5. Endokarst und Karsthydrographie

5.1 Einleitung

Der Südharz ist eine naturräumliche Einheit von geogen bedingter Eigenart. Auf einer Länge von 100 km erstreckt sich ein zusammenhängender Zechsteinstreifen. Bestimmendes Element sind z.T. großflächige Ausstriche verkarsteten Gipsgesteins. Die hohe Gesteinslöslichkeit in Verbindung mit dem hohen Niederschlag (bis 800 mm Jahresniederschlag) hat in geologisch kurzer Zeit eine Landschaft extremer Verkarstungsintensität und Vielfalt an Gipskarsterscheinungen geschaffen, die in Europa und darüber hinaus einzigartig ist (Knolle).

Im Folgenden wird die Verkarstung von Sulfatgesteinen beschrieben. Es wird gezeigt, dass die unterirdischen Prozesse (Entstehung von Endokarst) vor allem durch die Art des vorliegenden Gesteins und die Lösungsprozesse durch Wasser bedingt sind.

Zunächst wird das im Projektgebiet bestimmende Sulfatgestein genauer beschrieben. Dann werden der Weg des Wassers im Karst von der Herkunft bis zur Quelle dargestellt. Weiterhin werden die Bedingungen für den Beginn der Verkarstung sowie die Veränderungen eines jungen hin zu einem voll entwickelten Karst dargestellt. Schließlich werden die Eigenschaften des Karstwassers als eine besondere Art des Grundwassers erläutert.

5.2 Sulfatgestein: Gips und Anhydrit

Unter dem Begriff Endokarst versteht man den sog. unterirdischen Karst. Endokarst entsteht nicht bei der Ablagerung des Gesteins selbst, sondern entwickelt sich durch die langsame Wandlung der bei der Ablagerung entstandenen Fugen zu Hohlräumen. Die Entstehung von Karst ist stets an Gesteinslösung und damit an Wasser gebunden.

Zu den verkarstungsfähigen Gesteinen zählen v.a. Evaporite (Gips, Anhydrit, Steinsalz) und Carbonatgesteine (Kalk, Dolomit). Diese Gesteine sind löslich und hinterlassen bei diesen Prozessen nur so wenig Rückstände, dass die durch Lösungsvorgänge erweiterten Fugen und somit die Wasserbahnen offen bleiben. Die Lösung von Gesteinen geschieht durch Korrosion. Die chemische Korrosion ist verantwortlich für die Lösung von Carbonatgesteinen, wohingegen die physikalische Korrosion die Lösung von Gips bedingt. Beide Formen der Korrosion sind reversibel (vgl. Bögli 1978, 16ff).

Gips ist ein mineralisches Salz (CaSO4 • H2O). Salze können Wassermoleküle als sogenanntes Kristallwasser einlagern und verändern dadurch ihre physikalischen Eigenschaften. Gips ohne eingelagertes Kristallwasser heißt Anhydrit (CaSO4) . Er ist sehr hart, bricht in scharfen Kanten und hat oft einen grauen Farbstich. Im Gips kommen auf ein Molekül Calciumsulfat zwei Wassermoleküle. Daher lautet die chemische Bezeichnung Dihydrat. Gips ist relativ weich, lässt sich bereits mit der Hand zerbröseln und bildet keine Bruchkanten wie der Anhydrit. Der übliche Sprachgebrauch verwendet "Gips" als Sammelbezeichnung für Dihydrat und Anhydrit (naturschutz.org/ki-gips.htm).

Gips (CaSO4 • H2O) ist ein Umwandlungsprodukt von Anhydrit (CaSO4). Diese entstanden u.a. im Zechstein des Südharzes (vgl. Kapitel Geologie). Beide bestehen aus Ionengittern, aus denen beim Lösen die Ionen ohne chemische Veränderung austreten. Beim erneuten Auskristallisieren bilden sich abermals die Kristallgitter. Bei Anhydrit und Gips gilt dann die Gleichung
CaSO4 Ca2+ + SO42- .
Gips ist 10-30 mal löslicher als Kalk, da die Ionen nur aus dem Gitter gelöst, nicht aber chemisch verändert werden. Durch seine hohe Löslichkeit ist Gips der Korrosion durch Niederschläge wesentlich stärker als Kalk ausgesetzt. Zwei Gramm Gips werden in einem Liter Regen- oder Grundwasser gelöst. Die Lösungsfähigkeit des Wassers ist nach einer gewissen Zeit und unterirdischen Fließstrecke erschöpft. Die physikalische Korrosion setzt aus, da es keine Reaktion gibt, die die Auflösung von Gips unterbrechen könnte oder die Konzentration von gelösten Ionen verringern könnte, es sei denn, frisches lösungsfähiges Wasser wird zugeführt. Dadurch und durch die relative Weichheit von Gips erklärt sich auch die Form der Höhlen im Gipskarst, die selten länger als 4 km werden (Heimkehle) (Bögli 1978, 14f).

5.3 Herkunft des Wassers im Endokarst

Das unterirdische Karstwasser wird, wie die nachfolgende Abbildung zeigt, gespeist aus:

  • einsickerndem Niederschlagswasser auf nacktem Gestein (N),
  • Bodenwasser (B),
  • einfließendem Wasser oberirdischer Gerinne (G),
  • Kondenswasser (K).

