Daniel Niehoff Modellierung des Einflusses der Landnutzung ... · PDF fileDr. Peter Ackermann, Wolfgang Beier, Dr. Christine Böckmann, ... 601553, 14415 Potsdam, e-mail: [email protected]

BRANDENBURGISCHE UMWELT BERICHTE

11 Daniel Niehoff

Modellierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasser- entstehung in der Mesoskala Schriftenreihe der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam Potsdam im Januar 2002

Die Brandenburgischen Umwelt Berichte sind eine von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam herausgegebene Schriftenreihe. Sie erscheint unregelmäßig. Redaktion: Dr. Peter Ackermann, Wolfgang Beier, Dr. Christine Böckmann, Prof. Dr. Ingo Schneider, Dr. Renate Wipper Anschrift des Herausgebers: Prof. Axel Bronstert Universität Potsdam Institut für Geoökologie Postfach 601553 14415 Potsdam [email protected] Alle Rechte, insbesondere das Recht auf Vervielfältigung und Verbreitung über diese Reihe hinaus sowie der Übersetzung liegen bei den Autoren. Kein Teil der Schriftenreihe darf in irgendeiner Form ohne schriftliche Genehmigung der Autoren reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Sys-teme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Die Herausgeber der Schriftenreihe überneh-men keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollständigkeit der Angaben. Die in den Beiträgen geäußerten Meinungen und Ansichten müssen nicht mit denen der Herausgeber der Schriftenreihe übereinstimmen. Bezugsbedingungen: Der Bezug dieses Heftes erfolgt über das Institut für Geoökologie der Universität Potsdam, Postfach 601553, 14415 Potsdam, e-mail: [email protected] Hergestellt auf Umweltpapier ISSN 1434-2375

In Germany nature has got to behave itself,and not set a bad example to the children.

Jerome K. Jerome, 1900

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Vorwort

Diese Studie ist mit gleichlautendem Titel alsDissertation an der Uni Potsdam angenommenworden. Die Dissertation ist als pdf-Datei dauer-haft unter folgender URL verfügbar:http://pub.ub.uni-potsdam.de/2001meta/0019/door.htm

Die Arbeit entstand im Rahmen eines vomUmweltbundesamt geförderten Projektes mitdem Titel »Quantifizierung des Einflusses derLandnutzung und -bedeckung auf den Hochwas-serabfluss in Flussgebieten unter Berücksichti-gung der aktuellen Bodenbearbeitung, des Zu-standes der Vegetationsdecke und möglicher Kli-maänderungen«.

Dessen Ergebnisse sind in ein Verbundprojektder Interreg Rhein-Maas Aktivitäten eingeflos-sen, das sich mit der Übertragung der gewonne-nen Erkenntnisse auf weite Teile des Rheinge-biets sowie den Auswirkungen von Flussbaumaß-nahmen am Rhein beschäftigt.

An erster Stelle möchte ich Herrn Prof. Dr. AxelBronstert herzlich danken, der diese Arbeit vonAnfang an begleitet und in jeglicher Hinsicht un-terstützt hat. Dankbar bin ich sowohl für diezahlreichen fachlichen Diskussionen und Ideen,die sich mitunter nur mühsam gegen meinen

Dickschädel durchsetzen konnten, als auch fürdie sehr angenehmen Rahmenbedingungen unddas entgegengebrachte Vertrauen.Außerdem möchte ich den Koreferenten HerrnProf. Dr. András Bárdossy und Herrn Prof. Dr.Zbigniew Kundzewicz meinen Dank dafür aus-sprechen, dass sie sich intensiv mit der Arbeitauseinandergesetzt und mit wertvollen Anregun-gen zur Verbesserung und Präzisierung etlicherAussagen beigetragen haben.

Meiner Kollegin Uta Fritsch danke ich für dieFreundschaft und nebenbei ausgesprochen har-monische Zusammenarbeit, die den Promotiongenannten Langzeitversuch am lebenden Objektso erträglich wie eben möglich gemacht hat.

Meinem komplizierten Elternmikrokosmosdanke ich für die uneingeschränkte Unterstüt-zung, die ich durch ihn auf meinem ganzen bis-herigen Lebensweg erfahren habe.

Meiner Frau Britta danke ich von ganzemHerzen dafür, dass sie für diese Dissertation mitmir den Weg nach Berlin gemacht und sich in einExperiment mit ungewissem Ausgang gestürzthat – mit dem Erfolg, dass sie meine wissen-schaftlichen Bemühungen auch noch subventio-nieren durfte. Die vielen anderen Dinge sag ichihr lieber selbst.

Daniel Niehoff | Potsdam, 17. Dezember 2001

VIII

IX

Inh

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Inhalt

Abbildungen XIV

Tabellen XVII

Karten XIX

Zusammenfassung XXI

Summary XXIII

Einleitung

1.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2 Zielsetzung und Vorgehensweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.3 Aufbau der Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Grundlagen

2.1 Einflussfaktoren der Hochwasserentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32.2 Abflussbildung bei Hochwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

2.2.1 Bedeutung hydrologischer Zeit- und Längenmaßstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52.2.2 Prozesse in der lokalen Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Prozesse in der Hangskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.3.1 Oberflächenabfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3.2 Schnell reagierender unterirdischer Abfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

2.2.4 Prozesse in der Einzugsgebietsskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Meteorologische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Skalen der Witterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.2 Einfluss der Witterung auf die Hochwasserentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Einfluss der Landbedeckung auf die Abflussbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4.1 Siedlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Inhalt

X

2.4.2 Ackerland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.2.1 Einflüsse in der lokalen Skala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.2.2 Einflüsse in der Hangskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.3 Grünland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.4 Sonderkulturen, Kleingärten und Büsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.5 Wald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.6 Schlussfolgerungen für den Einfluss der Landbedeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

2.4.6.1 Einfluss der Landnutzung auf die natürlichen Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202.4.6.2 Beeinträchtigungen der natürlichen Situation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5 Landnutzungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222.6 Hydrologische Modellierung der Einflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.6.1 Allgemeine Auswahlkriterien für hydrologische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6.2 Bedeutung des Zeit- und Längenmaßstabes für die Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.6.3 Anforderungen an die hydrologische Modellierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242.6.4 Eignung existierender hydrologischer Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.6.5 Bewertung von Modellergebnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

2.6.5.1 Validierung an gemessenen Hochwasserganglinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262.6.5.2 Validierung an zusätzlichen Informationsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

Die Untersuchungsgebiete

3.1 Überblick über die ausgewählten Einzugsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273.2 Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.1 Klimatische Verhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.2 Geologie und Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.2.3 Gewässer und Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.4 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.2.5 Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.6 Datenlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

3.2.6.1 Räumliche Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.2.6.2 Meteorologische und hydrologische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.1 Klimatische Verhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.3.2 Geologie und Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.3 Gewässer und Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.4 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.5 Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.6 Datenlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.6.1 Räumliche Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3.6.2 Meteorologische und hydrologische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.4 Lenne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4.1 Klimatische Verhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.4.2 Geologie und Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.4.3 Gewässer und Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423.4.4 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .423.4.5 Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

XI

Inh

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3.4.6 Datenlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433.4.6.1 Räumliche Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433.4.6.2 Meteorologische und hydrologische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Hydrologisches Modell

4.1 Modellkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .454.2 Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.1 Räumliche Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2.2 Meteorologische und hydrologische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3 Relevante Teilmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.3.1 Interpolation und Korrektur der meteorologischen Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.3.2 Interzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.3.3 Bodenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.3.1 Version mit Topmodel-Ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.3.3.2 Version mit Richards-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.3.3 Bodenparameter beider Versionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.3.4 Diskussion der beiden Versionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.4 Erweiterungen des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.4.1 Makroporenfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.4.2 Verschlämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .544.4.3 Versiegelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .564.4.4 Dezentraler Rückhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4.5 Grundwasserentzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .594.4.6 Übersicht über das erweiterte Bodenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

4.4.6.1 Speicherkonzept des erweiterten Bodenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .594.4.6.2 Parameterisierung der Modellerweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4.7 Sensitivitätsanalyse für das erweiterte Bodenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.4.7.1 Sensitivität der Makroporenparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .634.4.7.2 Sensitivität der Verschlämmungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.4.7.3 Sensitivität der Versiegelungsparameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .654.4.7.4 Sensitivität des dezentralen Rückhaltes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.4.7.5 Übersicht über die Sensitivität der neuen Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.5 Zeitliche Disaggregierung der Niederschlagsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Auswirkungen von Landnutzungsänderungen

5.1 Hydrologische Modellierung des Ist-Zustandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .735.1.1 Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

5.1.1.1 Vorgehensweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .735.1.1.2 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.1.2 Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.1.2.1 Vorgehensweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.1.2.2 Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Inhalt

XII

5.1.3 Lenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .795.1.3.1 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .795.1.3.2 Simulationsergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

5.2 Exemplarische Sensitivitätsstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.2.1 Versiegelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.1.1 Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.2.1.2 Hydrologischer Einfluss der Ausdehnung von Siedlungsflächen . . . . . . . . . . . . . 835.2.1.3 Hydrologischer Einfluss der Lage von Siedlungsflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2.2 Makroporendynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .865.2.3 Niederschlagsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

5.2.3.1 Räumliche Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .885.2.3.2 Zeitliche Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89

5.3 Historische Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.3.1 Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.3.1.1 Landnutzung im Jahr 1844 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.3.1.2 Hydrologische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

5.3.2 Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .925.3.2.1 Landnutzung im Jahr 1836 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .925.3.2.2 Hydrologische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92

5.3.3 Lenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .935.3.3.1 Landnutzung im Jahr 1841 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.3.3.2 Hydrologische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.4 Verstädterung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .945.4.1 Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

5.4.1.1 Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .945.4.1.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

5.4.2 Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .965.4.2.1 Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .965.4.2.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

5.4.3 Lenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .985.4.3.1 Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .985.4.3.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

5.5 Flächenstilllegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .995.5.1 Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

5.5.1.1 Szenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .995.5.1.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

5.5.2 Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.5.2.1 Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.5.2.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.6 Aufforstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.6.1 Szenario für das Körschgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.6.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.7 Sturmschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.7.1 Szenario für das Lennegebiet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.7.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

XIII

Inh

alt

5.8 Mulchsaatszenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.8.1 Szenario für das Leingebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.8.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.9 Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.9.1 Szenario für das Leingebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.9.2 Hydrologische Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Perspektiven für eine Regionalisierung

6.1 Übertragung der Ergebnisse auf andere Gebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.2 Übertragung der Ergebnisse auf die Makroskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.2.1 Zeitliche Disaggregierung des Niederschlages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.2.2 Makroskalige Modellierung der Infiltrationsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.2.3 Berücksichtigung der unterirdischen Abflussbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Diskussion und Ausblick

7.1 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Literatur 123

Anhang

A Quellen der räumlichen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135B Meteorologische und hydrologische Zeitreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136C Im Rahmen der Arbeit entstandene Publikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Sachwortverzeichnis 141

Inhalt

XIV

Abbildungen

Abb. 1.1 Herangehensweise an die Fragestellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2Abb. 2.1 Schematische Übersicht über die wichtigsten Steuergrößen einer Hochwasserganglinie . 4Abb. 2.2 Charakteristische Raum- und Zeitskalen einiger hydrologischer Prozesse

und Arbeitsskalen der hydrologischen Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Abb. 2.3 Zur Abflussbildung bei Hochwasser beitragende Fließprozesse am Hang . . . . . . . . . . . . 9Abb. 2.4 Einflüsse der Landnutzung auf Interzeption, Abflussbildung und Abflusskonzentration . 21Abb. 3.1 Orte in den drei Untersuchungsgebieten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Abb. 4.1 Für die hydrologische Modellierung in WaSiM-ETH notwendige räumliche Daten . . . .46Abb. 4.2 Speicherkonzept des Bodenmodells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50Abb. 4.3 Modellkonzept für die Wirkungsweise von Makroporen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Abb. 4.4 Einfluss von Bodenbedeckung und Niederschlagsintensität auf die Ausprägung einer

Verschlämmungsschicht in der Verschlämmungsroutine für WaSiM-ETH . . . . . . . . . . . 56Abb. 4.5 Modellkonzept zur expliziten Berücksichtigung versiegelter und an die Kanalisation

angeschlossener Bereiche innerhalb einer Gitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Abb. 4.6 Speicherkonzept des erweiterten Bodenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Abb. 4.7 Sensitivität des Makroporenvolumens beziehungsweise

der Makroporenspeicherkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Abb. 4.8 Sensitivität des Verschlämmungsfaktors für Ackerflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65Abb. 4.9 Sensitivität des Versiegelungsgrades von Siedlungs- bzw. Ackerflächen . . . . . . . . . . . . . 66Abb. 4.10 Sensitivität des Drosselabflusses aus den Mischwasserbecken in Richtung Kläranlage

und der Speicherkapazität der Mischwasserbecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Abb. 4.11 Sensitivität der Speicherkapazität des dezentralen Rückhalts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67Abb. 4.12 Vergleich der Sensitivität verschiedener Speicher in Erweiterungen

für das hydrologische Modell WaSiM-ETH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Abb. 5.1 Vom erweiterten hydrologischen Modell WaSiM-ETH simulierte

Abflusskomponenten für das Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75Abb. 5.2 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Lein am Beispiel

eines konvektiven und eines advektiven Niederschlagsereignisses . . . . . . . . . . . . . . . . . .75Abb. 5.3 Vom erweiterten hydrologischen Modell WaSiM-ETH simulierte

Abflusskomponenten für das Einzugsgebiet der Körsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Abb. 5.4 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Körsch am Beispiel

eines konvektiven und eines advektiven Niederschlagsereignisses . . . . . . . . . . . . . . . . . .78Abb. 5.5 Vom erweiterten hydrologischen Modell WaSiM-ETH simulierte

Abflusskomponenten für das Einzugsgebiet der Lenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80Abb. 5.6 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Lenne am Beispiel

eines advektiven Niederschlagsereignisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

Abbildungen

XV

Inh

alt

Abb. 5.7 Simulation der hydrologischen Auswirkung verschiedener Besiedlungsanteile imLeingebiet beispielhaft für ein konvektives und ein advektives Niederschlagsereignis. . . . 83

Abb. 5.8 Simulierte Auswirkung verschiedener Besiedlungsanteile auf die Anteile der Abflusskomponenten im Einzugsgebiet der Lein an der Hochwasserentstehung . . . . . . .84

