Prozesse – z.B.für die Bestimmung der Herkunft bzw. des Alters vonGrundwasser (vgl. Kap. 10.5).

10.2 Wasserhaushalt undWasserbilanz

In der Wasserbilanz werden alle Wasserflüsse eines be-stimmten Gebietes erfasst. Dabei gilt die Verdunstungals die am schwersten messbare Grösse und wird oftals Restglied berechnet. Durch eine hydrologische«Neuinterpretation» der Wasserbilanz können heutedie Gebietsniederschläge in den Gebirgsräumen derSchweiz genauer bestimmt werden (SCHÄDLER &WEINGARTNER 2002b).

Der Wasserhaushalt beschreibt den Wasserkreislauf ineinem bestimmten Gebiet und für einen bestimmtenZeitraum. Er gibt einen Überblick über die langfristigverfügbaren Wasserressourcen. Die Einteilung derSchweiz in 287 Bilanzierungsgebiete (Einzugsgebietemit einer Fläche zwischen 100 und 150 km2) ermög-licht die detaillierte räumliche Erfassung des Wasser-haushaltes. Zur Bestimmung des Wasserhaushaltes vonFlussgebieten, Kantonen (vgl. Kennziffern Kap. 10) undletztlich der gesamten Schweiz werden die Bilanzie-rungsgebiete zu grösseren Raumeinheiten aggregiert(vgl. SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a).

10.2.1 Klassische Wasserbilanz

Die Wasserbilanzgleichung (P = R + E + δS – I) kannnach der Verdunstung aufgelöst werden:

E = P – R – δS + I

mit: E Gebietsverdunstung [mm/a]P Gebietsniederschlag [mm/a]R Gebietsabfluss [mm/a]δS Speicheränderung der Gletscher [mm/a]I Natürliche unterirdische Zu- und Abflüsse [mm/a]

Berechnet man die Verdunstung mit dieser Formel, soergeben sich oftmals unrealistische Werte, was zumgrossen Teil auf die lückenhafte Niederschlagsmes-sung, auf die Fehler bei der Erfassung der Niederschlä-ge im Gebirge und schliesslich auf die daran anschlies-sende Interpolation der Punktniederschläge zurückzu-führen ist (vgl. Kap. 2). Figur 10-3 zeigt die mit derWasserbilazgleichung berechnete Gebietsverdunstungim Einzugsgebiet des Rheins bis Felsberg. Es ergeben

Fig. 10-3: Vergleich der aus der Wasserbilanz berechneten Verdun-stung der Bilanzierungsgebiete im Einzugsgebiet des Rheins bis Fels-berg, basierend auf gemessenen und regionalisierten Niederschlägen(Daten: KIRCHHOFER & SEVRUK 1992) mit den mit einem physikalischenModell bestimmten Werten (Daten: MENZEL 1997) (nach SCHÄDLER &WEINGARTNER 2002b).

Verd

un

stu

ng

[mm

]

0

200

400

600

800

1000

500 1000 1500 2000 2500

Mittlere Einzugsgebietshöhe [m ü.M.]

Wasserbilanz (r = 0,07)2

Physikalisches Modell (r = 0,91)2

121

0

500

1000

1500

2000

2500

46 %52 %

18 %

35 %

24 %

VerdunstungAbfluss

Niederschlag

Wasserh

öh

e[m

m]

Ajoie Langeten W. Lütschine Region Brig Maggia

54 % 48 %

72 %

65 %

76 %

sich unplausible, da stark streuende und mit zuneh-mender Höhe steigende Verdunstungswerte. Zum Ver-gleich ist die realistischerweise zu erwartende, mit derHöhe abnehmende Verdunstung derselben Gebiete,berechnet mit einem physikalischen Modell (MENZEL1997), dargestellt.

10.2.2 Hydrologische Wasserbilanz

Ausgehend von der in Abschnitt 10.2.1 geschildertenProblematik greifen SCHÄDLER & WEINGARTNER (2002b)den Vorschlag von LANG (1985) zur Bestimmung derNiederschläge im Alpenraum auf. Ihre hydrologische«Neuinterpretation» der Wasserbilanz geht davon aus,dass nicht die Verdunstung, sondern die im Gebirgegemessenen Niederschläge und die daraus abgeleite-ten Gebietsniederschläge die grösste Fehlerquelle dar-stellen, zumal heute verlässliche Verdunstungswertefür alle Gebiete vorliegen (vgl. Kap. 4.4) und die Spei-cheränderungen einzelner repräsentativer Gletschererforscht sind (vgl. Kap. 3.7).