Abb.: 13 Unterirdische Karstwasser (Bögli 1978, 76)

Die Vermischung der unterschiedlichen Wässer geschieht zufällig. Einerseits durch die Ansammlung der Wässer in der phreatischen Zone (vgl. karsthydrographische Zonen), andererseits durch ein Aufeinandertreffen über einer undurchlässigen Gesteinsunterlage, wodurch diese schließlich durch eine Karstquelle austreten.

Niederschlagswasser versickert diffus auf nacktem Kalk an verschiedenen Schluckstellen. Bodenwasser sickert diffus in den Boden ein. See- und Flusswasser bilden im vadosen Raum (vgl. karsthydrographische Zonen) größere unterirdische Gerinne. Im phreatischen Raum bestehen sie entweder weiter als Höhlenfluss, oder sie verteilen sich und sind somit nicht mehr selbständig. Die Bildung unterirdischen Kondenswassers wird durch den Luftzug in den gebildeten Höhlen verstärkt. Dadurch können sich viele Liter Kondenswasser bilden, was sich anhand dieser Beispielrechnung verdeutlichen lässt. Bei einer Lufttemperatur von 30°C und 70% Feuchtigkeit lösen sich 21g H2O / m³ Luft. Bei einer Abkühlung auf 10°C und 100% Feuchtigkeit lösen sich 9,4 g H2O / m³ Luft, so dass es also zu einer Freisetzung von 11,6 g Wasser kommt.

5.4 Einzugsgebiet - Vorfluter

Als Vorfluter bezeichnet man ein Gewässer, das das Wasser eines Einzugsgebietes aufnimmt und wegführt. Dadurch wird es zur hydrographischen Basis. Der Vorfluter reguliert mit seinen eigenen Wasserströmungen, -einspeisungen und -pegelständen Wasserbewegung und Wasserstand der in ihn mündenden Zuflüsse. Steht das Wasser bspw. im Vorfluter hoch an, so verringert sich der Wassereintrag der Zuflüsse. In ihnen erfolgt ein Rückstau des Wassers bis auf das Niveau des Wasserstandes im Vorfluter. So weisen möglicherweise zu bestimmten Zeiten, wie bspw. der Schneeschmelze, die in den Vorfluter entwässernden Täler und unterirdischen Hohlräume einen höheren Wasserstand auf als zu anderen Zeiten des Jahres.

Tektonik und Entwicklungsalter des Karstes bestimmen das Auftreten und die Zahl der karsthydrographisch voneinander unabhängigen Quellen.

  • Junger Karst: Hier sind die Fugen noch wenig ausgeweitet, d.h. der Wasserdurchsatz erfordert einen höheren Druck. Die piezometrische Fläche (vgl. karsthydrographische Zonen) liegt dementsprechend hoch. Die Zahl aktiver Wasserwege ist hoch, wodurch auch eine große Zahl an Quellen entsteht.
  • Voll entwickelter Karst: Hier befinden sich einige große aktive unterirdische Wasserwege, wodurch wenige große Karstquellen entstehen. (s. Abb. 2 und 3)
Besonders charakteristisch für den Karst ist die Überschneidung der Einzugsgebiete von Karstquellen. Dieses Phänomen findet man vor allem im jungen Karst.

5.5 Hydrographische Wegsamkeit – Karsthydrographische Wirksamkeit

Für den Begriff „Kluft“ gibt es mehrere Definitionen. Nach Schmidt (1928) handelt es sich dabei um einen spaltenförmigen Hohlraum im Gestein. Heute entspricht der Begriff „Spalte“ einer Kluft.
O. Lehmann (1932) beschreibt drei Arten von Klüften, die im Folgenden erläutert werden:

  • hydrographisch unwegsame,
  • hydrographisch wegsame,
  • karsthydrographisch wirksame Klüfte.
5.6 Hydrographisch unwegsame Klüfte

Dies sind Klüfte, die nur an einer Stelle durchlässig sind, so dass das Wasser also nur eintreten, nicht jedoch austreten kann. Der Weg des Wassers ist somit blockiert. Wasser verlässt die Spalte z.B. durch Verdunstung. Diese Klüfte sind für die Verkarstung bedeutungslos.

5.7 Hydrographisch wegsame Klüfte

Besteht eine durchgehende Verbindung vom Einsickerungsort bis zur Austrittsstelle, so spricht man von einer hydrographisch wegsamen Kluft, in der sich das Wasser mit einer mittleren Fließgeschwindigkeit von einigen cm bis zu 1 m am Tag bewegt. Hydrographisch wegsame Fugen können durch Korrosion erweitert und zu karsthydrographisch wirksamen Fugen werden.

5.7.1 Karsthydrographisch wirksame Klüfte
In karsthydrographisch wirksamen Klüften fließt das Wasser binnen Stunden bis Tagen vom Einsickerungsort bis zur Austrittsquelle. Fließgeschwindigkeiten lassen sich im phreatischen Raum (vgl. karsthydrographische Zonen) nicht direkt verfolgen, sondern nur indirekt berechnen. Mit markiertem Wasser, das mit sog. Tracers versetzt wird, lassen sich mittlere lineare Fließgeschwindigkeiten bestimmen. Im Karst betragen diese einige Meter bis 0,5 km pro Stunde. Die wahre Länge des unterirdischen Wasserlaufs lässt sich durch Multiplikation mit einem Verlängerungsfaktor bestimmen. Sie wird benötigt, um die mittlere effektive Geschwindigkeit zu ermitteln (s. Abb. 14).


