Original paper

Simulation langfristiger Trends der Boden- und Grundwasserversauerung im Buntsandstein-Schwarzwald

[Modelling long-term trends in soil and groundwater acidification of the Bunter sandstone, Black Forest]

Hinderer, Matthias

Kurzfassung

Auf der Basis langjähriger Bestimmungen des Stoffein- und -austrags wurde mit Hilfe des Computermodells MAGIC die langfristige Boden- und Grundwasserversauerung im karbonatfreien bis karbonatarmen Buntsandstein des Nordschwarzwaldes simuliert. Die Simulation unterstreicht die verzögernde Wirkung der SO4-Sorption für die Grundwasserversauerung. In den Deckschichtenwässern tritt die höchste SO4-Konzentration etwa 13, im Kluftaquifer etwa 30 Jahre später als die maximale Deposition auf. Mit einem ebenfalls verzögerten Anstieg ist bei NO3 zu rechnen, das derzeit noch wegen der Stickstoffuntersättigung der Waldbestände gespeichert wird. Hauptkennzeichen der historischen Entwicklung von 1850 bis heute sind eine Zunahme der Gesamtmineralisierung des Wassers, verbunden mit einer Verschiebung in den Ionenverhältnissen. Die schwachen Säureanionen wurden zunehmend von den starken atmogenen Mineralsäuren verdrängt. In den Deckschichten konnten die erhöhten Anionenkonzentrationen nicht mehr von basischen Kationen gepuffert werden, so daß eine Mobilisierung von AI stattfand. Die derzeitige Säurebelastung übersteigt die Pufferrate der Silikatverwitterung (Critical Load für das Grundwasser) in verschiedenen Gebieten des Buntsandstein-Schwarzwalds. Somit sind weitere Anstrengungen zur Verminderung der Emissionen notwendig.

Abstract

In the northern Black Forest area, which is geologically characterized by low carbonate to carbonate free sandstones of the Bunter Formation, the MAGIC model was applied to reconstruct and forecast the long-term acidification of ground water and soils. The simulation is based on long time measurements of element budgets in a small forested catchment (see also EINSELE & HINDERER, this vol.). The results show the delaying effect on groundwater acidification due to sulphate sorption which takes place mainly in the soil horizon. In the periglacial soil cover the highest sulphate concentration is reached 13 years, in the fractured aquifer of the sandstone formation ca. 30 years after the highest deposition. A further delaying effect is due to the storage of deposited nitrogen components by the biomass which is up to now undersaturated in nitrogen because of former intensive forest use. Main features of the historical development since 1850 are the increase of the total water mineralisation and the change in ion ratios. The weak acid anions such as hydrogen carbonate and organic acids were displaced by the strong man-made mineral acids. In the periglacial soil cover the base saturation of the exchange sites was overstressed leading to a mobilization of aluminium. Today, the acid input is higher than the proton consumption by silicate weathering (critical load for groundwater) in different areas of the northern Black Forest. Therefore further efforts to reduce the emissions of sulphur dioxide and nitrogen oxides are necessary.

Keywords

Acid depositionlong-term trendscomputer modelacidificationsoilgroundwatercritical loadproton budgetsandstoneBunter Black ForestBaden-Württemberg