«Hydrologisch» bedeutet, dass sowohl die Wasserhaus-haltskomponenten in einem Bilanzierungsgebiet alsauch die Wasserbilanzen mehrerer Bilanzierungsge-biete aufeinander abgestimmt sind (vgl. Fig. 10-4).Grösste Bedeutung kommt der Genauigkeit der Ab-flussdaten zu. In Gebieten mit verlässlichen Abfluss-daten kann die Wasserbilanz direkt bestimmt werden.Abflüsse aus Gebieten mit weniger plausiblen Datenmüssen in einem Prozess des regionalen Abgleichs ab-geschätzt werden. Erstmals stehen damit alle Wasser-haushaltskomponenten flächendeckend für die ganzeSchweiz zur Verfügung (vgl. SCHÄDLER & WEINGARTNER2002a).

10.2.3 Wasserbilanz der Schweiz

Der in Abschnitt 10.2.2 vorgestellte hydrologische An-satz ermöglicht die Darstellung der einzelnen Kompo-nenten der Wasserbilanz sowohl für die gesamteSchweiz (vgl. Fig. 10-5) als auch für jedes der 287Bilanzierungsgebiete. Als Beispiel zeigt Figur 5-32 denvon SCHÄDLER & WEINGARTNER (2002a) berechneten Ge-bietsabfluss der Bilanzierungsgebiete.

Die Verdunstungsanteile am Niederschlag erreichen imMittelland und Jura Werte um 50 % (vgl. Fig. 10-6); siekönnen aber im Einzelfall bis zu 70 % des Gebietsnie-derschlags ausmachen. Die absoluten Werte der Ge-bietsverdunstung liegen in diesen Regionen zwischen500 und 650 mm/a mit Maximalwerten um 720 mmpro Jahr. Im Alpenraum sind die Verdunstungsanteile

Fig. 10-4: Berechnung der Wasserbilanz der Bilanzierungsgebiete mitregionalem Abgleich (nach SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

Fig. 10-5: Wasserbilanz der Schweiz: jährliche Wasserhöhen in mm(Periode 1961–1990) (Daten: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a).

Fig. 10-6: Charakteristische mittlere Wasserbilanzen von Bilanzie-rungsgebieten entlang eines Profils Jura – Wallis – Tessin (Periode1961–1990) (nach SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

Bilanzierungsgebiete mit wenigerplausiblen Abflussdaten Gebiets-niederschlag muss abgeschätzt werden

�

Bilanzierungsgebiete mit plausiblenAbflussdaten alle Komponentendes Wasserhaushalts (inkl. Gebiets-niederschlag) direkt bestimmbar

�

Übergeordnetes Einzugsgebiet mitplausiblen Abflussdaten zuverlässigeBestimmung des Gebietsniederschlags (P) möglich

�

Vorgehen beim regionalen Abgleich

1) Flächengewichtete Berechnung des Gebietsniederschlags aus denGebietsniederschlägen der einzelnen Bilanzierungsgebiete (P)

2) Abgleich einer allfälligen Differenz zwischen P und P beim Gebiets-niederschlag der roten Gebiete

3) Berechnung des Abflusses aus den roten Gebieten

^

^

122

am Gebietsniederschlag sehr klein. In hochalpinen Bi-lanzierungsgebieten gelangen bis zu 90 % der Nieder-schläge zum Abfluss (SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

In Figur 10-7 sind die Schwankungen der Wasserhaus-haltselemente Niederschlag und Verdunstung entlangzweier Nord-Süd-Profile darstellt. Aus der Differenz re-sultiert, unter Vernachlässigung der unterirdischen Zu-oder Abflüsse und der Speicheränderung, der Abfluss.