Abb.: 14 Schema eines möglichen Wasserweges zwischen S und K (Bögli 1978, 79)


5.8 Initialstadium der Verkarstung

Der Prozess der Verkarstung beginnt frühestens mit beginnender Verfestigung des Gesteins. Ein entscheidender Faktor hierbei ist die Lösungswirkung des Wassers. In die bei der Ablagerung gebildeten kapillaren Fugen dringt nun Wasser ein (vgl. Herkunft des Wassers im Karst), das im Laufe der Zeit eine Ausweitung dieser Fugen durch Korrosion bewirkt. Das verkarstungsfähige Gestein ist also zunächst nur an seiner Oberfläche der Verkarstung ausgesetzt.
Eine wichtige Bedingung für den Beginn der unterirdischen Verkarstung ist das Vorhandensein einer Höhendifferenz zwischen der Gesteinsoberfläche und dem Vorfluter. Dadurch kommt es zum Gravitationsfließen, da ein Druckgradient das Wasser bewegt. Die Initialphase, in der aus hydrographisch wegsamen Fugen karsthydrographisch wirksame Fugen werden, dauert sehr lang, d.h. Zehntausende bis Hunderttausende von Jahren. Grund dafür ist die langsame Wasserbewegung bzw. der geringe Wasserdurchsatz. Eine Wasserbewegung kann erst entstehen, wenn im Gestein ein unterirdischer Abfluss vorhanden ist, also mindestens eine hydrographisch wegsame Fuge (vgl. Hydrographische Wegsamkeit).

In Carbonatgesteinen sind die offenen Klüfte, sog. Kluft- und Schichtfugen, durch Tektonik entstanden. Die Lösung des Carbonatgesteins ist ebenfalls an Wasser gebunden (Pfeffer 1990, 24). Die komplexen Lösungsprozesse von Carbonatgesteinen durch Korrosion und Erosion beschreibt u.a. Bögli ausführlich.

Im Bereich von Gips und Anhydrit ist zunächst der Anhydrit von Klüften durchzogen. Dringt dort Wasser ein, kommt es zur Vergipsung, d.h. zur Aufnahme von Wasser in das Kristallgitter und dadurch zu einer Volumenzunahme. Diese Quellprozesse können dann einerseits die Klüfte verschließen, andererseits verursachen sie im den Anhydrit umgebenden Gipsmantel Risse im Gesteinskörper. Die Wasserzirkulation findet dann v.a. im Gipsmantel zunächst oberflächennah statt.

Das Ende der Initialphase ist an den zunehmenden Versickerungsverlusten an der Oberfläche erkennbar.

5.9 Die karsthydrographischen Zonen

Die unterirdischen Hohlräume mit karsthydrographischer Wirksamkeit durchziehen den verkarsteten Bereich in einem dreidimensionalen Netz. In ihnen sind die Wasserbewegungen, vorab die langsamen, nur wenig gehemmt. Im oberen Bereich kommt es zur Wasserverarmung, im unteren zur Ansammlung von Wasser.

Einteilung der karsthydrographischen Zonen nach Cvijic :
(a) vadose, inaktive Zone,
(b) vadose, aktive Zone oder Hochwasserzone,
(c) phreatische, aktive Zone.


Abb.: 15 Karsthydrographische Zonen (Bögli 1978, 101)


5.10 Die Vadose Zone

Die vadose Zone ist gekennzeichnet durch die dauernde oder temporäre Anwesenheit von Luft. Die Wasserbewegung in diesem Bereich verläuft vertikal zur phreatischen Zone hin. Die vadose Zone teilt sich in einen aktiven und inaktiven Bereich.

5.10.1 Inaktive vadose Zone
Dieser Teil der Zone wird als inaktiv bezeichnet, da in ihr keine Erosions- oder Korrosionsprozesse ablaufen. Das Wasser dringt lediglich in die Spalten und Fugen des Gesteinskörpers ein, ohne dass es in diesem Bereich zu Veränderungen bzw. Erweiterungen der Hohlräume kommt.

5.10.2 Zubringer
Unter einem Zubringer versteht man aktive Streifen, auf denen Wasser durch die inaktive vadose Zone fließt. Sie verlaufen quer durch den Bereich, ohne sich an den karsthydrographisch wirksamen Hohlräumen zu orientieren. Ihr Wasser fließt abwärts des Karstwasserkörpers oder einer Sammelrinne. Zubringer wirken bei normaler Wasserführung je nach den Bedingungen mehr erosiv oder korrosiv. So schneiden kalkreiche Wässer sich nur durch Erosion ein; kalkarme Wässer hingegen verändern das Gestein bei geringem Gefälle praktisch nur durch Korrosion. Bei diesen hier beschriebenen Prozessen sind jedoch auch alle Übergänge zwischen diesen Extremen im Karst möglich.

5.10.3 Hochwasserzone – aktive vadose Zone
Als Hochwasserzone wird der Bereich bezeichnet, dessen Wasserstand durch das periodische Eindringen von Wasser Schwankungen unterliegt. In ihr findet sich daher eine Mischung und z.T. eine Überlagerung von Formen der vadosen als auch der phreatischen Zone.
Bei Niedrigwasser, also während einer Zeit, in der die Hohlräume Luft enthalten, gelten vadose Bedingungen aus der inaktiven vadosen Zone. Bei Hochwasser hingegen ist der Gangquerschnitt wassererfüllt, es gelten phreatische Bedingungen. Das Wasser korrodiert und erodiert wie in der phreatischen Zone. So zeigen sich bspw. an der Gesteinsoberfläche und an der Gangsohle verschiedene durch das Wasser eingeschnittene Formen wie Rinnen, Dellen und Mulden. An der Decke bilden sich flache Eindellungen.
Die Hochwasser- und die daran anschließende seichtphreatische Zone sind der Bereich intensivster hohlraumbildender Vorgänge.