Abb. 5.9 Simulation der Auswirkungen verschiedener räumlicher Verteilungender Siedlungsflächen im Leingebiet beispielhaft für ein konvektivesund ein advektives Niederschlagsereignis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Abb. 5.10 Simulation der Auswirkungen einer annähernden Gleichverteilungder Siedlungsflächen im Leingebiet beispielhaft für ein konvektivesund ein advektives Niederschlagsereignis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Abb. 5.11 Simulation des Einflusses der Makroporendynamik im Leingebietbeispielhaft für ein konvektives und ein advektives Niederschlagsereignis . . . . . . . . . . . .87

Abb. 5.12 Auswirkung der Lage und Anzahl von Niederschlagsstationen auf die hydrologische Modellierung am Beispiel eines Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein . . . . . .89

Abb. 5.13 Auswirkung der zeitlichen Diskretisierung des Niederschlages auf die hydrologische Modellierung am Beispiel eines Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein . . . . . .91

Abb. 5.14 Simulation zweier etwa einjährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Körsch für den Ist-Zustand und einen historischen Zustand aus dem Jahr 1836. . . . .92

Abb. 5.15 Simulation eines etwa zweijährlichen Hochwasserereignisses im Einzugsgebietder Lenne für den Ist-Zustand und die Landnutzung im Jahr 1841 . . . . . . . . . . . . . . . . .93

Abb. 5.16 Simulation zweier etwa dreijährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Lein für den Ist-Zustand und ein Verstädterungsszenario mit derVersion von WaSiM-ETH mit Richards-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

Abb. 5.17 Simulation zweier etwa dreijährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Lein für den Ist-Zustand und zwei Verstädterungsszenarien mit dererweiterten Version von WaSiM-ETH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

Abb. 5.18 Simulierte Änderung von Abflussmaximum und Abflussvolumen im Einzugsgebietder Lein als Reaktion auf zwei Verstädterungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Abb. 5.19 Simulation zweier etwa einjährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Körsch für den Ist-Zustand und zwei Verstädterungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Abb. 5.20 Simulation eines etwa zweijährlichen Hochwasserereignisses im Einzugsgebietder Lenne für den Ist-Zustand und ein Verstädterungsszenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Abb. 5.21 Simulation zweier etwa dreijährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebiet der Leinfür den Ist-Zustand und ein Szenario zur möglichen Stilllegung von Ackerfläche . . . . .100

Abb. 5.22 Simulation zweier etwa einjährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebiet der Körschfür den Ist-Zustand und zwei Szenarien zur möglichen Stilllegung von Ackerfläche . . .100

Abb. 5.23 Simulation zweier etwa einjährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Körsch für den Ist-Zustand und eine Aufforstung des Gebietesum 50% relativ zur bestehenden Waldfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Abb. 5.24 Simulation eines etwa zweijährlichen Hochwasserereignisses im Einzugsgebietder Lenne für den Ist-Zustand und Windwurf auf 5% der Waldfläche . . . . . . . . . . . . . 103

Abb. 5.25 Simulation zweier etwa dreijährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Lein für den Ist-Zustand und ein Mulchsaatszenario für die 23% der Einzugsgebietsfläche mit Blattfruchtanbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Abb. 5.26 Bausteine eines Mulden-Rigolen-Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

Inhalt

XVI

Abb. 5.27 Simulation zweier etwa dreijährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebietder Lein für den Ist-Zustand und zwei Szenarien zur Niederschlagsversickerungin Siedlungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Abb. 5.28 Simulierte Änderung von Abflussmaximum und Abflussvolumen im Einzugsgebietder Lein als Reaktion auf zwei Szenarien zur Niederschlagsversickerungin Siedlungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Abb. 6.1 Abflussentstehung in Abhängigkeit von den Infiltrationseigenschaftenund den meteorologischen Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Tabellen

XVII

Inh

alt

Tabellen

Tab. 2.1 Prozessnahe Gleichungen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierungauf verschiedenen Maßstabsebenen bzw. Fehlen entsprechender Gleichungenauf größerer Maßstabsebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

Tab. 3.1 Hochwassermaxima am Pegel Frankenbach/Lein zwischen 1980 und 1997. . . . . . . . . . . .36Tab. 3.2 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Frankenbach/Lein

anhand des Zeitraums von 1968 bis 1998 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Tab. 3.3 Hochwassermaxima am Pegel Denkendorf/Körsch zwischen 1983 und 1997 . . . . . . . . . .39Tab. 3.4 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Denkendorf/Körsch

anhand des Zeitraums von 1941 bis 1997 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Tab. 3.5 Hochwassermaxima am Pegel Bamenohl/Lenne zwischen 1981 und 1997. . . . . . . . . . . . .43Tab. 3.6 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Bamenohl/Lenne

anhand des Zeitraums von 1973 bis 1996 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43Tab. 4.1 Landnutzungsabhängige Parameter zur Berechnung der Interzeption im hydrologischen

Modell WaSiM-ETH am Beispiel der Parameterisierung für das Leingebiet . . . . . . . . . .48Tab. 4.2 Ausgewählte Bodenparameter des Bodenmoduls

im hydrologischen Modell WaSiM-ETH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Tab. 4.3 Übersicht über die Parameter der Modellerweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Tab. 4.4 Landnutzungsabhängige Parameter der Modellerweiterungen am Beispiel

der Parameterisierung für das Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61Tab. 4.5 Übersicht über die Sensitivität der neuen Modellparameter bei unterschiedlichen

klimatologischen Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Tab. 4.6 Ähnlichkeit täglicher Niederschlagsdaten der 4 dwd-Stationen im Einzugsgebiet

der Lein mit denen der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes im Zeitraumvon 1982 bis 1997 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Tab. 4.7 Entfernung der 4 dwd-Stationen im Einzugsgebiet der Lein von den 5 Stationendes kommunalen Messnetzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Tab. 4.8 Ähnlichkeit stündlicher Niederschlagsdaten der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes untereinander im Einzugsgebiet der Lein im Zeitraum von 1982 bis 1997 . . . . . . . . . . . . 71

Tab. 4.9 Entfernung der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes im Einzugsgebietder Lein voneinander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Tab. 5.1 Güte der hydrologischen Simulationen für das Leingebiet berechnet als Efficiency beziehungsweise logarithmierte Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Tab. 5.2 Güte der hydrologischen Simulationen für das Körschgebiet berechnet als Efficiency beziehungsweise logarithmierte Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Tab. 5.3 Güte der hydrologischen Simulationen für das Lennegebiet berechnet als Efficiency beziehungsweise logarithmierte Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Inhalt

XVIII

Tab. 5.4 Erhöhung von Hochwasservolumen und Abflussmaximum für die sechsausgewählten advektiven Ereignisse bei Zunahme der Siedlungsfläche auf 25%der Einzugsgebietsfläche und deren Zusammenhang zu Basisabflussanteil,Dauer und Wiederkehrintervall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Tab. 5.5 Verminderung von Hochwasservolumen und Abflussmaximum für sechs advektive Ereignisse bei einer Anwendung von Versickerungsmaßnahmen auf 54%der versiegelten Fläche und deren Zusammenhang zu Basisabflussanteil,Dauer und Wiederkehrintervall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Tab. A.1 Digitale räumliche Gebietsinformation für die Untersuchungsgebiete. . . . . . . . . . . . . . 135Tab. B.1 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . 136Tab. B.2 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Körsch . . . . . . . . 137Tab. B.3 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Lenne . . . . . . . . . 138

Karten

XIX

Inh

alt

Karten

Karte 3.1 Lage der drei Untersuchungsgebiete im Einzugsgebiet des Rheins . . . . . . . . . . . . . . . . .28Karte 3.2 Topographie der drei Untersuchungsgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Karte 3.3 Landnutzung in den drei Untersuchungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30Karte 3.4 Vorherrschende Bodentypen in den drei Untersuchungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Karte 3.5 Messnetz in den drei Untersuchungsgebieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32Karte 4.1 Verteilung des topographischen Index am Beispiel des Einzugsgebietes der Lein . . . . . . 51Karte 5.1 Sensitivitätsszenarien für die Bewertung des Siedlungseinflusses

im Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82Karte 5.2 Einfluss der Lage und Anzahl von Niederschlagsstationen auf

die räumliche Interpolation des Niederschlages am Beispieleines Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

Karte 5.3 Auswirkung der zeitlichen Diskretisierung des Niederschlages aufdie hydrologische Modellierung der Abflussbildung am Beispieleines konvektiven Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein . . . . . . . . . . . . . . . 90

Karte 5.4 Verstädterungsszenario für das Leingebiet mit einer Zunahme der Siedlungsflächeum 50%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Karte 5.5 Verstädterungsszenario für das Körschgebiet mit einer Zunahme der Siedlungsflächeum 50%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Karte 5.6 Verstädterungsszenario für das Lennegebiet mit einer Zunahme der Siedlungsflächeum 50%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98

Karte 5.7 Versickerungspotenzial im Einzugsgebiet der Lein bei Ausschluss der 25%der Siedlungsflächen mit den höchsten Werten für den topographischen Indexals Kriterium für potenziell geringe Grundwasserflurabstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Inhalt

XX

XXI

Inh

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Zusammenfassung

Seit 1990 waren mehrere der großen FlussgebieteMitteleuropas wiederholt von extremen Hoch-wassern betroffen. Da sowohl die Landoberflächeals auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuro-pas in der Vergangenheit weitreichenden Eingrif-fen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suchenach den Ursachen für diese Häufung von Ex-tremereignissen auch die Frage nach der Verant-wortung des Menschen hierfür diskutiert.Gewässerausbau, Flächenversiegelung, intensivelandwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbe-reinigung und Waldschäden sind nur einige Bei-spiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe indie Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der betei-ligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibtes allerdings bislang nur Schätzungen darüber,wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurchverändert hat.

Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfeeines hydrologischen Modells systematisch dar-zustellen, in welcher Weise, in welcher Größenord-nung und unter welchen Umständen die Art derLandnutzung auf die HochwasserentstehungEinfluss nimmt.

Dies wird anhand exemplarischer Modellan-wendungen in der hydrologischen Mesoskala un-tersucht. Zu diesem Zweck wurde das determi-nistische und flächendifferenzierte hydrologischeModell wasim-eth ausgewählt, das sich durcheine ausgewogene Mischung aus physikalisch be-gründeten und konzeptionellen Ansätzen aus-zeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieserArbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die fürdie Charakterisierung des Einflusses der Land-nutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig

sind: (1) Bevorzugtes Fließen in Makroporen wirddurch eine Zweiteilung des Bodens in Makropo-ren und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle In-filtration und Perkolation jenseits der hydrauli-schen Leitfähigkeit der Bodenmatrix ermöglicht.(2) Verschlämmung äußert sich im Modell abhän-gig von Niederschlagsintensität und Vegetations-bedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltra-tionsbedingungen an der Bodenoberfläche.(3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauterFlächen mit einer Mischung aus versiegelten Be-reichen und Freiflächen wird berücksichtigt, in-dem jede Teilfläche je nach Versiegelungsgrad ineinen unversiegelten Bereich und einen versiegel-ten Bereich mit Anschluss an die Kanalisationaufgeteilt wird. (4) Dezentraler Rückhalt von Nie-derschlagswasser kann sowohl für natürlicheMulden als auch für gezielt angelegte Versicke-rungsmulden mit definierten Infiltrationsbedin-gungen simuliert werden.

Das erweiterte Modell wird exemplarisch aufdrei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheinsangewandt. Diese drei Gebiete mit einer Flächevon zwischen 100 und 500 km² wurden im Hin-blick darauf ausgewählt, dass jeweils eine der dreiHauptlandnutzungskategorien Bebauung, land-wirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert.

Für die drei Untersuchungsgebiete sind räum-lich explizite Landnutzungs- und Landbe-deckungsszenarien entworfen worden, deren Ein-fluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe deserweiterten hydrologischen Modells simuliertwird. Im Einzelnen werden die Auswirkungenvon Verstädterung, Maßnahmen zur Nieder-schlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stillle-

Inhalt

XXII

gung agrarisch genutzter Flächen, veränderterlandwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Auffors-tung sowie von Sturmschäden in Wäldern unter-sucht.

Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeptionvon Niederschlag, dessen Infiltration, die oberflä-chennahen unterirdischen Fließprozesse sowie,zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch dieAbflusskonzentration.

Die hydrologischen Simulationen demonstrie-ren, dass die Versiegelung einer Fläche den mas-sivsten Eingriff in die natürlichen Verhältnissedarstellt und deshalb die stärksten (negativen)Veränderungen der Hochwassersituation hervor-bringt. Außerdem wird deutlich, dass eine bloßeÄnderung des Interzeptionsvermögens zu keinenwesentlichen Veränderungen führt, da die Spei-cherkapazität der Pflanzenoberflächen im Ver-hältnis zum Volumen hochwasserauslösenderNiederschläge eher klein ist. Stärkere Verände-rungen ergeben sich hingegen aus einer Ände-rung der Infiltrationsbedingungen.

Die Grenzen der entwickelten Methodik zei-gen sich am deutlichsten bei der Simulation ver-änderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsme-thoden, deren mathematische Beschreibung undzahlenmäßige Charakterisierung aufgrund derKomplexität der beteiligten Prozesse mit großenUnsicherheiten behaftet ist.

Die Modellierungsergebnisse belegen darüber hi-naus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss derLandnutzung auf die Hochwasserentstehung auf-grund der entscheidenden Bedeutung der klima-tischen und physiographischen Randbedingungenunzulässig sind. Zu den klimatischen Randbe-dingungen zählen sowohl Niederschlagsintensitätund -dauer als auch die Feuchtebedingungen voreinem hochwasserauslösenden Niederschlag. Diephysiographischen Randbedingungen sind vonder geomorphologischen und geologischen Ausstat-

tung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss derräumliche und zeitliche Maßstab, über den Aus-sagen getroffen werden, klar definiert sein, dasich mit steigender Einzugsgebietsgröße die rela-tive Bedeutung sowohl der verschiedenen Nie-derschlagstypen als auch der physiographischenEigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorlie-genden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderenUntersuchungen konsequent berücksichtigt.

In Abhängigkeit von Randbedingungen undräumlichen Maßstab sind aufgrund der gewon-nen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Ein-fluss von Landnutzungsänderungen auf dieHochwasserentstehung möglich:

(1) Für intensive konvektive Niederschlagsereig-nisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist derEinfluss der Landnutzung größer als für lan-ganhaltende advektive Niederschläge geringerIntensität, da im ersten Fall veränderte Infilt-rationsbedingungen stärker zum Tragen kom-men als bei kleinen Niederschlagsintensitä-ten.