Für andere Fragestellungen kann der Wasserhaushaltgrösserer Einzugsgebiete oder der Kantone berechnetwerden. Die Beiträge der Kantone zum Gesamtabflussder Schweiz reichen von weniger als 0,1 % (Kt. Basel-Stadt) bis 19,1 % (Kt. Graubünden) (vgl. KennziffernKap. 10). In diesen Zahlen widerspiegeln sich natürlichauch die unterschiedlichen Kantonsflächen. Um derenEinfluss auszuschalten, wurde für jeden Kanton ein«Effizienzfaktor» berechnet, der sich aus dem Verhält-nis zwischen dem Abflussbeitrag eines Kantons und

dessen Flächenanteil ergibt. In dieser Betrachtungswei-se erreicht der Kanton Uri (Anteil am Gesamtabfluss4,5 %) einen Faktor von 1,7, gefolgt von Glarus mit ei-nem Faktor von 1,6 sowie Schwyz und Tessin mit 1,5.Im Kanton Uri wird also dank der hohen Niederschläge1,7 mal mehr Abfluss erzeugt als aufgrund des Flä-chenanteils an der Schweiz von 2,6 % zu erwartenwäre. In den Kantonen Thurgau, Schaffhausen undGenf ist die «Abflusseffizienz» – wegen der kleinenNiederschlags- und der hohen Verdunstungswerte –mit einem Wert um 0,4 vergleichsweise gering. DieAngabe der Wasserhöhe in mm/a (vgl. KennziffernKap. 10) ermöglicht ebenfalls einen direkten, von derKantonsfläche unabhängigen Vergleich der Wasserbi-lanzen.

Figur 10-8 zeigt das Spektrum der Wasserbilanzen inden Kantonen auf. Wie das Beispiel des KantonsAppenzell Innerrhoden verdeutlicht, kann der Anteilunterirdisch ab- oder zufliessenden Wassers in Karstge-

Fig. 10-7: Veränderung von Niederschlag und Verdunstung entlang zweier Nord-Süd-Profile (Jahresniederschlagssummen der Periode 1971–1990 aus Figur 2-14 und jährliche aktuelle Verdunstungshöhen der Periode 1973–1992 aus Figur 4-9; Daten: SCHWARB et al. 2001a; MENZEL

et al. 1999).

N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

4500(700.000/285.000) (700.000/108.700)

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1000

1500

2000

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m]

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1750

2250

250

0

Abfluss

Verdunstung

Niederschlag

Verdunstung

Relief

VorderrheinMuota Ticino MaggiaRhein Zürichsee

N S

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Hö

he

[mü

.M.]

4000

4500(600.000/259.000) (600.000/85.900)

500

1000

1500

2000

Wa

ss

erh

öh

e[m

m]

750

1250

1750

2250

250

0

Abfluss

Verdunstung

Relief

Niederschlag

Verdunstung

La Sorne Aare (Grenchen) Aare (Bern) Simme (Oberwil) Simme (Lenk) Le Rhône

123

bieten beträchtlich sein und darf nicht ausser Acht ge-lassen werden. Der Anteil der Speicheränderung an dermittleren jährlichen Bilanz ist demgegenüber im regio-nalen – aber nicht unbedingt im lokalen – Massstabunbedeutend (maximal –6 mm, Kt. Glarus und Wallis).Trotzdem sind die in Seen, im Grundwasser und inGletschern gespeicherten Wassermengen beträchtlich(vgl. Tab. 10-1). Allein die im Gletschereis gespeicher-ten rund 67 km3 Wasser entsprechen einer 1600 mmhohen Wasserschicht über der gesamten Fläche derSchweiz, was ungefähr einem Jahresniederschlaggleichkommt. Zudem beeinflusst die temporäre Spei-cherung von Wasser im Schnee massgeblich das Ab-flussregime der Flüsse (vgl. Abschnitt 5.3.2) und trägtzur «Wasserschlossfunktion» der Alpen bei.

Speicher Wassermenge Wasserhöhe Anteil[km3] [mm] [%]

Künstliche (Stau-) Seen 4 97 1,1Grundwasser 50 1210 14,1Gletscher 67 1610 18,7Natürliche Seen (inkl. Grenzseen) 235 5690 66,1Total 356 8607 100,0

Tab. 10-1: Wasserreserven der Schweiz (Quelle: MAISCH et al. 1999).