5.11 Die phreatische Zone

Die karsthydrographische Aufteilung des unterirdischen Raumes ist nur im tiefen Karst vollständig möglich, denn nur in diesem tritt die phreatische Zone, die wassererfüllte Zone auf. Eine Unterscheidung zwischen seichtphreatischem und tiefphreatischem Bereich ist nur in einem Karstwasserkörper möglich, der groß und weit genug ist. Die Grenze der tiefphreatischen Zone ist die untere Grenze des verkarstungsfähigen Gesteins.
Die vom Wasser bevorzugten Wege stehen im Zusammenhang zu der Entfernung der Karstquellen. Bei geringer Entfernung werden flachlaufende Wege bevorzugt. Mit steigender Entfernung werden die tieferen Wasserleiter bevorzugt. Die folgende Abbildung verdeutlicht diesen Vorgang.


Abb.: 16 Fließwege von einer Schluckstelle zu verschiedenen Karstquellen (Bögli 1978, 107)

Die Entwicklung unterirdischer Wasserwege steht im Zusammenhang mit der Stärke und der Häufigkeit des Durchflusses. Stärker durchflossene Wasserbahnen werden stärker erweitert, so dass die flachlaufenden Bahnen bei kurzen Abständen (S – K) bevorzugt werden. Die nahe an der phreatischen Oberfläche laufenden Bahnen werden durch Korrosion begünstigt und dadurch stärker erweitert als die in der tiefphreatischen Zone. Im allgemeinen gibt es ein hochliegendes dichteres Netz an Wasserbahnen im seichtphreatischen Bereich. Im tiefphreatischen Bereich befinden sich wenige jedoch tiefreichende Wasserbahnen.

5.12 Seichter und Tiefer Karst

5.12.1 Seichter Karst
Eine undurchlässige Gesteinsschicht liegt gleich hoch oder höher als der Vorfluter. Die phreatische Zone fehlt, es existiert lediglich die vadose Zone. Das Wasser fließt auf der undurchlässigen Gesteinsschicht und tritt als oberirdische Quelle oberhalb des Vorfluters aus.

5.12.2 Tiefer Karst
Hier sind aufgrund seiner Größe sowohl die vadose als auch die phreatische Zone vorhanden. Große Teile der Karstwasserspeicher liegen unter dem Austrittsniveau der Quellen.
Häufig treten Mischformen von seichtem und tiefem Karst auf.
 
Abb. 17 Seichter Karst (Bögli 1978, 82)Abb. 18 Mischform von seichtem und tiefem Karst (Bögli 1978, 83)

5.13 Druckfließen – Freies Fließen – Höhlenfluss

In der Regel bewegt sich unterirdisches Wasser und nimmt somit am Wasserkreislauf teil. Anders ist es bei sog. „ruhendem“ Wasser. Da es sich um fossiles bzw. durch auftretende aktuelle klimatische Bedingungen zur Verfügung stehendes Wasser handelt, erneuert es sich nicht.


Abb.: 19 Siphons. 1 – Karstwasserfläche, 2 – geschlossener Siphon, 3 - offener Siphon, 4 – trockener Siphon (Bögli 1978, 84)

Abbildung 19 zeigt die verschiedenen Formen, in denen fließendes unterirdisches Wasser auftreten kann:

    (a) als Sickerwasser;
    (b) in freien Gerinnen, in denen es mit freier Oberfläche dahinfließt. In freien Gerinnen kann die Wasserbewegung anders als im oberirdischen Gewässer verlaufen. Da jedoch die physikalischen und chemischen Prozesse identisch sind, werden durch Erosion und Korrosion die gleichen Formen erzeugt. Markant sind bspw. lineare Eintiefungen, zu denen die Canyonbildung als eine Leitform der vadosen Zone zählt. Sie enden häufig an einer wassergefüllten Depression im Gangverlauf, einem sog. Siphon. Siphons können geschlossen, d.h. mit der Decke im Wasser ruhend (s. Nr. 2), offen, d.h. wassergefüllt, jedoch ohne dass dieses die Decke berührt (s. Nr. 3), oder trocken, d.h. wasserfrei (s. Nr. 4), sein;
    (c) als Druckgerinne, in denen das Wasser den ganzen Raum ausfüllt;
    diese Form des Fließsens tritt in beiden Zonen auf. Für die phreatische Zone ist es ein charakteristisches Merkmal, da es sich um die einzige Form der Strömung handelt.
    (d) als Karstwasserspeicher, der die ganze phreatische Zone umfasst.