(2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinräumigeKonvektivzellen zu Hochwassern führen kön-nen, ist der Einfluss der Landnutzung dem-entsprechend größer als in großen Flussgebie-ten wie dem Rheingebiet, wo vor allem lan-ganhaltende advektive Ereignisse (unterUmständen verbunden mit Schneeschmelze)relevant sind.

(3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaftenwie mächtigen, gut durchlässigen Böden undgut durchlässigem Gesteinsuntergrund ist derEinfluss der Landnutzung größer als in Ge-bieten mit geringmächtigen Böden und gering-durchlässigem Festgestein. Dies ist darin be-gründet, dass in Gebieten mit guten Speiche-reigenschaften bei einer Verschlechterung derInfiltrationsbedingungen mehr Speicherraumfür Niederschlag verloren geht als in anderenGebieten.

StichworteHochwasser, Landnutzungsänderung, Hydrolo-gische Modellierung, Versiegelung, Landwirt-schaft, Forstwirtschaft

XXIII

Inh

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Summary

Since 1990, several of the large European river ba-sins were affected repeatedly by extreme floods.As both the landscape and the river systems inlarge parts of Central Europe have undergonemajor changes in the past, during the search forthe causes of this accumulation of extreme eventsalso the impact of human activities on floodinghas been discussed. River training, surface seal-ing, intensive agricultural land-use, consolidationof farmland, and damages to forests are onlysome examples and consequences of the anthro-pogenic interferences with the landscape. Butdue to the diversity of the processes and factorsinvolved, by now it can only be estimated how farthe flood situation has changed by these interfer-ences.

Therefore, the main target of this thesis is todescribe systematically in which way, to what ex-tent and under which circumstances the land-useexerts an influence on storm-runoff generationand subsequently the discharge of rivers.

This is investigated by means of exemplarymodel applications at the hydrological meso-scale. For this task, the deterministic and distrib-uted hydrological model wasim-eth was chosendue to its well-balanced mixture of physically-based and conceptual approaches. In the frame-work of this thesis, the model has been extendedin order to cope with several phenomena whichare important when aiming at a characterizationof the influence of land-use on flood generation:(1) Preferential flow in macropores is treated by adivision of the soil into macropores and a soil ma-trix. This so-called double-porosity approach al-lows for fast infiltration and percolation beyond

the hydraulic conductivity of the soil matrix.(2) Siltation expresses itself within the model as adeterioration of infiltration conditions at the soilsurface, depending on precipitation intensity andthe degree of vegetation covering. (3) The hetero-geneous appearance of built-up areas, consistingof both sealed areas and pervious areas, is takeninto account by dividing each partial area into anunsealed part and a sealed part which is connect-ed to the sewer system. (4) Decentralized storagecan be simulated for natural depressions as well asfor specific infiltration measures with defined in-filtration conditions.

The extended model is exemplarily applied tothree meso-scale tributaries of the Rhine river.These three catchments with an area of between100 and 500 km² were chosen with regard to theirprevailing land-use, one of them being heavilyurbanized, one dominated by agricultural use,and one being mainly forested.

For these three catchments, spatially explicitland-use and land-cover scenarios were devel-oped. The impact of these scenarios on storm-runoff generation is being simulated using the ex-tended hydrological model. In this context,namely urbanization, infiltration measures in set-tlement areas, conversion of farmland to set-asideareas, altered agricultural management practices,afforestation and storm damages in forests aretaken into account.

These changes influence the interception ofrainfall, its infiltration into the soil, the subsurfaceflow processes next to the soil surface as well as, forexample in the case of sewer systems, also runoffconcentration.

Inhalt

XXIV

The hydrological simulations demonstrate thatsealing of the soil surface is the most intensive in-tervention in the natural conditions among theones which are mentioned above. Therefore it re-sults in the strongest (negative) changes of theflooding situation in a catchment. In addition tothat, the simulations show that a simple altera-tion in the interception capacity does not yieldsignificant changes in catchment response, be-cause the storage capacity of vegetation surfaces israther low compared to the volume of stormevents which normally lead to significant floods.More pronounced changes arise from modifica-tions in the infiltration conditions.

The limits of the methodology which waschosen for this thesis become obvious when sim-ulating altered agricultural management practices.Due the complexity of the processes involved,mathematical description and parameterization isdifficult and therefore afflicted with high uncer-tainty.

In addition to that, the modelling results provethat global statements on the influence of land-use on flood generation are illegitimate becauseof the paramount importance of the climatic andphysiographic boundary conditions. Climaticboundary conditions are precipitation intensityand duration as well as the moisture conditions be-fore a storm event. The physiographic boundarycounditions are given by the geomorphological andgeological catchment properties. Furthermore, withincreasing scale there is a shift in the relative im-portance of the different types of rainfall as well

as the different geophysical catchment properties.Therefore, the spatial and temporal scale for whichthe results are valid have to be clearly defined.This is taken into account consequently withinthis thesis – in contrast to many other studies onthis topic.

Depending on boundary conditions and spa-tial scale, the findings allow the following state-ments regarding the influence of land-use chang-es on storm-runoff generation:

(1) For intensive convective storm events withgenerally low antecedent soil moisture, the in-fluence of land-use is greater than for long-lasting advective storm events with low rainfallintensities, because in the first case changes inthe infiltration conditions are more importantthan during times of low precipitation inten-sities.

(2) In small catchments, where small-scale convec-tive cells can lead to a flood, the influence ofland-use is accordingly greater than in largeriver basins like the Rhine basin, where long-lasting advective rainfalls (possibly in combi-nation with snowmelt) are relevant.

(3) In areas with good storage conditions likethick, permeable soils and pervious rock under-neath, the influence of land-use is greater thanin areas with thin soils and only slightly perme-able bedrock. This is due to the fact that incase of deteriorating infiltration conditions,more storage space for precipitation is lost inareas with good storage conditions than inother areas.

Keywordsflood, land-use change, hydrological modelling,urbanization, agriculture, forestry

1

Kap

itel

1

Einleitung

1.1 PROBLEMSTELLUNG

Seit 1990 waren mehrere der großen FlussgebieteMitteleuropas wiederholt von extremen Hoch-wassern betroffen. Da sowohl die Landoberflächeals auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuro-pas in der Vergangenheit weitreichenden Eingrif-fen ausgesetzt gewesen sind, wurde bei der Suchenach den Ursachen für diese Häufung vonExtremereignissen auch die Frage nach der an-thropogenen Verantwortung hierfür diskutiert.Gewässerausbau, Flächenversiegelung, intensivelandwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbe-reinigung und Waldschäden sind nur einige Bei-

spiele und Folgen dieses anthropogenen Eingriffs(z.B. Kleeberg & Rother, 1996; Länderar-beitsgemeinschaft Wasser, 1995; Mendel etal., 1997; Mendel, 2000).

Es besteht kein Zweifel darüber, dass die zu-nehmende Entfernung von den natürlichen Ver-hältnissen in Mitteleuropa zu einer verändertenHochwassersituation geführt haben. Aufgrundder Vielfalt der beteiligten Prozesse und derenWechselwirkungen gibt es allerdings bislang nurSchätzungen darüber, wie sehr sich die Hochwas-sersituation hierdurch verändert hat.

1.2 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE

Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, mitHilfe eines hydrologischen Modells systematischdarzustellen, in welcher Weise, in welcher Größen-ordnung und unter welchen Umständen die Art derLandnutzung auf die HochwasserentstehungEinfluss nimmt.

Dies wird anhand exemplarischer Modellan-wendungen untersucht. Zu diesem Zweck wirdein bereits bestehendes hydrologisches Modellum verschiedene Mechanismen der Abflussbil-dung erweitert, die als relevant für die Charakteri-sierung des Einflusses der Landnutzung auf dieHochwasserentstehung angesehen werden.

Für die Modellanwendung wurden drei Teil-einzugsgebiete des Rheins im mesoskaligen Maß-stabsbereich (bis ca. 1000 km²) gesucht, deren

Größenordnung aufgrund der Unterdrückunglokaler Effekte bereits eine Verallgemeinerungder gewonnenen Erkenntnisse zulässt, aber trotz-dem noch eine eindeutige Zuordnung von Ursa-che und Wirkung ermöglicht. Außerdem sollte indiesen Gebieten jeweils eine der drei Haupt-Landnutzungskategorien – Bebauung, landwirt-schaftliche Nutzung und Wald – dominieren.Unter diesen Gesichtspunkten wurden die Ein-zugsgebiete folgender Flüsse ausgewählt: Körschals typisch urbanes Gebiet, Lein als Repräsentantintensiver landwirtschaftlicher Nutzung undobere Lenne, deren überwiegend bewaldetes Ein-zugsgebiet als naturnah gilt.

Für diese drei Untersuchungsgebiete sindLandnutzungsszenarien entworfen worden, de-

Einleitung

2

ren Auswirkungen auf Hochwasser mit Hilfe deshydrologischen Modells simuliert werden. DieSimulationsergebnisse lassen sowohl Rückschlüs-se auf den Einfluss der Landnutzung selbst alsauch auf dessen Abhängigkeit von den geomor-phologischen und klimatologischen Randbedin-gungen zu.

Abb. 1.1, S. 2 zeigt die drei Schwerpunkte dervorliegenden Arbeit. Die Verbindungen zwischen

diesen Arbeitsschwerpunkten symbolisieren deniterativen Charakter des Vorgehens: Die Analyseder Gebietseigenschaften und die ersten Model-lierungsversuche bilden einerseits die Grundlagefür die Entwicklung der Modellerweiterungen.Andererseits erzwingen die Modellerweiterungeneine noch genauere Auseinandersetzung mit demjeweiligen Gebiet und erhöhen die Aussagekraftder hydrologischen Simulationen.

1.3 AUFBAU DER ARBEIT

Eine umfassende Literaturübersicht in Kap. 2 bil-det die Grundlage der Arbeit. Sie dokumentiertden Stand der Forschung zu den Themen Hoch-wasserentstehung, den Einfluss der Landnutzunghierauf, Entwicklung von Landnutzungsszenari-en sowie hydrologische Modellierung. Aus derLiteraturübersicht werden Anforderungen an hy-drologische Modelle abgeleitet, die zur Quantifi-zierung des Einflusses der Landnutzung auf dieHochwasserentstehung dienen sollen. Diese Kri-terien liefern die Basis für die Auswahl des Mo-dells, das in der vorliegenden Arbeit verwendetwird.

Im Anschluss daran werden die drei ausge-wählten Einzugsgebiete vorgestellt (Kap. 3). Dabeiwerden die naturräumlichen Gegebenheiten, dieanthropogene Inanspruchnahme der Landschaftund die Hochwassersituation angesprochen.Kap. 3 geht außerdem auf die Abdeckung der

Gebiete durch räumliche, klimatologische undhydrologische Daten ein.

Die hydrologische Modellierung erfolgt mitdem deterministischen flächendifferenziertenModell wasim-eth, das in Kap. 4 beschriebenwird. In diesem Zusammenhang werden auch dieModellerweiterungen vorgestellt, deren Entwick-lung den Kern dieser Arbeit bildet.

Die Simulationsergebnisse zu den Auswirkun-gen von Landnutzungsänderungen auf die Hoch-wasserentstehung werden in Kap. 5 dargestellt undanalysiert.

Auf welche Weise die Simulationsergebnisseverallgemeinert und auf größere Regionen ange-wandt werden könnten, damit beschäftigt sichKap. 6.

Kap. 7 führt die Erkenntnisse aus den einzel-nen Abschnitten zusammen und diskutiert derenBedeutung sowie weiteren Forschungsbedarf.

Abb. 1.1 Herangehensweise an die Fragestellung

ZeitreihenAbflussNiederschlag

Räumliche DatenLandnutzung

HydrologischeModellierung

Erweiterungdes Modells

Analyse desIst-Zustandes

· Makroporendynamik· Versiegelte Flächen und Kanalisation· Verschlämmung· Dezentraler Rückhalt

Ist-Zustand

Veränderte Landnutzung

Topographie Böden

3

Kap

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2

Grundlagen

2.1 EINFLUSSFAKTOREN DER HOCHWASSERENTSTEHUNG

Ein Hochwasser ist eine zeitlich begrenzte An-schwellung des Durchflusses, die eine für jedenDurchflussquerschnitt zu bestimmende Grenzeüberschreitet (Deutsches Institut für Nor-mung, 1994; Dyck & Peschke, 1995). Die wich-tigsten Kenngrößen eines Hochwassers sindDurchflussmaximum, Volumen und Dauer. DerAblauf eines Hochwasserereignisses an einem be-trachteten Durchflussquerschnitt kann durcheine Hochwasserganglinie beschrieben werden.Variablen einer Hochwasserganglinie wiederumsind, allgemeiner formuliert, das Wasservolumen,welches während des Ereignisses zum Abflusskommt, und dessen zeitliche Verteilung. Gesteu-ert werden diese Variablen durch zwei Gruppenvon Faktoren: hydroklimatische und physiographi-sche.

Die wichtigsten Faktoren, die sich aus den hy-droklimatischen und physiographischen Ereig-nis- bzw. Gebietsmerkmalen für den Verlauf einerHochwasserganglinie ergeben, sind in Abb. 2.1,S. 4 aufgeführt. Zusätzlich zu den Ereignis- undGebietseigenschaften sind die Bedingungen vordem Hochwasser von zentraler Bedeutung. Zurgroben Charakterisierung der Anfangsbedingun-gen werden diese in Anlehnung an die Systemhy-drologie als Füllungszustände verschiedener hy-drologischer Speicher beschrieben. Wichtige Funk-tionen dieser Speicher sind im Hinblick auf dieHochwasserentstehung (1) deren prinzipiellesFassungsvermögen, (2) deren Füllungs- und Ent-leerungsverhalten und (3) deren aktuelles Fas-sungsvermögen zu Beginn des Ereignisses.

Die Anfangsbedingungen nehmen eine Mittelstel-lung zwischen Gebietscharakteristika und Ereig-nischarakteristika ein, was auch durch die räum-liche Anordnung der Faktoren im Diagrammzum Ausdruck gebracht werden soll. Währenddie Kapazität der dargestellten Speicher sich un-mittelbar aus den physiographischen Gebiets-merkmalen ergibt (gekennzeichnet durch Verbin-dungslinien), wird deren Füllungsgrad vor demEreignis vom Zusammenwirken von hydroklima-tischen Faktoren und Gebietscharakteristika be-stimmt.

Auf die Darstellung der vielfältigen Wechsel-wirkungen zwischen hydroklimatischen undphysiographischen Faktoren wird in Abb. 2.1,S. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit ebensoverzichtet wie auf die Beschreibung von Hoch-wasserereignissen, die nicht auf Niederschlagund/oder Schneeschmelze zurückzuführen sind.Beispiele hierfür sind Eisstauhochwasser in denhöheren Breiten oder Hochwasser, die küstennahbei außergewöhnlichem Tidehub einen Rückstauim Mündungsbereich von Flüssen verursachen.