10.3 Die Alpen als WasserschlossEuropas

Hohe Niederschläge, geringe Verdunstung und dietemporäre Rücklage von Wasser in Form von Schneeund Eis lassen Gebirgsräume zu «Wasserschlössern» fürdie umliegenden Tiefländer werden. Die hydrologischeFernwirkung der Alpen ist von VIVIROLI & WEINGARTNER(2004) quantifiziert worden.

Die Alpen verdanken ihren Titel als «WasserschlossEuropas» dem Umstand, dass hohe Niederschläge ei-ner tiefen Verdunstung gegenüberstehen. Dadurcherzeugt der Alpenraum deutlich mehr Abfluss als dieumliegenden Gebiete (vgl. Tab. 10-2).

Erde Landflächen Europa Alpen

Niederschlag 973 746 780 1460Verdunstung 973 480 510 480Abfluss – 266 270 980

Tab. 10-2: Mittlere Wasserbilanzen in mm (Quellen: BAUMGARTNER &LIEBSCHER 1990, MOUNTAIN AGENDA 1998).

Entscheidend für die Wasserschlossfunktion ist zudemdie saisonale Abflussvariabilität in den Gebirgsräumen.Die winterlichen Niederschläge werden in Form vonSchnee und Eis gespeichert. Dieses Wasser fliesst erstim Frühling und Sommer ab, genau dann, wenn dasWasserdargebot im Vorland klein und der Wasserbe-darf der Landwirtschaft gross sind. Die Tiefländer derAlpenflüsse Rhein, Rhone, Po und Donau profitierendaher vor allem in den Sommermonaten vom Abflussaus den Alpen.

Um die hydrologische Fernwirkung der Alpen zu quan-tifizieren, wurde der Anteil des Abflusses, der aus demAlpenraum stammt, auf monatlicher Basis bestimmt.Einen Anteil von 100 % weisen die Hauptflüsse beimVerlassen des Alpenraumes auf. Durch die Tieflandzu-flüsse wird der alpine Anteil verringert; durch Zubrin-ger mit alpinem Regime kann er auch wieder erhöht

Fig. 10-8: Wasserbilanzen ausgewählter Kantone (Periode 1961–1990) (Daten: SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002a).

Fig. 10-9: Mittlere monatliche Abflussmengen des Rheins zwischenDiepoldsau (CH) und Rees (D) (nach VIVIROLI 2001). Rees liegt an derdeutsch-niederländischen Grenze und charakterisiert das Gesamt-einzugsgebiet des Rheins.

0J F M A M J J A S O N D

Ab

flu

ss

[m/s

]3

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

DiepoldsauRekingen

Rheinfelden

Maxau

Mainz

Rees

0

500

1000

1500

2000

2500

59 % 58 %

25 %

24 %

18 %

Wasserh

öh

e[m

m]

Basel-StadtThurgau AppenzellInnerrhoden

Graubünden Uri

41 % 42 %

65 % 76 %

82 %

10 %

AbflussUnterirdischer Abfluss

VerdunstungNiederschlag

124

werden. Figur 10-9 zeigt die Zusammensetzung dermittleren Monatsabflüsse des Rheins. Der Alpenrhein(Messstation Diepoldsau) und die Aare (Zufluss vor derMessstation Rheinfelden) entwässern den alpinen Teildes Rheineinzugsgebiets. Dieser alpine Teil umfasst flä-chenmässig nur 15 % des gesamten Rheineinzugsge-bietes; er trägt aber durchschnittlich 34 % zum Ge-samtabfluss in Rees bei (vgl. Tab. 10-3 und Tab 10-4).In den Sommermonaten erhöht sich dieser Betrag aufbis zu 52 % (durchschnittlicher alpiner Beitrag im Juni)(VIVIROLI & WEINGARTNER 2004).

Abflussmess-station

Distanz abQuelle[km]

MittlereJahresabfluss-menge [m3/s]

Mittlerer Beitragder Alpen zum

Jahresabfluss [%]Diepoldsau (CH) 150 223 100Rekingen (CH) 298 443 49Rheinfelden (CH) 356 1043 74Maxau (D) 568 1288 60Mainz (D) 704 1672 47Rees (D) 1043 2385 34

Tab. 10-3: Jahresabflüsse des Rheins und Beitrag des alpinen Ein-zugsgebiets am Gesamtabfluss (Quelle: VIVIROLI & WEINGARTNER

2004).