Abb.: 20 a - d Entwicklung vom jungen zum reifen Höhlenfluss im vadosen Bereich bei einer phreatischen Vorgeschichte (Bögli 1978, 85)

5.14 Statischer Karstwasserkörper

Herrschen nur hydrostatische Bedingungen, dann sind die lokalen piezometrischen Oberflächen untereinander und im Vorfluter gleich. Das Wasser ruht, da die notwendige Höhendifferenz zum Vorfluter fehlt, so dass ein statischer Karstwasserkörper entsteht.
Im humiden Klima West- und Mitteleuropas (vgl. auch Kap. Klima) setzt die Wasserführung wenn überhaupt nur episodisch aus. Längere Trockenperioden sind selten. Da unterirdische Gerinne nur langsam auf oberirdische Trockenheit reagieren, setzt die Wasserbewegung eigentlich nie aus und somit sind statische Karstwasserkörper im humiden Klima eher unwahrscheinlich. Häufiger hingegen sind statische Karstwasserkörper bspw. im mediterranen Raum, der von monatelangen Trockenphasen geprägt ist. Diese haben stärkeren Einfluss auf die Bewegung des unterirdischen Wasserkörpers. Lediglich vollaride Klimate weisen permanente statische Karstwasserkörper auf (Bögli 1978, 86).

5.15 Fließgeschwindigkeit

Die Fließgeschwindigkeit wird bei gegebenem Wasserdargebot durch folgende Gleichung bestimmt. Bei einem inkompressiblem Medium fließt durch jeden Querschnitt einer Röhre in der Zeiteinheit t das gleiche Volumen (Kontinuitätsgleichung).
Der Druckverlust im fließenden Wasser entsteht zum einen durch Zähigkeit, also die innere Reibung, als auch durch die äußere Reibung. Reibungsverluste durch äußere Reibung sind u.a. bedingt durch die Beschaffenheit der Wände, also ihre Rauhigkeit, die Querschnittsveränderungen der Röhren sowie deren mögliche Richtungsänderungen.
Zur Berechnung dieser einzelnen Faktoren bietet Bögli (1978, 85-99) eine kurze Anleitung mit Beispielrechnung.

5.16 Karstwasser – Grundwasser

Die Begriffe Karstwasser und Grundwasser wurden von verschiedenen Wissenschaftlern unterschiedlich definiert. Die folgende Definition entspricht der von Bögli (1978, 133ff). Er unterteilt Grundwasser in Abhängigkeit von der Größe der Poren bzw. Hohlräume, deren gegenseitigen Beziehungen sowie nach der dadurch bedingten Bewegungsweise des Wassers in drei Gruppen:

  • Porengrundwasser,
  • Kluftgrundwasser,
  • Karstgrundwasser (Karstwasser).
Karstwasser ist folglich eine besondere Art des Grundwassers.

5.17 Das unterirdische Wasser

Karstlandschaften kennzeichnen sich durch die unterirdische Entwässerung in einem verkarstungsfähigen Gestein aus. Das versickernde Niederschlagswasser erreicht nach Durchquerung der Sickerwasserzone die Zone der Wassersättigung und tritt an geeigneter Stelle durch eine Quelle wieder aus.
Karstgesteine an sich sind undurchlässig, erst durch Klüfte werden sie wasserdurchlässig. Im ersten Schritt bildet sich ein Kluftgrundwasser, das der phreatischen Zone gleichzusetzen ist. Dieses reicht bis nahe an die Erdoberfläche heran. Mit der langsamen Erweiterung der Fugen senkt sich die Obergrenze der wassergesättigten Zone bis die wassergesättigte Zone unter den direkten Einfluss des Vorfluterniveaus gelangt oder ein seichter Karst entsteht. Die Sickerwasserzone hat jetzt ihre größte Mächtigkeit und entspricht dem vadosen Bereich.
Man unterscheidet das Karstwasser entsprechend seiner Herkunft in autochthones und allochthones Wasser. Autochthones Wasser stammt aus dem Karstgebiet selbst; es handelt sich um Sickerwässer, die sich in unterirdischen Gerinnen sammeln. Allochthones Wasser hingegen ist karstfremdes Wasser, das aus oberirdischen Gewässern ins Karstgebiet fließt.

Ein entscheidendes Merkmal des Karstwassers ist das Fehlen einer zusammenhängenden Grundwasserfläche. Es gibt in größerem Abstand Einzelflächen, die sich jedoch nicht in eine geometrisch fassbare Fläche einfügen lassen. Daher findet die Bewegung des Karstwasserkörpers nicht als Ganzes statt sondern entsprechend des Röhrensystems uneinheitlich in einzelnen Strängen. Diese sind zwar räumlich verbunden, jedoch häufig hydrographisch voneinander unabhängig. Man spricht hierbei von Röhrenfließen.

5.18 Piezometrische Oberfläche

Die piezometrische Oberfläche (phreatische Zone) ist eine fiktive Fläche, die sich aus den Einzelniveaus der Wasseroberflächen in den Hohlräumen konstruieren lässt. Karstwasserflächen stellen demnach einen Druckspiegel dar, der dem atmosphärischen Druck entspricht und eine Gleichgewichtsfläche bildet. Die Grundkomponente der Druckverhältnisse ist der hydrostatische Druck, mitbestimmt durch Vorfluter (Bögli 1978, 85).