Im Hinblick auf die Hochwasserentstehungmuss konsequent zwischen den Eigenschaftenund Fließprozessen der Landfläche sowie denenim und am Gewässernetz unterschieden werden.Entsprechend wird der Begriff der Abflussbildungentgegen der missglückten Definition des Deut-schen Instituts für Normung (1994) definiertals die Gesamtheit aller Vorgänge, die einem Ge-rinne auf und unter der Bodenoberfläche Nieder-schlagswasser zuführen. Diese Definition ermög-

Grundlagen

4

licht die im weiteren verfolgte getrennte Betrach-tung der Fließprozesse außerhalb desGewässernetzes einerseits und dem Ablauf derHochwasserwelle im Gerinne andererseits.

Abb. 2.1, S. 4 weist außerdem darauf hin, dassdie Maßgeblichkeit der beteiligten Einflüsse auf

die Hochwasserganglinie am Gebietsauslass we-sentlich von der Größe des Hochwasserereignis-ses und der Größe des Einzugsgebietes abhängt.Im Allgemeinen gilt hierfür folgender Zusam-menhang (Dyck, 1997; Koehler, 1996; Wood etal., 1990):

Abb. 2.1 Schematische Übersicht über die wichtigsten Steuergrößen einer Hochwasserganglinie für

natürliche Einzugsgebiete in Abhängigkeit von der Gebietsgröße und der Jährlichkeit des Ereig-

nisses (eigene Darstellung unter Verwendung von Informationen aus Herrmann, 1992, Blöschl

& Sivapalan, 1995 und Dyck & Peschke, 1995; Speicherkapazität aus Internationale Kommission

zum Schutze des Rheins, 1999)

Ereignischarakteristika Anfangsbedingungen Gebietscharakteristika

Niederschlag

· Neigung· Exposition· Welligkeit

Schneeschmelze

Vegetation

Topographie

Boden/Gestein

Fließgewässer

Stehende Gewässer

große Jährlichkeit kleine Jährlichkeit

Interzeptionsspeicher

Bodenspeicher

Hochwasserganglinie

· Scheitel ([m³/s] bzw. [m])· Fülle [m³]· Dauer

Evapotranspiration

(II) Gewässernetz

· Blattflächenindex· Bedeckungsgrad

· Form und Typ· Zeitliche und räumliche

· Infiltrationseigenschaften· Speicherkapazität· Wasserleitfähigkeit

Gerinnebettspeicher

(See-)Beckenspeicher

· Wasserstand

· Wasserstand

ÜbergeordneteFaktoren

UntergeordneteFaktoren

Faktoren sinddominant für …

Verteilung (Intensität, Dauer, Zugrichtung)

(I) Landoberfläche

kleine

Gebiete

große

Gebiete

Legende

· Kapazität (bis > 5 mm)· Füllungsgrad

· Kapazität (bis > 10 mm)· Füllungsgrad

· Kapazität (bis > 100 mm)· Bodenfeuchte· Grundwasserstand

Muldenspeicher

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Abflussbildung bei Hochwasser

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Gru

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(1) Mit zunehmender Größe/Jährlichkeit desNiederschlagsereignisses nimmt der Einflussder flächenhaften Gebietseigenschaften ab.

(2) Mit zunehmender Einzugsgebietsgröße trittder Einfluss der flächenhaften Gebietseigen-schaften gegenüber den Eigenschaften desGewässernetzes in den Hintergrund.

Mit flächenhaften Gebietseigenschaften sind hierwiederum in Abgrenzung zum Gewässernetzsämtliche physiographischen Faktoren gemeint,die die Abflussbildung beeinflussen. Zu diesenEigenschaften zählen auch anthropogene Eingrif-fe wie Flurbereinigung oder Urbanisierung sowiegezielte Einflussnahmen zur Verminderung undVerzögerung der Abflussbildung bei Hochwasser,auch wenn sie linienhafte Landschaftselementewie Straßen oder Feldraine betreffen.

Entscheidende Folge des genannten Zusam-menhangs ist, dass sich die in Abb. 2.1, S. 4 auf-

geführten Einflussfaktoren nur in Verbindungmit dem räumlichen und zeitlichen Maßstab, indem sie untersucht werden, bewerten lassen, dasich auch die Untersuchungsmethoden in denverschiedenen Maßstabsbereichen voneinanderunterscheiden. Gleiches gilt für die Untersu-chung der Auswirkungen von Landnutzungsän-derungen. Die in der Hydrologie als Skalenprob-lematik bezeichnete Maßstabsabhängigkeit derjeweils beobachtbaren Prozesse und der zugehöri-gen Untersuchungsmethoden bzw. Modellvor-stellungen wird in Kap. 2.2.1 näher beleuchtet.

Aus dem Zusammenhang zwischen Einfluss-faktoren und Ereignis- bzw. Gebietsgröße gehtaußerdem hervor, dass der Einfluss flächenhafterGebietscharakteristika in kleinen Gebieten undfür kleine Ereignisse aufgrund der dort stärkstenWirkung auf die Hochwasserentstehung besserzu quantifizieren ist als für größere Ereignissebzw. in größeren Gebieten.

2.2 ABFLUSSBILDUNG BEI HOCHWASSER

2.2.1 Bedeutung hydrologischerZeit- und Längenmaßstäbe

Wie Blöschl & Sivapalan (1995) darlegen, sindsowohl hydrologische Prozesse als auch deren Be-obachtung/Messung und Modellierung an cha-rakteristische Zeiten und Längen gebunden, diegegeneinander abgegrenzt werden können. Dieserlaubt eine Zuordnung der Prozesse, Arbeits-techniken und Modelle zu verschiedenen Maß-stabs- oder, in Anlehnung an den englischen Be-griff scale, Skalenbereichen. Einen Eindruck die-ser Zuordnung vermittelt Abb. 2.2, S. 6.

Im Idealfall sind Prozessmaßstab, Beobach-tungsmaßstab und Modellierungsmaßstab iden-tisch. Eine bewusste Beachtung verlangen die ei-ner Fragestellung zugrunde liegenden Skalenbe-reiche dahingegen insbesondere dann, wennentweder der Beobachtungs- bzw. Modellie-rungsmaßstab nicht mit dem Maßstab des beob-achteten bzw. simulierten Prozesses übereinstim-men, oder wenn anhand von Erkenntnissen, diein einem Maßstabsbereich über Prozesse gewon-nen wurden, Aussagen über diese Prozesse in ei-

nem anderen Maßstabsbereich gemacht werdensollen. Mit der Schaffung von Übergängen zwi-schen den einzelnen Skalen(bereichen) beschäf-tigt sich der Forschungsbereich der Regionalisie-rung (Kleeberg & Cemus, 1992). Die Übertra-gung von Information vom kleineren zumgrößeren Maßstab wird dabei als upscaling ange-sprochen, solche vom größeren zum kleineren alsdownscaling (Blöschl & Sivapalan, 1995).

Bei der Untersuchung bzw. Nachbildung hy-drologischer Prozesse ist der von den natürlichenGegebenheiten bestimmte Prozessmaßstab vorge-geben. Der Beobachtungsmaßstab hingegen ergibtsich aus der Fragestellung, der dafür verfügbarenMesstechnik sowie den finanziellen Möglichkei-ten. Der Modellierungsmaßstab wiederum richtetsich nach den simulierten Prozessen und den ver-fügbaren Daten sowie nach der Prozesskenntnisund deren Umsetzung im Modell. Je nachdem,ob die beteiligten Prozesse, deren Beobachtungoder deren Modellierung im Zentrum der Be-trachtung stehen, ergeben sich, wie Abb. 2.2, S. 6illustriert, daraus unterschiedliche Grenzen fürdie voneinander trennbaren Skalenbereiche.

Grundlagen

6

Die von Becker (1986, 1992) eingeführte Eintei-lung der Modellierungsmaßstäbe in die drei räum-lichen Größenklassen Mikro-, Meso- und Ma-kroskala basiert im Wesentlichen auf der Zuord-nung verschiedener Modellvorstellungen zu derGebietsgröße, für die diese Modellvorstellungenentwickelt wurden. Den umgekehrten Weg gehtDooge (1986), der die Modellierungs-/Arbeits-skalen nach charakteristischen Gebietsgrößen(lokale Skala, Hang-, Einzugsgebietsskala und re-gionale Skala) und Zeiträumen (Ereignisskala,saisonale und langfristige Skala) einteilt, die typi-scherweise Gegenstand von Modellanwendungensind. Schlussfolgerungen, die sich aus der auch

von Plate (1992) aufgegriffenen modellorientier-ten Skaleneinteilung für die Bewertung von Mo-dellen auf ihre Tauglichkeit zur Beantwortungder vorliegenden Fragestellung ergeben, werdenin Kap. 2.6 angesprochen.

Zunächst jedoch sollen die Prozessmaßstäbeim Vordergrund stehen, wie sie in Abb. 2.2, S. 6exemplarisch für einige Prozesse dargestellt sind.Als Kriterien für charakteristische Zeit- bzw.Raumskalen hydrologischer Prozesse werden da-bei (a) deren Dauer bzw. räumliche Ausdehnung,(b) deren Periodizität (sofern vorhanden) und (c)deren Korrelationslänge herangezogen (Blöschl& Sivapalan, 1995).

Abb. 2.2 Charakteristische Raum- und Zeitskalen einiger hydrologischer Prozesse und Arbeitsskalen der

hydrologischen Modellierung (Prozessskalen nach Blöschl & Sivapalan, 1995; Raumskalen nach

Becker, 1992; Zeitskalen nach Kleeberg & Cemus, 1992; Arbeitsskalen nach Dooge, 1986 aus

Blöschl & Sivapalan, 1995)

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100 101 102 103 104 105 106Länge [m]

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Eine zeitliche Eingrenzung der am Entstehenund am Ablauf von Hochwassern beteiligten Pro-zesse auf den Ereigniszeitraum ist aufgrund desEinflusses der hydroklimatischen Ausgangsbedin-gungen nicht möglich. Hierauf weisen Kleeberg& Rother (1996) implizit hin, die feststellen,dass außergewöhnliche Hochwasser in größerenGebieten als Folge von Niederschlägen meist nurin Verbindung mit hoher Vorbodenfeuchte oder ra-scher Schneeschmelze entstehen können. Eine er-höhte Neigung zu Hochwassern kann sich überMonate hinweg ausbilden (z.B. durch anhaltendkühle und feuchte Witterung oder Schneeakku-mulation im Winterhalbjahr), sich aber ebensobei geänderten Bedingungen – abhängig von denSpeichereigenschaften des Gebietes – über Mo-nate hinweg erhalten, was auch als Beharrungs-vermögen oder Persistenz bezeichnet wird (Dyck& Peschke, 1995). Kenngrößen für das Speicher-vermögen eines Gebiets vor einem Hochwassersind in Abb. 2.1, S. 4 aufgeführt. Sie sind ver-knüpft mit den mittelfristigen Schwankungender Witterungsbedingungen, der Fließprozesse inder ungesättigten Zone bzw. im Grundwasserund der daraus resultierenden Fließvorgänge imGerinne.

Ebenso wie für die Einschätzung der hydrokli-matischen Einflussfaktoren ist für die Bewertungder physiographischen Einflüsse eine Verknüpfungder getroffenen Aussagen mit den zugehörigenMaßstabsbereichen der beteiligten Prozesse un-erlässlich. Zur Unterscheidung räumlicher Ska-lenbereiche der Fließprozesse im Einzugsgebietbieten sich die in Abb. 2.2, S. 6 vertretenen Ar-beitsskalen nach Dooge (1986) an, da sie hydro-logische Teilsysteme voneinander abgrenzen, de-nen jeweils charakteristische hydrologische Pro-zesse zugeordnet werden können.

Relevante Zeitskala für die im folgenden be-schriebenen Abflussprozesse ist der Ereignismaß-stab. Längerfristige saisonale Einflüsse werdenimplizit als Anfangs- und Randbedingungen be-rücksichtigt.

2.2.2 Prozesse in der lokalen Skala

Die kleinste räumliche Einheit nach Dooge(1986) ist die lokale Skala, die mit einer Größen-ordnung von ungefähr 1 m² den Betrachtungs-

maßstab für die vertikalen Fließprozesse darstellt,die in einem Pedon (Bodensegment) als Grund-einheit der Bodenzone ablaufen (Schachtscha-bel et al., 1992).

Sowohl im Hinblick auf die Bildung schnel-ler/ereigniswirksamer Abflusskomponenten alsauch für den längerfristigen Wasserhaushalt mitGrundwasserneubildung und Evapotranspirationim Jahresverlauf kommt der Bodenzone eineSchlüsselstellung zu, da deren Eigenschaften überden weiteren Weg des Niederschlages entschei-den, der zuvor bereits durch Interzeption beein-flusst worden sein kann (Rawls et al., 1992).

Die wichtigsten Parameter des Bodens für dievertikalen Fließprozesse in einem Bodensegmentsind dessen Wasseraufnahmefähigkeit, Wasserleitfä-higkeit und dessen Wasserhaltevermögen (Rawls etal., 1992). Die mit der Aufteilung des Nieder-schlages in der lokalen Skala assoziierten Prozessesind einerseits die Evapotranspiration als Verlust-größe für die Hochwasserentstehung und ande-rerseits die Infiltration bzw. die daran anschlie-ßende Bodenwasserbewegung.

Zur Unterscheidung verschiedener jeweils do-minanter Einflüsse auf das Bodenwasser werdenin der Bodenzone verschiedene Porensysteme un-terschieden. In der Bodenkunde bzw. für Wasser-haushaltsbetrachtungen ist die Unterteilung inGrob-, Mittel- und Feinporen bzw. in Sickerwas-ser, pflanzenverfügbares Haftwasser und nichtverfügbares Haftwasser führende Poren ge-bräuchlich (Schachtschabel et al., 1992). FürUntersuchungen der Abflussbildung hat sich dievon Beven & Germann (1982) eingeführte Zwei-teilung des Porensystems in Mikroporen (Porender Bodenmatrix) und Makroporen, also in vonKapillarkräften beeinflusste bzw. nicht maßgeb-lich von Kapillarkräften beeinflusste Porendurchgesetzt. Die damit verbundene Vereinfa-chung ist mit dem Begriff double-porosity ap-proach belegt. Beven & Germann (1982) ordnenden Makroporen, die als diskrete, langestreckteHohlräume beschrieben werden, einen Äquiva-lentdurchmesser von > 3 mm zu, was einem Ma-trixpotenzial von > –0,1 kPa bzw. einer kapillarenSteighöhe von < 1 cm entspricht. Germann(1990) räumt allerdings ein, dass auch Grobporenmit Durchmessern > 30 µm bei ausreichenderLänge bereits eine den Makroporen ähnliche Pro-

Grundlagen

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zessdynamik ermöglichen. Bisher wurde kein ein-heitlicher Mindestdurchmesser von Makroporenfestgelegt (Uhlenbrook & Leibundgut, 1997).