Wie Tabelle 10-4 verdeutlicht, liefern die alpinen Re-gionen des Rheingebiets 2,3 mal soviel Wasser als auf-grund ihres Flächenanteils zu erwarten wäre (Überpro-portionalität). Tabelle 10-4 gibt auch einen Überblicküber die alpinen Anteile am Abfluss der anderen gros-sen Alpenflüsse. In allen Flussgebieten sind diese Bei-träge in den Sommermonaten Juli und August nochwesentlich höher. Das Spektrum reicht hier von 36 %(Donau) bis 80 % (Po).

Strom Mittlerer Beitragder Alpen zum

Gesamtabfluss [%]

Flächenanteil desAlpenraums

[%]

Überpropor-tionalität desAlpenraums

Rhein 34 15 2,3Rhone 41 23 1,8Po 53 35 1,5Donau 26 10 2,6

Tab. 10-4: Beitrag der Alpen zum Gesamtabfluss von Rhein, Rhone,Po und Donau (Quelle: VIVIROLI & WEINGARTNER 2004).

10.4 Entwicklung derWasserhaushaltskomponenten

Die Periode 1961–1990 weist höhere Niederschlags-und Verdunstungswerte auf als der grössere Teil derübergreifenden Periodenmittel im 20. Jahrhundert.Einzig das hochgelegene Inngebiet (mittlere Höhe um1800 m ü.M.) macht davon eine Ausnahme.

In Figur 10-10 werden am Beispiel des Rheineinzugs-gebiets die Mittelwerte der Wasserhaushaltskompo-nenten der 30jährigen Periode 1961–1990 (Standard-periode der WMO) mit den Mittelwerten der übergrei-fenden Periodenmittel 1901–1930, 1902–1931, ...,1971–2000 verglichen. Dabei lassen sich interessanteTendenzen ablesen:

− Die Periodenmittel der Verdunstung nahmen, wohlhauptsächlich infolge des Temperaturanstiegs, imLaufe des 20. Jahrhunderts kontinuierlich zu; Perio-den vor der Standardperiode 1961–1990 weisendeshalb durchwegs kleinere, Perioden nach 1961–1990 durchwegs grössere Werte als die Standard-periode auf.

− Der mittlere Gebietsniederschlag blieb zu Beginn desletzten Jahrhunderts relativ konstant mit Werten um96 % des Periodenmittels 1961–1990. Bemerkens-wert ist die markante Zunahme der Gebietsnieder-schläge ab der Periode 1946–1975. Seit der Periode1961–1990 scheint sich der Niederschlag wieder aufeinem nun höheren Niveau einzupendeln.

− Im Gebietsabfluss kommen primär die Effekte derzeitlichen Schwankungen des Niederschlags zumTragen. Es resultiert in der ersten Hälfte des 20.Jahrhunderts eine Abnahme, gefolgt von einer Zu-nahme und einer anschliessenden Nivellierung ana-log dem Niederschlagsverlauf.

In den anderen Flussgebieten der Schweiz sind – mitAusnahme des Inngebietes – ähnliche zeitliche Mustererkennbar. Erwähnenswert ist die markante Zunahmeder mittleren Gebietsverdunstung beim Ticino mit Wer-ten um 360 mm/a zu Beginn des Jahrhunderts und ei-nem Wert von 485 mm/a für die Periode 1961–1990.

Im Inngebiet dagegen war die mittlere Gebietsverdun-stung zu Beginn und wiederum am Ende des 20. Jahr-hunderts systematisch höher als in der Standard-periode 1961–1990; sie zeigt also einen u-förmigenzeitlichen Verlauf. Die mittleren Gebietsniederschlägeunterliegen geringeren zeitlichen Schwankungen als inden anderen Flussgebieten; der für das Rheingebiet

125

dokumentierte Anstieg des Niederschlags in der zwei-ten Hälfte des 20. Jahrhunderts ist hier nicht zu beob-achten.