5.19 Karstquellen

Karstquellen sind Wasseraustritte aus karsthydrographisch wirksamen Hohlräumen in wasserlöslichen Gesteinen. Diese Austritte können an der Oberfläche aber auch im Erdinnern als sog. Höhlenquellen auftreten. Andere nur ihnen zukommende Eigenschaften gibt es kaum (Bögli 1978, 123).
O. Lehmann (1932) prägte den Begriff des „karsthydrographischer Gegensatzes“. Er weist darauf hin, dass es zwar zahlreiche Versickerungsstellen jedoch vergleichsweise wenige Karstquellen gibt.
Aus ursprünglich vielen verfügbaren Fugen ergibt sich durch selektive Korrosion ein Netz von Wasserwegen, von denen immer mehr inaktiv werden. Im Laufe der Karstentwicklung erfolgt eine Konzentration auf einige wenige Wasserwege. In der Frühphase eines unterirdisch verkarsteten Raumes sind nur Randbereiche des Karstwasserkörpers einer Quelle zugeordnet. Der Hauptteil bleibt undifferenziert als zentraler Karstwasserkörper (s. Abb. 11). Im Laufe der Karstentwicklung greift das Einzugsgebiet einer Quelle immer tiefer, so dass die leistungsfähigeren Quellen die anderen Quellen anzapfen und diese schließlich ausschalten (s. Abb. 12). Je fortgeschrittener die Verkarstung ist, um so kleiner die Zahl der Quellen und um so größer deren mittlere Schüttung.

Abb.: 21 und 22 Einzugsgebiete der Karstquellen in einem frühen (links) und einem späten (rechts) Stadium der Entwicklung (schraffiert – undifferenzierter Karstwasserkörper; gestrichelt – unterirdische Wasserscheiden) (Bögli 1978, 124)

5.19.1 Einteilung der Karstquellen
Für die Einteilung von Karstquellen gibt es unterschiedliche Herangehensweisen, wie z.B. die Dauer ihrer Wasserführung oder auch geologisch-tektonische Gesichtspunkte.

Abhängig von der Dauer der Wasserführung gliedern sich Karstquellen in vier Kategorien:
(a) ständig fließende, sog. perennierende Quellen,
(b) periodisch fließende Quellen,
(c) rhythmisch fließende Quellen, sog. intermittierende Quellen,
(d) episodisch fließende Quellen.

5.19.2 Periodische Quellen
Schwankungen in der Quellschüttung sind eine Folge der Schwankungen von Niederschlag und somit normale Erscheinungen im Karst. In Mitteleuropa sind relativ ausgeglichene Niederschlagsverhältnisse vorhanden. Die vorhandenen Jahresschwankungen entstehen durch die Abhängigkeit der Evapotranspiration von der Temperatur. Im Winter kommt es durch den Wasserüberschuss zu einem periodischen Steigen, wohingegen im Sommer das Wasserdefizit ein periodisches Absinken verursacht. Dadurch hebt und senkt sich die piezometrische Oberfläche des Karstwasserkörpers. Diese periodischen Schwankungen werden durch die aperiodischen Schwankungen durch Niederschläge überlagert.
Periodische Quellen sind also Quellen, die eine ausgeprägte klimabedingte und daher langzeitige Periodizität in den Mittelwerten des Ergusses aufweisen (Bögli 1978, 129).

5.19.3 Intermittierende Quellen – Heberquellen
Unter dem Begriff Intermittieren versteht man einen rhythmischen Vorgang. Es handelt sich um ein kurzzeitiges, kurzperiodisches Unterbrechen des Dauerzustandes. Intermittierende Quellen sind sehr selten. Sie weisen rhythmische Periodizität von einigen Minuten oder Stunden mit scharfen Maxima und / oder Minima auf. Es entsteht eine unvermittelte Zunahme der Schüttung, ein meist kürzeres Verharren auf dem hohen Pegelstand, gefolgt vom schnellen Absinken auf den alten Wert.
Die Ursache der Rhythmik ist rein hydrographisch-physikalisch (s. Abb. 13). Wasser sammelt sich im Gesteinsinnern in einem Becken B, von dem ein in Richtung Quelle zuerst ansteigendes, dann wieder abfallendes Knierohr ausgeht. Wenn sich im Sammelbecken der Wasserspiegel über die Kulmination K anhebt, fließt das Wasser über und füllt den absteigenden Ast. Ist der Abfluss zur Quelle hin unten eng ist, baut sich eine Wassersäule auf, die durch ihre Saugkraft solange Wasser aus dem Becken absaugen kann, bis dessen Spiegel unter die Ansaugstelle A gesunken ist. Diesem Prozess folgt Luft nach, die Wasserzufuhr zur Quelle wird sofort unterbrochen.
Der absteigende Ast muß so eng sein, dass beim Überlaufen bei K das Wasser die Röhre ganz füllt ist. Zudem muss ein Siphon unten eingeschaltet sein, damit keine Luft von unten in das Rohr eindringen kann. Des Weiteren dürfen im Bereich des Knierohrs über dem Niveau des Abflusses A keine luftführenden Spalten auftreten, da sonst die Wassersäule abreißt.


Abb.: 23 Schema einer intermittierenden Quelle (Bögli 1978, 130)


5.19.4 Episodische Quellen – Hungerbrunnen
Der äußerst unregelmäßige Fluss von episodischen Quellen weist keine Periodizität auf. Manchmal fließt jahrelang kein Wasser. Der Wasserfluss wird bedingt durch die extrem hohen Wasserständen im Karstwasserkörper in nassen Jahren.

Zudem kann eine Einteilung nach geologisch-tektonischen Bedingungen erfolgen:

(a) Schichtquellen lassen sich in Schichtgrenzquellen und Schichtfugenquellen gliedern. Schichtgrenzquellen treten an liegendem, undurchlässigem und hangendem, durchlässigem Gestein auf. Schichtfugenquellen sind meist kleine Wasseraustritte, die auf Schichtflächen innerhalb derselben Gesteinsart vorkommen.