Analog zur Definition von Mikro- und Ma-kroporen wird auch zwischen Matrix- und Ma-kroporenfluss unterschieden:

Matrixfluss

Über die Wasserbewegung in der Bodenmatrixund damit auch über deren Aufnahmefähigkeitfür Wasser bei gegebener Wasserleitfähigkeitscha-rakteristik und Speicherkapazität entscheiden inerster Linie die aktuelle Bodenfeuchte und derdavon abhängige Gradient des hydraulischen Po-tenzials (Hartge & Horn, 1991).

Makroporenfluss

Makroporen können nach Zuidema (1985) aus-geprägt sein als Wurzelgänge, als Gänge vonWürmern oder größeren Bodentieren wie Mäu-sen oder Maulwürfen oder auch als Schrumpfris-se in feinkörnigen Böden bzw. Klüfte infolgephysikalischer Verwitterung. Anthropogen ent-stehen Makroporen bei der landwirtschaftlichenBodenbearbeitung. Genauso trägt intensive Bo-denbearbeitung aber auch zur Zerstörung zusam-menhängender Makroporen bei (Beven & Ger-mann, 1982). Erosiv erweiterte Makroporen so-wie in lateraler Richtung überdurchschnittlichgut miteinander verbundene Makroporen wer-den auch als pipes bezeichnet (Jones, 1971; An-derson & Burt, 1990).

Obwohl Chen & Wagenet (1992) zufolgeMakroporen lediglich 0,2 bis 5% des Gesamtbo-denvolumens ausmachen, können sie aufgrundihrer hohen Leitfähigkeit innerhalb kurzer Zeitbedeutende Wassermengen ableiten. Bouma etal. (1982) beispielsweise haben in MakroporenFließgeschwindigkeiten von bis zu 25 cm/s beob-achtet, Beven & Germann (1982) bis zu 20 cm/s.Einen 100–400 mal schnelleren Fluss als in derBodenmatrix diagnostizierte Germann (1981).Ob Makroporenfluss entsteht, hängt vom Feuch-tegehalt der umliegenden Matrix, von der Be-schaffenheit der Makroporenwandung und vonder zur Verfügung stehenden Wassermenge in derMakropore ab. Nach Beven & Germann (1982)kann bereits in relativ trockenen Böden Makro-porenfluss auftreten, was unter anderem auf hy-

drophobe Effekte an der Porenwandung zurück-zuführen ist.

Für die Infiltration, also den Eintritt von Wasserin die Erdrinde (Deutsches Institut für Nor-mung, 1994), können bei geringer Durchlässig-keit allein die Eigenschaften der Bodenoberflächeentscheidend sein (Burt, 1989). In der Regel sinddie Prozesse Infiltration und Bodenwasserbewe-gung jedoch nicht voneinander zu trennen, da siewechselseitig voneinander abhängen (Rawls etal., 1992). Reichen Makroporen bis an die Ober-fläche, so ermöglichen sie eine rasche Infiltrationund – abhängig von deren wirksamer Länge –eine effektive Tiefenperkolation. Diese kann weiteTeile der Matrix des Oberbodens umgehen, wasauch als bypass flow bezeichnet wird (Anderson& Burt, 1990).

2.2.3 Prozesse in der Hangskala

In der Hangskala (Größenordnung Hektar) nachDooge (1986) gewinnen laterale Abflussbil-dungsprozesse an Bedeutung. Die für die Hang-skala bedeutsamen Prozesse sind geprägt durchdie Heterogenität des Untergrundes und die Vari-abilität der kleinräumig wechselnden Feuchtebe-dingungen. Heterogenität und Variabilität sor-gen dafür, dass die Reaktion eines Hanges auf einNiederschlagsereignis immer eine integrale Reak-tion verschiedener, ineinander übergehenderFließmechanismen darstellt. Dem wird die bisheute übliche schematische Zuordnung von Was-seranteilen nach der Raschheit der Abflussreakti-on zu den Abflusskomponenten Oberflächenab-fluss, Zwischenabfluss und Grundwasserabflussnicht gerecht (Gutknecht, 1996).

Da die Begriffe zur Beschreibung der Abfluss-bildungsprozesse am Hang durch die englisch-sprachige Literatur geprägt sind und bislang z.T.keine klar definierten Übersetzungen existieren,wurden als Referenz jeweils die englischen Begrif-fe in Klammern hinzugefügt. Aufgrund der ver-schiedenen Herangehensweisen an die Fragen derHydrologie im Hangmaßstab (hillslope hydrology)haben sich verschiedenste Begriffe für die Be-schreibung der beobachteten Phänomene heraus-gebildet, die den Blick dafür verstellen, dass sichsämtliche unterirdischen Fließprozesse als Was-


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serbewegung in Poren unterschiedlichen Durch-messers beschreiben lassen. Bei der folgendenund in Abb. 2.3, S. 9 illustrierten Darstellung derim Ereignismaßstab wirksamen Abflussbildungs-prozesse am Hang wurde deshalb eine Reduktion

dieser Begriffsvielfalt versucht, die sich an Veröf-fentlichungen von Burt (1989), Anderson &Burt (1990), Zuidema (1985), Dunne (1978),Gutknecht (1996), Buttle (1994) und Bonell(1993, 1998) orientiert.

Missverständnisse ergeben sich außerdem aus derim deutschen Sprachgebrauch weit verbreitetenunscharfen Trennung zwischen Abflussbildungs-prozessen und Abflusskomponenten. Abflussbil-dungsprozesse sind Fließprozesse, die sich zu ei-nem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmtenStelle im Einzugsgebiet beobachten lassen. EineAbflusskomponente ist ein Wasservolumen imGerinne, welches einem bestimmten Herkunfts-raum bzw. der Wirkung bestimmter Abflussbil-dungsprozesse zugeordnet wird. Häufig wird da-mit der in den meisten Fällen nicht gerechtfertig-te Eindruck erweckt, dass sich einzelneFließprozesse aus der Abflussganglinie isolierenließen. Dominante Abflussbildungsmechanismen,die zum Entstehen einer Abflusskomponente bei-tragen, stellen aber fast immer ein Wirkungsge-flecht aus verschiedenen Fließprozessen dar. DieGleichsetzung von Abflussbildungsprozessen undAbflusskomponenten ist auch ein Ausdruck da-von, dass in der Vergangenheit schnelle Abfluss-reaktionen ausschließlich auf oberirdische Fließ-prozesse zurückgeführt wurden, weswegen bei-spielsweise die Begriffe Direktabfluss undOberflächenabfluss vielfach als Synonyme ver-

wendet wurden. Hierauf weisen beispielsweiseBecker et al. (1999) hin.

2.2.3.1 Oberflächenabfluss

Im Gegensatz zur schnellen Abflusskomponente›Oberflächenabfluss‹ in Gerinnen ist mit Ober-flächenabfluss (overland flow) als Abflussbil-dungsprozess eine momentane Fließbewegungauf der Bodenoberfläche gemeint. Der Prozessschließt auch Wasser mit ein, welches bereits in-filtriert war bzw. anschließend wieder infiltriert.

Hortonscher Oberflächenabfluss

Infiltrationsüberschuss bzw. daraus resultierenderHortonscher Oberflächenabfluss (infiltration-excess overland flow) entsteht, wenn die Nieder-schlagsintensität die aktuelle Infiltrationsrate einesBodens übersteigt, der Boden also aufgrund sei-ner Infiltrationseigenschaften zu einem bestimm-ten Zeitpunkt das anfallende Niederschlagswas-ser nicht oder nicht vollständig aufnehmen kann(Horton, 1933). Voraussetzungen hierfür sindim humiden Klimabereich, wo die Bedeutungdes Hortonschen Oberflächenabflusses lange

Abb. 2.3 Zur Abflussbildung bei Hochwasser beitragende Fließprozesse am Hang

Infiltration-excessoverland flow

Saturation-excessoverland flowReturn flow

Low permeablebedrock

Overland flow

Subsurface stormflowGroundwater

Flow in pipes/highlypermeable layers

Macropore flow(vertical and lateral)

Matrix flow(vertical and lateral)

Grundlagen

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überschätzt wurde, sehr hohe Niederschlagsin-tensitäten oder Böden mit schlechten Infiltrati-onseigenschaften. Schlechte Infiltrationseigen-schaften sind z.B. gebunden an eine insgesamtgeringe Durchlässigkeit des Bodens, Verschläm-mung der Bodenoberfläche, Verdichtungen desOberbodens oder die Abwesenheit gut angebun-dener Makroporen. Eine nahezu dichte Oberflä-che kann aus flächenhafter Bodengefrornis, Ver-siegelung der Bodenoberfläche oder an der Ober-fläche anstehendem Festgestein resultieren.

Sättigungsoberflächenabfluss

Sättigungsüberschuss bzw. in der Folge davonentstehender Dunnescher Oberflächenabfluss(saturation-excess overland flow) ist die Folge derAusbildung einer gesättigten Zone bis an dieBodenoberfläche (Dunne, 1978). Eine Abgren-zung zum Hortonschen Oberflächenabfluss istsinnvoll, da bei gesättigten Verhältnissen das Ab-flussverhalten des Bodens unabhängig von denInfiltrationseigenschaften ist (Zuidema, 1985).Randbedingungen für das Auftreten von Sätti-gungsoberflächenabfluss sind im Gegensatz zumHortonschen Oberflächenabfluss eher guteInfiltrationseigenschaften sowie eine geringeSpeicherkapazität und ein geringes lateralesTransportvermögen des Bodens. Ursachen für ge-ringes laterales Transportvermögen sind konver-gierender Fluss im Untergrund, Abnahme derhydraulischen Leitfähigkeit oder Abnahme derHangneigung in Verbindung mit einem stauen-den Horizont an der Basis. Deswegen tritt Sätti-gungsoberflächenabfluss auch bevorzugt in Mul-den und am Hangfuß auf (Kölla, 1986). Ge-speist wird der Dunnesche Oberflächenabflussvon Niederschlag, der direkt auf die gesättigteFläche fällt (Kirkby & Chorley, 1967) und vonWasser, welches als return flow (siehe dort) wiederan die Oberfläche tritt (Dunne & Black, 1970).Die Entstehung gesättigter Flächen ist häufig andas Auftreten schnell reagierender unterirdischerFließprozesse (siehe Kap. 2.2.3.2) gekoppelt (Be-cker et al., 1999).

Sättigungsflächen können sich entweder wäh-rend des Niederschlagsereignisses entwickeln undausdehnen, oder bereits vor dem Ereignis beste-hen. Dieses Phänomen wurde erstmals vonHewlett & Hibbert (1967) durch das soge-

nannte variable source-area concept beschriebenund mit dem als translatory flow bezeichneten un-terirdischen Versatz von Wasser infolge eines hy-draulischen Gradienten in Verbindung gebracht.

Return flow

Return flow bezeichnet das Wiederaustreten be-reits infiltrierten Wassers an der Bodenoberflä-che. Diskrete Austrittsstellen für return flow sindbis an die Oberfläche reichende Makroporen.Diffuses/flächenhaftes Austreten von Boden-wasser ist bedingt durch die Erschöpfung derTransportkapazität des Oberbodens infolge ab-nehmender Hangneigung, abnehmender hydrau-lischer Leitfähigkeit oder abnehmender Mächtig-keit eines wasserführenden Horizonts. Die Be-deutung des return flow liegt – wie die desInfiltrationsvorgangs – in der Herstellung einesÜbergangs von oberirdischen zu unterirdischenFließmechanismen (Dunne & Black, 1970).

2.2.3.2 Schnell reagierender unterirdischer Abfluss

Subsurface stormflow ist der Überbegriff für alleunterirdischen Abflussbildungsprozesse, die raschgenug auf ein Niederschlagsereignis reagieren,um zu einem Hochwasser beitragen zu können.Diese Reaktion ist nicht ausschließlich an schnel-le unterirdische Fließprozesse in bevorzugtenFließwegen (preferential pathways) wie Makropo-ren oder diffuse Bereiche hoher Durchlässigkeitgebunden. Sie kann ihre Ursache auch in derschnellen hydraulischen Reaktion eines zusam-menhängend gesättigten Wasserkörpers auf infil-trierenden Niederschlag haben (Burt & But-cher, 1985). Hieran sind verschiedene Fließpro-zesse beteiligt (Pearce et al., 1986; Anderson &Burt, 1990; Bonell, 1998; Becker et al., 1999):

Matrixfluss

Der ereigniswirksame unterirdische Versatz vonWasser, welches bereits vor dem Niederschlags-ereignis im Boden gespeichert war, ist an dieExistenz bzw. Entstehung zusammenhängendergesättigter Bereiche gebunden, die innerhalb kur-zer Zeit auf eine rasche Erhöhung des hydrauli-schen Gradienten reagieren. Gute Bedingungenhierfür sind eine in hangabwärtiger Richtung


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hohe hydraulische Leitfähigkeit des Bodens übereiner geringdurchlässigen Basis sowie gute Infilt-rationseigenschaften. An der Erhöhung des hy-draulischen Gradienten sind sowohl Matrixflussals auch schneller Makroporenfluss beteiligt. DasErgebnis dieses Vorgangs ist ein rasches Auspres-sen großer Mengen ›alten‹ Wassers (pre-event wa-ter) am Hangfuß bei im Vergleich zum freienMakroporenfluss geringen Fließgeschwindigkei-ten (Sklash et al., 1986). Dieser Vorgang ist mitden Begriffen translatory flow bzw. piston flow ef-fect (Burt, 1989) sowie kinematic pressure wave ef-fect (Beven, 1989b) belegt worden.

Makroporenfluss

Bei guter lateraler Vernetzung stellen Makropo-ren auch in hangabwärtiger Richtung sehr effek-tive Leitbahnen für den Wassertransport dar (Be-ven & Germann, 1982). Wie in Kap. 2.2.2 er-wähnt, werden in lateraler Richtung besonderswirksame makroporöse Fließwege verschiedent-lich auch als pipes bezeichnet (Jones, 1971; An-derson & Burt, 1990).