10.5 Die Isotope im Wasserkreislauf

Die Isotope des Wassermoleküls werden in den Natur-wissenschaften – vor allem in der Hydrologie, Hydro-geologie und Klimatologie – als natürliche Markierstof-fe (Tracer) eingesetzt. Das «Nationale Netz zur Beob-achtung der Isotope im Wasserkreislauf» (NISOT) stelltdie notwendigen Vergleichsdaten und langjährigenMessreihen zur Verfügung, ohne die solche Informa-tionen nicht gedeutet werden können.

10.5.1 Messung der Isotope im Wasserkreislauf

Die stabilen Isotope Sauerstoff-18 (18O) und Deuterium(2H) sowie das radioaktive Wasserstoff-Isotop Tritium(3H) sind Bausteine des Wassermoleküls. Sie werden anWasserproben in der Schweiz von unterschiedlichenOrganisationen gemessen. Rund 135 Stationen, andenen solche Messungen im Niederschlagswasser, inFliessgewässern, in Seen, in Gletschern, im Schnee undim Grundwasser vorgenommen wurden, konntendurch eine Bestandesaufnahme identifiziert werden (s.PARRIAUX et al. 2001 sowie www.bwg.admin.ch). DieseMessungen stellen jedoch nicht die als Referenz erfor-derlichen, langjährigen, landesweit verteilten Datenrei-hen dar. Deswegen wurde 1992 das «Nationale Netzzur Beobachtung der Isotope im Wasserkreislauf»(NISOT) ins Leben gerufen.

NISOT umfasst zur Zeit 21 möglichst repräsentativ überdie ganze Schweiz verteilte Messstellen (s. Fig. 10-11):11 Niederschlags-, 7 Oberflächenwasser- sowie3 Grundwasserstationen, für welche der Anteil vonSauerstoff-18, Deuterium und Tritium im Wassergemessen wird (SCHÜRCH et al. 2003b, PARRIAUX et al.2001, SCHOTTERER et al. 1995).

Die Niederschlagsstationen liegen in der Nähe vonmeteorologischen Stationen der MeteoSchweiz, wou.a. Temperatur und Dampfdruck bestimmt werden.Für die Isotopenmessung werden monatliche Sammel-proben der täglich geleerten Niederschlagsmesser ver-wendet. Als Fliessgewässerstationen wurden Stationendes Bundesamtes für Wasser und Geologie (BWG) mitAbfluss- und Wassertemperaturmessung gewählt. Dortwerden je nach örtlicher Infrastruktur entweder28tägige, abflussproportionale Sammelproben auto-matisch oder pro Monat zwei Stichproben manuellentnommen. An den Grundwasserstationen (eineQuelle und zwei Förderbrunnen) werden monatlicheStichproben erhoben sowie Wassertemperatur, elektri-sche Leitfähigkeit und Quellschüttung bzw. Grund-wasserstand ermittelt. Nach ihrer Validierung werdendie Daten archiviert und dem interessierten Publikumzur Verfügung gestellt (s. www.bwg.admin.ch; s. auch«Hydrologisches Jahrbuch der Schweiz», z.B. BWG2004).

Fig. 10-11: Beobachtungsstationen NISOT (Nationales Netz zurBeobachtung der Isotope im Wasserkreislauf), Stand 2003 (nachSCHÜRCH et al. 2003b).

Fig. 10-10: Vergleich der übergreifenden 30jährigen Periodenmittel(1901–1930, 1902–1931, ..., 1971–2000) der Wasserhaushalts-komponenten des schweizerischen Rheingebiets mit den Werten derStandardperiode 1961–1990 (nach SCHÄDLER & WEINGARTNER 2002b).

Dif

fere

nz

zu

rS

tan

dard

peri

od

e[%

]

-15

-10

-5

0

5

10

1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990

Niederschlag

Abfluss

Verdunstung

Standardperiode1961–1990

126

-8

-10

-12

-14

1970 1975 1985 1990 1995 2000 20051980

Sa

ue

rsto

ff-1

8‰

][

Locarno

Grimsel, Hospiz

Guttannen

Meiringen

Bern

10.5.2 Messgrössen

Die Isotopenverhältnisse von Deuterium (2H/1H) undSauerstoff-18 (18O/16O) werden als Deltawert (δ2H oderδ18O [‰]) ausgedrückt, welcher die relative Abwei-chung einer Wasserprobe vom internationalen, aufdas Ozeanwasser bezogenen Standard (VSMOW =«Vienna Standard Mean Ocean Water») in Promille be-schreibt (PARRIAUX et al. 2001, ETCHEVERRY 2002).