Abb. 24 Schichtquellen.

Links – Schichtgrenzquelle      Rechts – Schichtfugenquelle
(Bögli 1978, 124)


b) Spaltquellen aus Spalten bzw. aus erweiterten Klüften
 

Abb.: 25 (Bögli 1978, 125)

c) Überfallquellen entwässern einen phreatischen Raum bei bergwärts einsinkender undurchlässiger Unterlage.


Abb.: 26 Überfallquellen (Bögli 1978, 125)

(d) Aufsteigende Quellen, bei starker Wasserführung auch als Vauclusequellen bezeichnet, unterteilen sich in aufsteigende Felsquellen, die den phreatischen Raum entlang von Spalten oder aufsteigenden Schichten entwässern und Stauquellen, die einen phreatischen Raum in Aufschotterungsgebieten entwässern.

Weitere Einzeltypen von Karstquellen sind bspw.

  • Subaquatische Karstquellen
  • Stromquellen, d.h. allgemein stark schüttende Quellen
  • Höhlenquellen, also unterirdische Quellen
  • Estavellen, sog. „Wechselschlünde“, die bei normaler Wasserführung als Schlinger funktionieren, bei Hochwasser hingegen als Speier.

5.19.5 Subaquatische Quellen
Subaquatische Quellen teilen sich in
(a) sublakustrine Quellen
(b) submarine Quellen oder Vruljen.

5.19.6 Sublakustrine Quellen
Hierbei handelt es sich um unterseeische Wasseraustritte wie man sie in vielen Karstseen findet. Sie sind erkennbar am Aufwallen der Wasserfläche, am Temperaturunterschied. Bei Hochwasser können diese zusätzlich auch an einer Verfärbung oder Trübung des Wassers oder auch am unterschiedlichen Bakteriengehalt erkennbar sein, da austretendes Karstwasser ungefiltert ist.

Sublakustrine Quellen entstehen durch eine der drei folgenden Varianten:

  1. Nach Bildung des Sees übersteigt der Wasserdruck im Gestein den hydrostatischen Druck des Seewassers. Das Karstwasser sucht sich einen Austritt.
  2. Ein bereits bestehender unterirdischer Wasserlauf wird durch Erosion durchtrennt.
  3. Nachträgliche Überstauung einer Karstquelle am Rande eines Talbodens durch morphologische oder tektonische Vorgänge.

5.19.6.1 Submarine Quellen – Vruljen
Submarine Quellen, sog. Vruljen, haben unterschiedliche Austrittsformen. Sie treten z.T. aus Felsspalten aus, teils aus submarinen Karsthöhlen, meistens aber aus trichterförmigen Öffnungen im Meeresgrund. Das aus dem Hinterland der Küste stammende Süßwasser tritt selten als Süßwasservrulje in den meisten Fällen als Brackwasservrulje aus wie in Abb. 18 deutlich wird. Im Laufe der Zeit saugen Spalten Meerwasser an, so dass das Süßwasser brackig wird.


Abb. 27 Süßwasser mit Hochwasserentlastung. 1 – Piezometrische Fläche bei Normalwasser. 2 – P. Fl. Bei Hochwasser. 3 – Temporäre Karstquelle (Hochwasserentlastung). 4 – Vrulje. 5 – Süßwasserstrom (Bögli 1978, 133)


Abb.: 28 Brackwasservrulje. 1 – Piezometrische Oberfläche. 2 – Süßwasser. 3 – Engstelle. 4 – Ansaugrohr für Meerwasser. 5 – Brackwasser und Brackwasserquelle. 6 – Vrulje. (Bögli 1978, 133)


5.19.6.2 Stromquellen, Vauclusequellen
Stromquellen sind Karstquellen, deren Abfluss die Ausmaße eines Flusses oder Baches aufweisen. Dazu zählen Höhlenflüsse, die aus einem Felsentor ans Tageslicht treten sowie Vauclusequellen.
Bei Vauclusequelle erfolgt der Wasseraustritt aus dem aufsteigenden Ast eines Siphons. Man unterteilt sie in echte Vauclusequellen, bei denen der Wasserweg durch das Gestein aufwärts verläuft (s. Abb. 29), und unechte Vauclusequellen, bei denen Wasser durch Aufschotterung zum Aufsteigen gezwungen wird.


Abb.: 29 Vauclusequelle (Bögli 1978, 126)

Aus Stromquellen entwickelt sich durch Tieferlegung des Vorfluters ein neuer Typ von Quelle, der nur bei Hochwasser fließt. Durch den abgesunkenen Vorfluter bewegt sich das Wasser auf anderen Bahnen und Quellen können trocken fallen. Nur bei großen Wasserangebot (Hochwasser) steigt das Wasser wieder über den ehemaligen Quellrand. Die ehemalige Quelle wird zur Hochwasserentlastungsquelle.


Abb.: 30 Unechte Vauclusequelle (BÖGLI 1978, 126)


Abb. 31 Schema einer Hochwasserentlastungsquelle. H-Z – Hochwasserzone.
Ph-Z – Phreatische Zone. (Bögli 1978, 128)


5.20 Physikalisch-chemische Eigenschaften des Karstquellenwassers

Zu den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Karstquellenwassers zählen u.a. die Quellschüttung, der Temperaturgang oder auch der Chemismus. Mit Stichproben lassen sich nur Momentaufnahmen dokumentieren. Aussagekräftiger ist hingegen eine Untersuchung des Wassers über mindestens ein Jahr (Erstellung eines Jahresgangs) besser noch über mehrere Jahre.