Fluss in hochdurchlässigen Bereichen

Hochdurchlässige Bereiche (highly permeable lay-ers/pipes) zeichnen sich durch grobes Substrat mithohem Grobporenanteil aus, wie es für Hang-schutt, periglazialen Solifluktionsschutt oder lo-ckeres Moränenmaterial typisch ist. TurbulenteAuswaschung von Feinmaterial sorgt in Boden-horizonten, die ohnehin bereits aus vorwiegendgrobem Substrat bestehen, für eine weitere Erhö-hung der Wasserleitfähigkeit. Die Auswaschungvon Feinmaterial wird begünstigt durch eine (re-lativ) undurchlässige Schicht im Liegenden. SindBereiche hoher Durchlässigkeit als röhrenartigeHohlformen ausgebildet, so werden sie – ebensowie erweiterte Makroporen – häufig auch als pi-pes angesprochen (Zuidema, 1985; Jones, 1971).

Groundwater ridging

Mit groundwater ridging wird ein rasches Anstei-gen des Kapillarsaums der Grundwasseroberflä-che in einer ausgedehnten Talsohle bezeichnet.Folge hiervon ist ein stark erhöhter hydraulischerGradient in Richtung Gerinnebett, der – wie be-reits für den Matrixfluss am Hang beschrieben –zum raschen Auspressen alten Wassers ins Gewäs-

sernetz führt (Sklash & Farvolden, 1979). Dieswird durch gute Infiltrationseigenschaften undeine geringdurchlässige Gesteinsbasis begünstigt.

Den zeitlichen und räumlichen Skalenbezug fürdie im Hangmaßstab auftretenden lateralen Ab-flussbildungsprozesse stellt Abb. 2.2, S. 6 her:

Hortonscher Oberflächenabfluss auf un-durchlässigen Flächen kann unmittelbar nach de-ren Benetzung einsetzen. Demgegenüber ordnenBlöschl & Sivapalan (1995) dem Sättigungso-berflächenabfluss eine tendenziell um die Phaseder Aufsättigung des Oberbodens verzögerte Re-aktion zu, insofern die gesättigten Verhältnissenicht bereits vor Beginn des Niederschlagsereig-nisses bestanden haben. Während allerdingsHortonscher Oberflächenabfluss prinzipiellauch lokal auf einem Bodenmonolith beobachtetwerden kann, ist Dunnescher Oberflächenab-fluss an konvergierende Fließverhältnisse im Un-tergrund und damit an einen unterirdischen Ein-zugsbereich in der Hangskala gebunden. Vergli-chen mit den Abflussbildungsprozessen auf derLandoberfläche erstrecken sich die Reaktionszei-ten von ereigniswirksam reagierendem unterirdi-schem Abfluss über ein wesentlich größeres Inter-vall der logarithmischen Zeitskala in Abb. 2.2,S. 6. Die Größe dieses Zeitintervalls ist zum ei-nen von den unterirdischen Fließprozessen selbst,zum anderen aber auch von der Größe des be-trachteten Gebietes abhängig, da die Gebietsgrö-ße bei gegebener Niederschlagsdauer darüberentscheidet, welcher Anteil des aus vorwiegendunterirdischen Abflussbildungsprozessen freige-setzten Wasservolumens noch zum Hochwasser-ereignis beiträgt und welcher bereits dem Basis-abfluss zuzurechnen ist.

2.2.4 Prozesse in der Einzugsgebietsskala

Als wesentliche neue Faktoren für den Hochwas-serverlauf treten im Einzugsgebietsmaßstab aus-gedehntere Grundwasserleiter sowie das Gewässer-netz hinzu. Eine Beschreibung dafür, wie sichbeim Übergang vom mikro- zum makroskaligenEinzugsgebiet der Einfluss der flächenhaften Ge-bietseigenschaften gegenüber dem des Gewässer-netzes verschiebt, gibt z.B. Beven (1991b):

Grundlagen

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Die Darstellung geht aus von einem aus vorwie-gend konvergierenden Hangstücken zusammen-gesetzten (mikroskaligen) Gebiet, welches zurTiefenlinie hin in den Anfang eines Gerinnes ent-wässert, also von den Fließprozessen am Hang do-miniert wird. Im humiden Klimabereich sinddies (siehe Kap. 2.2.3) vorwiegend unterirdischeFließprozesse sowie deren Auswirkung auf dasEntstehen von Oberflächenabfluss. Während inder Mikroskala jedoch der Niederschlag als annä-hernd räumlich konstant angesehen werdenkann, wird die Dynamik der Fließprozesse vonder kleinräumigen Heterogenität von Boden undVegetation beeinflusst. Mit zunehmender Ein-zugsgebietsgröße gewinnt die zeitliche und räum-liche Variabilität des Niederschlages an Bedeu-tung. Gleichzeitig nimmt die Heterogenität derVegetation, der Bodencharakteristika und derHangformen bzw. der Topographie allgemein zu.Außerdem wächst, wie bereits erwähnt, der Ein-fluss des Gewässernetzes auf den Verlauf derHochwasserganglinie, wohingegen der Einflussder flächenhaften Gebietseigenschaften bzw. derAbflussbildungsprozesse am Hang immer mehrin den Hintergrund tritt. Kirkby (zitiert in Be-ven, 1991b) macht hierfür vor allem das Verhält-nis der Zeitskalen von Fließprozessen am Hang zuFließprozessen im Gerinne verantwortlich, damit zunehmender Einzugsgebietsgröße die Auf-enthaltszeiten im Gewässernetz deutlich steigen,

die Fließzeiten am Hang sich jedoch häufig nurunwesentlich erhöhen.

Gründe für die steigenden Aufenthaltszeitenim Gewässernetz wiederum sind einerseits dasAnwachsen des Gewässernetzes insgesamt. Ande-rerseits wächst mit zunehmender Gebietsgröße inder Regel aber auch der Anteil an Bereichen mitgeringerem Gefälle, was nicht nur geringereFließgeschwindigkeiten im Gerinne mit sichbringt, sondern auch Verzögerungen des Gerin-neabflusses durch Uferspeicherung und Vorland-überflutungen ermöglicht. Verstärkend kommthinzu, dass die vorwiegend geraden Hänge tiefe-rer Einzugsgebietslagen meist auch weniger zurBildung schneller Abflusskomponenten neigenals die im Englischen als headwater areas ange-sprochenen konvergierenden Hänge höherer Be-reiche. Beven (1991b) erklärt dies mit der Ten-denz konvergierender Hänge zur Ausbildung vonZonen hoher Bodenfeuchte am Hangfuß, welchesowohl schnelles unterirdisches Fließen als auchdie Entstehung von Sättigungsoberflächenabflussbegünstigen. Dieser Zusammenhang äußert sichauch in einer tendenziellen Abnahme der Hoch-wasserabflussspende flussabwärts (Burt, 1989).

Außerdem wird mit zunehmender Einzugsge-bietsgröße die oben beschriebene zeitliche Diffe-renzierung der verschiedenen Abflussbildungs-prozesse an den Hängen höherer Einzugsgebiets-bereiche immer unwichtiger (Hewlett, 1982).

2.3 METEOROLOGISCHE RANDBEDINGUNGEN

2.3.1 Skalen der Witterung

Großen Einfluss auf das Entstehen von Hoch-wasser haben die charakteristischen Skalen derNiederschlagstypen. Wie Abb. 2.2, S. 6 zeigt,sind konvektive Niederschläge an sowohl zeitlichals auch räumlich andere Skalenbereiche gebun-den als zyklonale /advektive Niederschläge. Derräumliche Bezug hat zur Folge, dass konvektiveStarkniederschläge, deren Auftreten meist aufeine Fläche von wenigen Quadratkilometern be-schränkt ist, auch nur in kleinen Einzugsgebietenzu größeren Hochwassern führen können (Klee-berg & Rother, 1996; Verworn & Harms,

1984). Umgekehrt müssen großflächige zyklonaleNiederschläge, die in großen Flussgebieten zuHochwasser führen, nicht auch in kleinerenstromaufwärts gelegenen Nebenflüssen extremeAbflussverhältnisse hervorrufen. Dies sollte beider Übertragung von Erkenntnissen zur Hoch-wasserabflussbildung aus kleinen Gebieten aufden Hochwasserverlauf in größeren Gebieten un-bedingt beachtet werden.

Die saisonalen/mittelfristigen Schwankungender hydroklimatischen Einflüsse sind dafür ver-antwortlich, dass sich im Jahresverlauf die Rand-bedingungen für die Hochwasserentstehungdeutlich voneinander unterscheiden.

Einfluss der Landbedeckung auf die Abflussbildung

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Außerdem kann auch die Größe eines Nieder-schlagsereignisses, ausgedrückt als Jährlichkeitoder Überschreitungswahrscheinlichkeit und bezo-gen auf eine bestimmte Niederschlagsdauer, alsZeitskala interpretiert werden (Blöschl & Siva-palan, 1995). Die Skalendefinition bezieht sichhierbei auf das mittlere Zeitintervall zwischenzwei Ereignissen gleicher Größe.

2.3.2 Einfluss der Witterung auf die Hochwasserentstehung

Intensität und Dauer eines Niederschlagsereignis-ses haben einen starken Einfluss darauf, welcheGebietseigenschaften und wie sehr die Gebietsei-genschaften den Hochwasserverlauf prägen. EinMaß hierfür ist die Jährlichkeit des Niederschla-ges. Dieser Einfluss wird zum einen davon be-stimmt, in welchem Verhältnis Niederschlagsin-tensität und -menge zur Aufnahmefähigkeit der

Speichermechanismen im Gebiet stehen. Zumanderen führen Ereignisse höherer Jährlichkeitauch zur Aktivierung zusätzlichen Speicherraumsv.a. im und am Gewässernetz, wobei prinzipielljegliches Ansteigen des Wasserspiegels im Gewäs-ser eine Speicherung (channel storage) darstellt,deren Wirksamkeit wesentlich vom Gerinne-querschnitt abhängt. Einen sprunghaften Zu-wachs an Speichervolumen mit steigender Nie-derschlagsmenge bzw. -jährlichkeit bewirken z.B.Ausuferungen und Vorlandüberflutungen.

Zu den klimatischen Randbedingungen imweiteren Sinne gehören neben dem Vorherrschenbestimmter Niederschlagstypen und -formenauch der Entwicklungszustand der Vegetation(Phänologie) sowie der tendenzielle Feuchtezu-stand des Bodens zu einer bestimmten Jahreszeit.Konsequenz hieraus ist, dass auch die Speicherei-genschaften eines Einzugsgebiets tendenziell ei-nem jahreszeitlichen Gang unterworfen sind.

2.4 EINFLUSS DER LANDBEDECKUNG AUF DIE ABFLUSSBILDUNG

Landnutzung ist nach Veldkamp & Fresco(1996) eine menschliche Aktivität, die direkt Ein-fluss auf das Land ausübt, seine Ressourcen nutztoder durch Eingreifen in ökologische Prozessedas Funktionieren der Landbedeckung beein-flusst.

In der Regel wird Landnutzung in Europa indie folgenden drei Hauptkategorien unterteilt(Veeneklaas et al., 1994; bmelf, 1996a):

(1) Siedlungs-, Verkehrs- und Industrieflächen.(2) Landwirtschaftlich genutzte Flächen.(3) Forstwirtschaftlich genutzte und naturnahe

Flächen.

Landbedeckung beschreibt im Gegensatz dazu dieErscheinungsform der Landoberfläche, die sichaus der Landnutzung und deren Bewirtschaftungs-weise ergibt. Die Landbedeckung unterliegt derjahreszeitlichen Dynamik der Phänologie und da-mit dem aktuellen Zustand von Vegetation undBoden. Häufig wird der Begriff Landnutzung je-doch auch als Überbegriff für Landbedeckungund Landnutzung im engeren Sinne verwandt.

In der hydrologischen Mesoskala stellen sich dieLandnutzungskategorien nicht als homogene Ein-heiten, sondern durch maßstabsbedingte Genera-lisierung als Gemisch aus verschiedenen Formender Landbedeckung dar. So enthalten Siedlungs-flächen Gärten, Grünstreifen, Parks und Baum-bestände. Landwirtschaftlich genutzte Flächenund Waldflächen schließen umgekehrt Wege,Straßen und einzelne Gebäude mit ein.

Der Einfluss der Landbedeckung auf die Ab-flussbildung erstreckt sich im Wesentlichen aufdrei Bereiche:

(1) Bedeckung der Oberfläche und deren Einflussauf die oberirdische Speicherung von Wasserdurch Interzeption, Streuspeicherung und Be-netzung der Bodenoberfläche.

(2) Beschaffenheit der Bodenoberfläche und derenEinfluss auf die Infiltration.

(3) Bodeneigenschaften und deren Einfluss auf In-filtration und Bodenwasserbewegung.

Die folgende Beschreibung der Landnutzungska-tegorien konzentriert sich deshalb auf diese drei

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Parameter der einzelnen Landbedeckungen undderen Interpretation im Rahmen der vorliegen-den Fragestellung. Im Weiteren werden aber auchEinflüsse auf die Abflussbildung genannt, diesich aus charakteristischen Mustern der Landnut-zung wie z.B. der Feldgröße oder dem landwirt-schaftlichen Wegenetz ergeben.

Auf eine systematische Auflistung von Para-meterwerten für die abflussbildungsrelevantenEigenschaften der Landnutzung und -bedeckungwird in dieser Arbeit aus Platzgründen verzichtet.Eine umfangreiche Zusammenstellung von Wer-ten aus der hier zitierten Literatur ist jedoch inBronstert et al. (2001) enthalten.

2.4.1 Siedlungen

In der Siedlungswasserwirtschaft gilt nach din4045 (Deutsches Institut für Normung,1985) lediglich der befestigte und undurchlässigeTeil des an die Kanalisation angeschlossenen Ent-wässerungsgebietes als versiegelte Fläche. Im fol-genden wird Versiegelung allgemeiner als Überbe-griff für eine Abdichtung der Bodenoberflächeaufgrund von Baumaßnahmen wie Straßen,Gehwegen, Parkplätzen und Häusern verwendet.Der Anschluss an eine Kanalisation verstärkt je-doch den unstrittig hochwasserverschärfendenEinfluss dieser Abdichtung, welcher in modernenEntwässerungssystemen teilweise durch unterir-dische Rückhaltebecken abgemildert wird.