(2H/1H)VSMOW = (155,76 ± 0,05) · 10-6

(18O/16O)VSMOW = (2005,2 ± 0,45) · 10-6

Eine negative Abweichung weist auf eine Verarmungan schweren Isotopen (2H oder 18O) hin.

Die Tritium-Konzentration wird als Tritium-Einheit (TU)angegeben. Eine Tritium-Einheit ist definiert als dasVerhältnis von einem Tritiumatom auf 1018 Atomenormalen Wasserstoffes; dies entspricht einer Aktivitätvon 0,119 Bq/l (1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde).

10.5.3 Darstellung ausgewählter Messreihen

Die Ursache für den «Fingerabdruck», den die Isotopevon Sauerstoff und Wasserstoff in den verschiedenenKomponenten des Wasserkreislaufs hinterlassen, liegtvor allem in der Isotopenfraktionierung während derEntstehung von Niederschlag. Durch die physikalischenProzesse (Verdunstung bzw. Kondensation), die in der

Atmosphäre stattfinden, kommt es zu einer Trennung(Fraktionierung) zwischen leichteren und schwereren(enthalten entweder Sauerstoff-18, Deuterium oderTritium) Wassermolekülen. Dabei werden die leichten

Fig. 10-12: Sauerstoff-18 im Niederschlag: Gleitende Monatsmittel ausgewählter Stationen (ergänzt nach SCHOTTERER et al. 2000, PARRIAUX etal. 2001).

Fig. 10-13: Meteorologische Messgrössen und Isotopenverhältnisseim Niederschlag der Station Bern (nach BWG 2002).

]‰[1000O)O/(

O)O/(O)O/(O

[‰]1000H)H/(

H)H/(H)H/(H

VSMOW1618

VSMOW1618

Probe1618

18

VSMOW12

VSMOW12

Probe12

2

⋅−

=δ

⋅−

=δ0

100

200

300 Niederschlag [mm] MeteoSchweiz

–10

0

10

20

30 Lufttemperatur [°C]

0

5

10

15

20 Dampfdruck [hPa]

–20

–15

–10

–5

0 Sauerstoff-18 [ ]‰

–150

–100

–50

0 Deuterium [‰]

0

100

200

300 Tritium [TU]

20012000199919981997199619951994

Meteo chweizS

Meteo chweizS

20012000199919981997199619951994

127

Isotope generell besser mobilisiert. Diese Isotopenfrak-tionierung ist stark temperaturabhängig. Dies hat ei-nen Jahresgang der Isotopenverhältnisse in den Nie-derschlägen zur Folge (vgl. Fig. 10-13). Ausserdemzeigt die jährliche Verteilung der Isotopenverhältnisseeinen generellen Trend zu einer Anreicherung schwererIsotope (vgl. Zunahme δ18O in Figur 10-12). Dieskönnte entweder mit einer globalen Erwärmung odermit einer veränderten Herkunft des Niederschlagswas-sers in Zusammenhang stehen.

Trotz der Vielfältigkeit der beeinflussenden Faktorenweisen die stabilen Isotope eine mehr oder weniger li-neare Höhenabhängigkeit auf (vgl. Fig. 10-14). Eincharakteristisches Isotopensignal ist für ein spezifischesNiederschlagsgebiet und für eine gegebene Jahreszeiterkennbar. Deshalb eignen sich diese Isotope gut zurBestimmung der mittleren Infiltrationshöhe von Grund-wasser, wobei saisonale und regionale Unterschiedesowie klimatisch bedingte Veränderungen berücksich-tigt werden müssen.

Fig. 10-14: Räumliche Variation der Höhenabhängigkeit (Periode1974–1983) (nach SCHOTTERER et al. 1995, PARRIAUX et al. 2001).