5.20.1 Quellschüttung
Unter der Quellschüttung versteht man den Wasseraustritt, der in Liter oder Kubikmeter/ Sekunde gemessen wird. Es besteht eine enge Beziehung zwischen dem Abfluss A und der Menge des flüssigen Niederschlags NR, des Schmelzwassers S, der Evapotranspiration E und der Vorratsbildung (- V) bzw. der Vorratsanzapfung (+ V).
Die Wassermenge der Quelle bildet sich aus dem Zusammenwirken folgender Wässer:

  • Wasser aus karsthydrographisch wirksamen Hohlräumen,
  • Wasser aus engen Spalten und
  • Wasser aus versickernden oberirdischen Gerinnen.
Hinzu kommt eine hochwasserbedingte Veränderung der Quellschüttung. In diesem Zeitraum füllen sich die karsthydrographisch wirksamen Hohlräume (1), ihre piezometrische Fläche steigt schnell an. Das Wasser in den engen Spalten (2) folgt diesem Anstieg nur langsam, wodurch ein hydraulisches Gefälle entsteht, und Wasser in die Spalten hineingepresst wird.
Mit dem Rückgang der großen Zuflüsse beginnt sich die Wasserfläche in die karsthydrographisch wirksamen Hohlräume zu senken, steigt jedoch in den engen Spalten weiter an bis sie gleich hoch mit ersteren liegt. Ein weiteres Absinken der Wasserfläche in karsthydrographisch wirksamen Hohlräumen bewirkt eine Umkehrung des hydraulischen Gefälles. Dadurch bedingt beginnen die engen Spalten Wasser an die weiten Spalten abzugeben.
Sind die Wasservorräte in den weiten Spalten erschöpft, wird die Quelle nur noch aus dem Wasser der engen Spalten gespeist. Die Schüttung verringert sich immer weiter.

5.20.2 Temperaturgang
Karstwässer weisen im Allgemeinen eine ausgeglichene Temperatur auf. Je tiefer die Wasserbahnen in die phreatische Zone reichen desto ausgeglichener wird die Temperatur. Meist liegen sie über dem Jahresmittel der Lufttemperatur im Haupteinzugsgebiet des Wassers.

5.20.3 Chemismus der Quellwässer
Bei längerem Verweilen des Wassers im Untergrund stellt sich ein physikalisch-chemisches Gleichgewicht zum umgebenden Gestein ein. Bei physikalischen Lösungsvorgängen wie der Auflösung von Sulfaten (Gips) nähern sich die Konzentrationen der gelösten Stoffe der Sättigung an.
Andere wichtige Parameter, wie elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert u.ä. zeigen eine Abhängigkeit von der Wassermenge und der dadurch indizierten Fließgeschwindigkeit.

5.21 Gebiet
Im Gegenteil zu den anderen Fachbeiträgen des Projektberichts, in denen hier eine genaue Darstellung der Thematik im Projektgebiet selbst beschrieben wird, soll hier nur eine kurze Übersicht über die das Projektgebiet betreffenen Karsterscheinungen des Endokarsts gegeben werden, da in Kap. 5 „Nussteich“ genauer die örtlichen Gegebenheiten am Beispiel des Nussteichs erläutert werden.
Dem Landschaftsrahmenplan Osterode zufolge handelt es sich beim Nussteich ursprünglich um einen Vorfuter, wodurch dieses Gewässer einen großen Einfluss auf die umliegende Karstlandschaft und die karsthydrologischen Prozesse hat bzw. hatte. Eine Wiederherstellung der ursprünglichen Karsthydrographie gerade in diesem Bereich ist daher empfehlenswert. Zu weiteren, das Projektgebiet beeinflussenden Gewässern zählen u.a. die Ruhmequelle und der Fluss Steina.
Die Ruhmequelle ist mit 3.500 l/s die zweitgrößte Karstquelle Deutschlands und die drittgrößte Europas. Mit der Förderung dieses Wasservolumens wäre sie theoretisch von ihrer Quelle an schiffbar, was aufgrund der naturschutzrechtlichen Vorgaben nicht möglich ist.
Das Flussbett der Steina durchquert das Projektgebiet. Aufgrund zahlreicher Bachschwinden ist dieses jedoch nicht das ganze Jahr über wasserführend. Bei Hochwasser mündet es in die Ichte, welche schließlich das Projektgebiet verlässt. Eine nähere Beschreibung des Flusses Steina findet sich ebenfalls in Kap. 5 „Nussteich“.

5.22 Fazit

Die Besonderheiten der Karstlandschaft entstehen in erster Linie durch die auf das Gestein wirkenden karsthydrologischen Prozesse. Karst entsteht durch das Einwirken von Wasser auf lösungsfähige Gesteine, wie bspw. hier im Harz auf Kalk, Dolomit und Gips. Wasser dringt in das durchklüftete Gestein und zersetzt es in unregelmäßigen Prozessen, den sog. Verkarstungsprozessen. Diese unterirdische Aushöhlung zeigt seine Wirkungen auch an der Oberfläche durch die Entstehung von Erdfällen oder Dolinen, welche das Projektgebiet großflächig durchziehen. Diese Veränderungen im Landschaftsbild ziehen auch Auswirkungen auf Flora und Fauna sowie auf die menschlichen Nutzungen, v.a. die Bodennutzung, nach sich.