Harms (1986) fasst die Auswirkungen derVersiegelung, der Bodenoberfläche und des Aus-baus der Entwässerungssyteme als Urbanisie-rungseffekte zusammen. Potenzielle Auswirkun-gen von Versiegelung auf das Hochwassergesche-hen sind nach Harms (1986):

(1) Erhöhung der Scheitelabflüsse insbesondere vonHochwassern kleiner bis mittlerer Jährlichkei-ten infolge der geringen Verzögerung undSpeicherung auf versiegelten Oberflächen.

(2) Vergrößerung der Hochwasserfülle aufgrund dergeringen Speicherkapazität versiegelter Ober-flächen.

(3) Zeitliche Vorverlagerung der Wellenscheitel auf-grund (a) schneller oberirdischer Fließprozes-se auf Flächen mit oft geringer Oberflächen-rauigkeit und (b) rascher Ableitung des anfal-

lenden Niederschlagswassers bei gutemAnschluss an die Kanalisation oder einen Vor-fluter.

Das Ausmaß dieser möglichen Auswirkungen istnach Verworn & Harms (1984) auf Einzugsge-bietsebene abhängig von (1) dem Anteil versiegel-ter Flächen im Gebiet, (2) der Lage der versiegel-ten Flächen im Gebiet, (3) der Abflussbereitschaftder versiegelten Böden vor deren Versiegelung,(4) den Feuchtebedingungen zu Beginn des Er-eignisses, (5) der Größe und dem Typ des Nieder-schlagsereignisses sowie (6) der Einzugsgebiets-größe.

Untersuchungen zeigen, dass mit zunehmen-der Ereignisjährlichkeit der Einfluss der Versiege-lung zurück geht, weil dann auch das Speicher-vermögen unversiegelter Bereiche erschöpft wird(Bayerisches Landesamt für Wasserwirt-schaft, 1998; Koehler, 1996; Meijering, 1995).Weitere Beispiele für den Einfluss von Versiege-lung auf die Hochwasserentstehung finden sichbei Mendel et al. (1997) und Mendel (2000).

Auf die Bedeutung der Lage anthropogen be-einflusster Teilflächen im Einzugsgebiet wurdebereits hingewiesen. Ein Beispiel dafür, dass Ver-siegelung auf einer Teilfläche eines Einzugsge-biets nicht zwingend zu einer Erhöhung derScheitelabflüsse am Gebietsauslass führen muss,gibt Vischer (1993). Er geht in seiner Studie da-von aus, dass sich Einflüsse von Versiegelung imunteren Teil und Waldzunahme im oberen Teilseines Einzugsgebiets ungefähr kompensiert ha-ben müssen, da keine signifikante Änderung derHochwasserabflüsse festgestellt werden konnte.Für dieses Phänomen wurde in bester Ingenieurs-tradition der Euphemismus ›Vorentlastung‹ ge-schaffen.

Versiegelungsgrad

In ländlichen Siedlungen und städtischen Voror-ten kann der Anteil abgedichteter Flächen an derSiedlungsfläche mit bis zu 30 %, in den Kernstäd-ten mit bis zu 90 % veranschlagt werden (Koeh-ler, 1993). Industriegebiete weisen in der Regelhohe Versiegelungsgrade zwischen 75 und 90%auf (Senatsverwaltung für Stadtentwick-lung, Umweltschutz und Technologie,1997).


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Im Zeitraum von 1945 bis 1989 hat sich in derbrd der Anteil der Siedlungs- und Verkehrsflä-chen an der Gesamtfläche von 6% auf 12,5%mehr als verdoppelt (Bachmann-Erdt, 1994).Durch die Wiedervereinigung mit den neuenBundesländern ist der Bundesdurchschnitt derSiedlungs- und Verkehrsfläche auf 11,5% gesun-ken (Stand 1993), weil das Gebiet der ehemaligenddr mit durchschnittlich 7,9% deutlich wenigerstark überbaut ist (Bismuth et al., 1998).

Vegetationsbedeckungsgrad

Nach einer für Berlin durchgeführten Untersu-chung reicht der Vegetationsbedeckungsgrad vonetwa 30% in Bereichen mit geschlossener Bebau-ung bis zu 95% in der äußeren Randzone (Suk-kop & Wittig, 1998). Im Kernbereich andererStädte liegt der Vegetationsbedeckungsgrad je-doch noch deutlich unter 30%.

Bodeneigenschaften

Bedingt durch Umlagerung, Vermengung mittechnogenen Materialien und Kontaminationenweisen städtische Böden häufig eine nur geringebiologische Aktivität und schlechtere Infiltrati-onsbedingungen auf als vergleichbare Böden imUmland.

2.4.2 Ackerland

In der brd werden nach bmelf (1996b) mehr alsdie Hälfte (53,5%, Stand 1993) der Fläche land-wirtschaftlich genutzt. Dennoch ist der Einflussder Landwirtschaft auf die Hochwasserentste-hung bisher aufgrund der Vielschichtigkeit derEinflussfaktoren nur unzureichend untersucht(Bronstert et al., 1995). Noch mehr als für dieForschungsarbeiten zu den Einflüssen von Versie-gelung gilt hier die Beschränkung der Arbeitenauf Hangparzellen und kleine Einzugsgebiete. Ge-rade die im Rahmen der Erosionsforschunggewonnenen Erkenntnisse über den Oberflä-chenabfluss auf landwirtschaftlichen Flächen beiStarkregen stützen sich häufig auf Beregnungsver-suche, die auf kleinen Parzellen von selten mehrals 100 m² Grundfläche durchgeführt werden.Rückschlüsse auf unterirdische Fließprozesse las-sen diese Untersuchungen meist nicht zu. DasHauptaugenmerk bodenphysikalischer Untersu-

chungen im landwirtschaftlichen Bereich liegtdahingegen eher auf dem für das Pflanzenwachs-tum wichtigen längerfristigen Wasserhaushalt derBöden. Aussagen über laterale Fließprozesse imBoden sind deshalb auch anhand dieser Untersu-chungen kaum möglich. Eine Übersicht zu Stu-dien der Abflussbildung auf landwirtschaftlichgenutzten Flächen bieten Feldwisch (1999),Mendel et al. (1997) und Mendel (2000).

2.4.2.1 Einflüsse in der lokalen Skala

InterzeptionZur Interzeption in landwirtschaftlichen Pflan-zenbeständen hat Hoyningen-Huene (1983) de-taillierte Untersuchungen durchgeführt. Er bezif-fert neben der maximalen Speicherkapazität auchdie maximale Niederschlagshöhe, die noch zurAuffüllung des Interzeptionsspeichers führt.Überschreitet die Niederschlagsmenge 15 mm, sowird die Wirkung der Interzeption bezogen aufdie Gesamtniederschlagsmenge immer unerheb-licher.

Angaben zur Interzeptionsspeicherkapazitätlandwirtschaftlicher Pflanzenbestände werdenhäufig aus dem Blattflächenindex abgeleitet, dersich aus Quadratmetern Blattoberfläche bezogenauf 1 m² Bodenoberfläche ergibt (Dyck & Pesch-ke, 1995). Angaben zum Blattflächenindex ver-schiedener Ackerfrüchte finden sich unter ande-rem bei Hough (1990), Hoyningen-Huene(1983), Menzel (1997), Meuser et al. (1990) undSchrödter (1985). Aus dem Blattflächenindexund dem Vegetationsbedeckungsgrad (Pfaff, 1984)ergeben sich Speicherkapazitäten für Nieder-schlag zwischen 1 und 3 mm, jedoch selten mehrals 5 mm. Dem Entwicklungszustand des Pflan-zenbestandes entsprechend unterliegt die Inter-zeptionsspeicherkapazität starken jahreszeitlichenSchwankungen.

Bodeneigenschaften

Die Porengrößenverteilung, ihr Volumen undihre Kontinuität haben entscheidenden Einflussauf die Abflussbildung infolge von Starknieder-schlägen. Die Porengrößenverteilung der Primär-poren steht in einem engen Zusammenhang zurKorngrößenzusammensetzung der Bodenmatrix(Schachtschabel et al., 1992).

Grundlagen

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Während die Primärporen jedoch vorwiegendvon der Substratzusammensetzung vorgegebensind, hängt die Entstehung von Sekundärporenwie Schrumpfungsrissen, Wurzel- und Tiergän-gen stark von der Landnutzung und deren Be-wirtschaftungsweise ab (siehe hierzu die Ab-schnitte zu Makroporen in Kap. 2.2.2 undKap. 2.2.3.2).

Das aktuelle Speichervermögen eines Bodensist stark von den Feuchtebedingungen zu Beginndes Niederschlagsereignisses abhängig. Da derBereich der Feinporen im humiden Klimabereichnur sehr selten entleert wird, kann jedoch bereitsdas Volumen der Mittelporen als maximalspeicherbare Niederschlagsmenge angesehen wer-den. Nach Schachtschabel et al. (1992) liegtdieses für Böden mit geringen Anteilen an orga-nischer Substanz bei einer angenommenenMächtigkeit von 1 m in etwa zwischen 50 undi50 mm. Die Internationale Kommission zumSchutze des Rheins (1999) gibt als Größenord-nung einen Bereich von 100 bis 300 mm an.

Nach einer Zusammenstellung verschiedenerUntersuchungen in Schiffler (1992) und Wer-ten von Bronstert (1994) kann der Anteil vonSekundärporen/Makroporen am Gesamtboden-volumen bis zu 3 Vol.-% ausmachen. Nach Tei-wes (1988) ist jedoch die Kontinuität der Porenfür die Wasserleitung oft wichtiger als deren Ge-samtvolumen. Ein weiteres Kriterium für denBeitrag von Makroporen zum Infiltrationsprozessist deren Anschluss an die Bodenoberfläche.

Die Infiltrationsbedingungen werden außer-dem entscheidend vom Bodengefüge an der Bo-denoberfläche geprägt. Die Stabilität der einzelnenBodenaggregate ist an die Korngrößenzusam-mensetzung des Bodens gebunden und sinkt mitsteigendem Schluff- und sinkendem Tongehalt(Helming et al., 1995). Insbesondere Böden mithohem Schluffgehalt, wie sie an lössbeeinflusstenStandorten vorherrschen, zeigen nach Auers-wald (1993) eine hohe Verschlämmungsneigung.Aufgrund der guten Speichereigenschaften befin-den sich diese Böden dennoch häufig in land-wirtschaftlicher Nutzung. Im Rahmen der Erosi-onsforschung wurden zahlreiche Untersuchun-gen zur zeitlichen Variabilität und denAuswirkungen von Verschlämmung auf die Ent-stehung von Infiltrationsüberschuss durchge-

führt (Auerswald, 1993; Beisecker, 1994; Ber-kenhagen, 1998; Burt & Slattery, 1996; Röm-kens et al., 1995; Roth et al., 1995; Schröder,2000).

Bewirtschaftung

Eine Befahrung mit hohen Achslasten und zu un-günstigen Zeitpunkten kann bei geringer Gefü-gestabilität zur Verdichtung des Bodens und da-mit zur Abnahme des Porenvolumens führen.Das Ausmaß langjähriger Verdichtung beschreibtbeispielsweise Fenner (1997) für einen Acker-standort auf Löss. Als Folge von 20jähriger Be-fahrung und Bodenbearbeitung ging das Grob-porenvolumen an diesem Standort in 40 cm Tie-fe von ursprünglich über 20 Vol.-% um zwischen45% und 60% zurück. Die Verdichtungserschei-nungen ließen sich in bis zu 70 cm Bodentiefenachweisen.

Das Belassen von Ernterückständen auf demFeld und dessen Bedeckung mit Stroh oderFremdmaterialien wird in der landwirtschaftli-chen Praxis als Mulchung bezeichnet (Leichtfuss& Kivumbi, 1995). Dieses Verfahren stellt nachHelming et al. (1995) einerseits einen wirksamenSchutz gegen Erosion und Oberflächenver-schlämmung dar. Andererseits nehmen Vegetati-onsrückstände und organische Düngung auchEinfluss auf das Bodengefüge, da sie den mikro-biellen Abbau fördern und als Nahrungsgrundla-ge für Bodenorganismen dienen, die durch ihreAktivität zur Lockerung des Bodens beitragen.Mehrere Studien belegen den positiven Einflussvon organischer Düngung und Mulchsaat aufden Regenwurmbesatz und damit die Entstehungvon Makroporen (Frede et al., 1992; Joschko &Brunotte, 1992; Roth & Joschko, 1989; Sieg-rist et al., 1998).

Untersuchungen über den Einfluss von kon-ventioneller Bewirtschaftung auf das Porenvolu-men werden häufig im Vergleich zu konservieren-der Bodenbearbeitung oder dem Direktsaatverfah-ren angestellt. Konservierende Bodenbearbeitungverzichtet auf den Pflugeinsatz. Die Bodenbear-beitung erfolgt dabei in der Regel nur mit einemGrubber, der den Boden zwischen 5 und 8 cm an-hebt und dabei nicht wendet. Beim Direktsaat-verfahren wird bis auf die Anlage von Sähschlit-zen keine Bodenbearbeitung durchgeführt. Un-


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tersuchungen von Beisecker (1994), Frede et al.(1994) und Semmel & Horn (1995) zeigen, dassbei Pflugbearbeitung die Porosität oberhalb derPflugsohle in der Regel höher, darunter jedochmeist geringer ist als bei konservierender Boden-bearbeitung bzw. dem Direktsaatverfahren, dadiese Verfahren die Ansiedlung von Bodenorga-nismen begünstigen. Ist die Pflugsohle durchlangjährige Pfluganwendung stark verdichtet, sokann sie als sperrende Schicht wirken. NegativeAuswirkungen konservierender Bodenbearbei-tung können bei strukturschwachen Sand-, Fein-sand- und Schluffböden entstehen, die zur Ver-dichtung neigen.

2.4.2.2 Einflüsse in der Hangskala

Im Hangmaßstab treten weitere Einflussgrößenhinzu, die in landwirtschaftlich genutzten Gebie-ten zu einer anthropogen veränderten Abflussbil-dungssituation führen. Im wesentlichen sind dieslinienhafte Elemente wie Straßen, Wege, Feldrai-ne, Hecken, Fahrspuren oder Gräben. AuchDrainagen zählen zu diesen linienhaften Elemen-ten. Die tiefgreifendsten Veränderungen in derHangskala sind in Deutschland das Ergebnis derseit 1953 systematisch durchgeführten Flurberei-nigung.

Eine systematische Quantifizierung der Ein-flüsse agrarischer Nutzung auf die Abflussbildungin der Hangskala ist bisher nicht gelungen. Dem-entsprechend können auch keine Parameter fürdie einzelnen Einflussgrößen formuliert werden.Die folgenden Ausführungen beschränken sichdeshalb auf die Beschreibung der Wirkungsme-chanismen und exemplarischer quantitativer Stu-dien.