Der «Fingerabdruck» des Tritiums entspricht im We-sentlichen noch immer der Markierung, die Kernwaf-fenversuche in den fünfziger und sechziger Jahren deszwanzigsten Jahrhunderts hinterlassen haben. Seit1963, dem Jahr der Unterzeichnung eines Verbots füratmosphärische Atomwaffentests, nimmt die Tritium-konzentration stetig ab. Diese Tendenz widerspiegeltsich in der Tritium-Ganglinie der Lutry-Quelle(vgl. Fig. 10-15). Die Tritumkonzentration eignet sichtrotz dieser Abnahme gut zur Datierung von Grund-wässern, die maximal einige Jahrzehnte alt sind.

Fig. 10-15: Tritium-Isotopenkonzentration in der Lutry-Quelle(Messstelle Savigny) (nach BWG 2004).

Eine Anwendung der Isotope des Wassermoleküls inder Praxis wird in Kapitel 7.6 illustriert. Weitere An-wendungsbeispiele (u.a. Datierung mit Tritium) sind inPARRIAUX et al. (2001) und in ETCHEVERRY (2002) darge-stellt.

Tri

tiu

m[T

U]

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 20030

5

10

15

20

25

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

–18 –16 –14 –12 –10

Hö

he

[mü

.M.]

Jura

Mittelland und Berner Oberland

Wallis

ä18

O [‰]

128

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Umschlag: oben: Sandra Crameri, GIUBMitte: Beat Sigrist, BWGunten: NAQUA, BWG

Fig. 2-4: Eva Gertsch, GIUBFig. 2-5: MeteoSchweizFig. 2-6: Joachim Gurtz, IACETHFig. 2-7: Rolf Weingartner, GIUBFig. 2-25: Tom Reist, GIUBFig. 2-29: Martin Jucker, Jucker Farmart (ZH)

Fig. 3-1: Martin Zimmerli, SLFFig. 3-4: Martin Schneebeli, SLFFig. 3-6: Chris Pielmeier, SLFFig. 3-7: Thomas Wiesinger, SLFFig. 3-9: Gemeindelawinendienst Walenstadt

(SG)Fig. 3-16–3-17: Archiv SLFFig. 3-18: Thomas Stucki, SLFFig. 3-20: Simone Perret, GIUBFig. 3-21: links: Fréderic Martens, London Alpine

Club Libraryrechts: Heinz J. Zumbühl, GIUB

Fig. 3-27: Sandra Crameri, GIUB

Fig. 4-4: Joachim Gurtz, IACETHFig. 4-6: Joachim Gurtz, IACETH

Fig. 5-3: Beat Sigrist, BWGFig. 5-5–5-6: BWGFig. 5-7: Beat Sigrist, BWGFig. 5-8–5-9: BWGFig. 5-10–5-18: Beat Sigrist, BWGFig. 5-40: Daniel Viviroli, GIUBFig. 5-41: Beat Sigrist, BWGFig. 5-42: Katharina Iseli-Reist, Biembach-Bad

(BE)Fig. 5-47: Beat Sigrist, BWG

Fig. 6-5: Monika Brunner, Gemeindeverwal-tung Pfäffikon (ZH)

Fig. 6-8: Sandra Crameri, GIUBFig. 6-9: Markus Zeh, GSA/GBL BernFig. 6-11: Pius Stadelmann, Amt für Umwelt-

schutz des Kantons Luzern

Fig. 7-5: BWGFig. 7-20: Denis Blant, ISSKAFig. 7-30: NAQUA, BWGFig. 7-31: BWGFig. 7-32: Hans RickenbacherFig. 7-34: Hans RickenbacherFig. 7-40: NAQUA, BWG

Fig. 7-41: Thomas Gabriel, Hardwasser AG (BL)Fig. 7-42: Marc Schürch, BWGFig. 8-1: Rolf BiglerFig. 8-2–8-3: Adrian Jakob, BWGFig. 8-8: Eva Gertsch, BWGFig. 8-10: Leissigen-Team, GIUBFig. 8-12–8-13: WSLFig. 8-15: Beat Sigrist, BWGFig. 8-18: Adrian Jakob, BWGFig. 8-24: Adrian Jakob, BWG

Fig. 9-3: NADUF-Team, BWG

Fig. 10-2: Sandra Crameri, GIUB

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