Linienhafte Landschaftsstrukturelemente

Je nach ihrer Ausdehnung, Kontinuität und Aus-richtung zur Falllinie können linienhafte Land-schaftsstrukturelemente entweder Leitbahnenoder Barrieren für Wasser darstellen.

Insbesondere wirksam für die Entstehung undKonzentration von Oberflächenabfluss sind ge-ringdurchlässige Oberflächen in Gefällerichtung(Burt & Slattery, 1996). Hierzu zählen:

(1) Wege und Straßen.

(2) Erodierte und verschlämmte Talweg-Rillen aufAckerflächen.

(3) Fahrspuren von landwirtschaftlichen Fahrzeu-gen.

Mit dem Zusammenhang von Talwegerosion undOberflächenabfluss beschäftigt sich beispielswei-se Baade (1994), der davon ausgeht, dass Ober-flächenabfluss entlang des Talweges bis zu 50%zum Austrag von Bodenmaterial aus dem vonihm untersuchten Lössgebiet beiträgt. Souchereet al. (1998) untersuchten den Effekt der Pflug-richtung auf die Richtung des Abflusses. Dafürwurde in einem lehmigen Gebiet die Hangnei-gungsintensität und die Abweichung der Pflug-richtung vom steilsten Gefälle betrachtet. IhrenBeobachtungen nach folgte der Oberflächenab-fluss auf über 50% der Beispielsflächen der Bear-beitungsrichtung.

Die genannten linienhaften Landschaftsele-mente stellen außerdem effektive Leitbahnen vonOberflächenabfluss zum Gerinne dar (Luft &Morgenschweis, 1984). Wirksame Hindernissefür die Konzentration von Oberflächenabflusssind hingegen hangparallel angelegte Grünstrei-fen, Raine und Hecken (Hach & Höltl, 1989).

Drainagen

Den Einfluss von Drainagemaßnahmen auf dieAbflussbildung bei Hochwasser beschreibt Ro-binson (1990). Haupteinflussfaktoren sind da-nach im Hangmaßstab:

(1) Die Bodenart.(2) Die Art der Drainage (Entwässerungsgräben

oder unterirdische Drainagen).(3) Die Art der Vernässung (Staunässe oder

Grundwasserbeeinflussung).

Während der Einfluss von Drainagen auf das Ab-flussvolumen von Robinson (1990) als gering ein-gestuft wird, führen Drainagemaßnahmen beigut durchlässigen Böden zu einer beschleunigtenAbflussreaktion mit erhöhten Scheitelwerten. Die-se Abflussverschärfung ist für offene Gräben hö-her als für unterirdische Drainagen. Bei Tonbö-den ohne Trockenrisse führen Drainagemaßnah-men hingegen eher zu einer Reduzierung derHochwaserscheitelabflüsse.

Grundlagen

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FlurbereinigungEine umfassende Literaturstudie zu den Auswir-kungen von Flurbereinigungsmaßnahmen aufdas Abflussverhalten ländlicher Einzugsgebietehaben Bronstert et al. (1993, 1995) vorgelegt.Die für die Abflussbildung bei Hochwasser wich-tigsten Maßnahmen der Flurbereinigung lassensich danach für den Hangmaßstab wie folgt zu-sammenfassen:

(1) Neugestaltung der Grundstücke durch Vergrö-ßerung der Schläge, Beseitigung von Klein-strukturen, Auffüllung von Mulden und Än-derung der Bewirtschaftungsrichtung.

(2) Umnutzung der Grundstücke durch Rodungbzw. Aufforstung von Wald oder Umwand-lung von Grünland zu Äckern.

(3) Landwirtschaftlicher Wegebau und Gestaltungder Wegseitengräben.

(4) Meliorationen durch Anlage von Entwässe-rungsgräben, Einbau von Drainagerohrenund Tieflockerung.

Beispielsweise von Dikau (1983) im Kraichgaudurchgeführte Parzellenversuche zeigen, dass dieZunahme der Hanglänge, die eine Vergrößerungder Schläge mit sich bringt, auf brachliegendenFlächen zu größeren Volumina an Oberflächen-abfluss führt. Bewirtschaftung in der Falllinieführt nach Baade (1994) ebenfalls zu verstärktemOberflächenabfluss. Zu den negativen Folgen,die sich aus der Beseitigung hanggliedernder Ele-mente wie Hecken, Feldrainen, begrünten Feld-zwischenräumen, Terrassenmauern oder Wegenfür die Abflussbildung bei Hochwasser ergebenhaben, gibt es, wie Bronstert et al. (1993) ver-merken, bisher nahezu keine gezielten Untersu-chungen.

Nach Bachmann-Erdt (1994) kommen auf100 ha Ackerfläche ungefähr 4,9 km oder 1,5 haWirtschaftswege. Bei bundesweit etwa20 Mio. ha landwirtschaftlicher Fläche ergibtdies eine Fläche von 0,3 Mio. ha Wirtschaftswe-gen, was der Versiegelungswirkung von ca. 50%aller Straßen Deutschlands entspricht. Abfluss-verschärfend wirken sich landwirtschaftlicheWege vor allem dann aus, wenn sie in der Fallli-nie verlaufen und tiefer als das angrenzende Ge-lände angelegt sind.

Die wahrscheinlich umfangreichsten Studienzum Vergleich benachbarter Gebiete mit undohne Flurbereinigungsmaßnahmen wurden inSüddeutschland in zwei kleinen hydrologischenTestgebieten mit Weinbaunutzung durchgeführt.Dabei treten im rebflurbereinigten Gebiet alsFolge sommerlicher Starkniederschläge Scheitel-abflussspenden auf, welche z.T. um mehr als das20fache über denen eines vergleichbaren unberei-nigten Gebiets liegen. Von Luft & Morgen-schweis (1984) werden hierfür vor allem (1) dieBodenverdichtung bedingt durch Planierung derTerrassenflächen und Umlagerung des Lössmate-rials, (2) die flächenhafte Drainage und (3) das as-phaltierte Wegenetz verantwortlich gemacht.Doch auch wenn die beiden Testgebiete währendder 1970er Jahre als Repräsentativgebiete einge-richtet wurden, sind die dort gewonnenen Er-kenntnisse aufgrund der besonderen physiogra-phischen Gegebenheiten nur bedingt auf andereGebiete übertragbar.

2.4.3 Grünland

Grünland ist einerseits eine landwirtschaftlicheNutzungsform, deren Entwicklungszustand ei-nem Zyklus von Mahd oder Beweidung unter-liegt. Andererseits kann es als heterogener Vegeta-tionsbestand je nach Nutzungsintensität imGleichgewicht mit natürlichen Einflüssen stehen.Im Gegensatz zu Ackerkulturen ist eine Wiese einGemisch aus verschiedenen Gräsern und Kräu-tern, die unterschiedliche Entwicklungsverläufenehmen können.

Interzeption

Bedingt durch unterschiedliche Bewirtschaf-tungsweisen und Standorteigenschaften zeigenAngaben zum Blattflächenindex von Grünlandeine große Schwankungsbreite (Fennessy & Xue,1997; Finch, 1998; Geyger, 1977; Münch, 1993;Ulaby et al., 1984). Hinzu kommt, dass Grün-land in fast allen Höhenstufen vertreten ist, die inDeutschland vorkommen (Geyger, 1977). Nachden genannten Studien kann die Interzeptions-speicherkapazität von Grünland mit 1–3 mm ver-anschlagt werden. Die Länderarbeitsgemein-schaft Wasser (1995) gibt als Richtwert bis zu2 mm an.


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BodeneigenschaftenDie Bodenverhältnisse unter Grünland könnensehr unterschiedlich sein. In der kollinen Höhen-stufe werden meist nur Flächen für Grünland ge-nutzt, die entweder zu feucht und schwer oder zutrocken und unfruchtbar für landwirtschaftlicheNutzung sind. Durch Beweidung kann es zu Ver-dichtung des Bodens und Trittschäden an derGrasnarbe kommen, die eine schnelle Infiltrationverhindern.

2.4.4 Sonderkulturen, Kleingärten und Büsche

Unter Sonderkulturen versteht man landwirt-schaftliche Spezialkulturen, die meist mehrjährigund unter großen Investitionskosten außerhalbder üblichen Fruchtfolge angebaut werden. Dazugehören Obstplantagen, Baumschulen, Rebland,Hopfen, Tabak oder Heil- und Gewürzpflanzen.Diese stark anthropogen geprägten Landnutzun-gen treten in der Regel nur kleinflächig auf. DaSonderkulturen von ihrer Struktur her Ähnlich-keit mit Büschen und Sträuchern haben, werdensie im folgenden gemeinsam betrachtet. Gleichesgilt für Kleingärten, die bei intensiver Bewirt-schaftung häufig ebenfalls einen hohen Strauch-anteil aufweisen. Großflächige Buschlandschaf-ten sind in Mitteleuropa als potenzielle natürli-che Vegetation nicht vorhanden. IhreVerbreitung beschränkt sich auf temporäre Suk-zessionsstadien im Übergang zu Wald, dessenUnterwuchs und auf Lichtungen (Ellenberg,1996).

Interzeption

Aufgrund der Heterogenität des Vegetationsbe-standes von Sonderkulturen, Kleingärten undbuschbestandenen Flächen verbieten sich pau-schale Aussagen zu deren Interzeptionskapazität.Nach Angaben von Menzel (1997) und Münch(1993) dürfte die Speicherleistung jedoch 2 mmkaum übersteigen.

Bodeneigenschaften

Böden von Sonderkulturen sind in der Regelstark mit organischer Substanz, Dünger und Pes-tiziden angereichert. Oftmals werden diese Flä-chen bewässert und häufig umgebrochen. Beson-

ders in Kleingärten kommt es zur Anreicherungvon humosem Oberboden.

2.4.5 Wald

Bewaldeten Flächen wird in der Regel eine ab-flussdämpfende Wirkung zugesprochen. Diewichtigsten Eigenschaften von Wald, die diesepositive Konnotation forstlicher Nutzung stüt-zen, sind nach Hewlett (1982) folgende:

(1) Durch die gegenüber anderen Nutzungen er-höhte Interzeption und die starke Transpirati-on von Waldbeständen ist die Bodenfeuchteunter Waldbeständen im Sommer und Herbstin der Regel geringer als im Umland, was indiesem Zeitraum ein erhöhtes Aufnahmever-mögen des Bodens für Wasser zur Folge hat.

(2) Die Infiltrationskapazität von Waldböden istmeist höher als die von Ackerland. Begründetist dies in einer verringerten Bearbeitungsin-tensität, stärkerer Durchwurzelung, oft höhe-rer Bioaktivität, aber auch in einem gegenü-ber Ackerstandorten häufig gröberem Aus-gangssubstrat.

(3) Zusammenhängende Bodengefrornis ist un-ter Waldbeständen selten, so dass auch imWinter die Aufnahmefähigkeit des Bodens fürWasser weitestgehend erhalten bleibt.

Interzeption

Die Interzeptionsspeicherung von flüssigem Nie-derschlag beträgt nach Länderarbeitsgemein-schaft Wasser (1995) für Wald bis zu 5 mm. De-tailliertere Angaben finden sich unter anderembei Dyck & Peschke (1995), Menzel (1997) undMünch (1993). Zur abflussdämpfenden Wir-kung trägt außerdem die Oberflächenabflusshemmende Streu bei (Uhlenbrook & Leibund-gut, 1997).

Die Internationale Kommission zumSchutze des Rheins (1999) weist außerdem aufdie kumulative Wirkung der Interzeption hin, dieim Jahresmittel ungefähr 25% des Freilandnie-derschlages ausmacht (Nadelwald, 30–50%;Laubwald, 15–20%; Landwirtschaft, 10%). Un-ter Beständen mit hoher Interzeptionsspeicherka-pazität wird die Auffüllung des sommerlichenBodenwasserdefizits gegenüber niederwüchsigen

Grundlagen

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Beständen um bis zu zwei Monate hinausgezö-gert. Die Aufnahmefähigkeit des Bodens fürWasser bleibt somit länger erhalten.

Bodeneigenschaften

Bei der Parameterisierung von Waldböden ist dasAusgangssubstrat sehr wichtig, weil es Einflussauf die Zusammensetzung des Waldes hat. Meistsind Waldböden ausreichend mit organischerSubstanz versorgt. Besonders in Nadelwäldernzeigen sich starke Versauerungserscheinungen.

Durch die starke Durchwurzelung kommt eszu starker Sekundärporenbildung. Nach Rich-ter (1986) können Makroporen bis zu 35% desPorenvolumens eines Waldbodens einnehmen.

Bewirtschaftungsweise

Calder (1992) geht davon aus, dass die Art derBewirtschaftung des Waldes einen potenziell grö-ßeren Einfluss auf das Abflussverhalten vonWaldflächen hat als die An- oder Abwesenheitdes Waldes an sich. Zu den Einflussfaktoren derforstwirtschaftlichen Nutzung auf den Hochwas-serabfluss zählen vor allem:

(1) Weitgehende Bodenversiegelung durch We-gebau zur Abfuhr des Holzes.

(2) Anlage von Entwässerungsgräben.(3) Verdichtung des Bodens durch Befahrung mit

hohen Achslasten.(4) Erhöhte Anfälligkeit für Waldschäden in öko-

logisch labilen forstlichen Monokulturen.

Die möglichen Folgen solcher Eingriffe wurdenbereits im Zusammenhang mit der Bewirtschaf-tung von Ackerflächen (Kap. 2.4.2) besprochen.

Einfluss der geomorphologischen Verhältnisse

In der Vergangenheit wurde die hochwasser-dämpfende Wirkung von Wald häufig sehr un-differenziert gepriesen. Dass diese Wirkung nichtzwangsläufig zum Tragen kommt, betont wieder-um Hewlett (1982), der den immensen Einflussvon Bodenmächtigkeit, -textur und -lagerung aufdie Hochwasserentstehung hervorhebt. Stocktder Wald auf geringmächtigen Böden mit gro-bem Substrat, so können unterirdische Fließpro-zesse auch auf Waldflächen eine rasche Abflussre-aktion hervorrufen.

Wie sehr der Einfluss des Waldes gegenüber dengeomorphologischen Rahmenbedingungen einesGebietes in den Hintergrund treten kann, wirdauch durch aktuelle empirische Untersuchungenbelegt:

Bei Beschta et al. (2000) beispielsweise fin-det sich eine statistische Analyse von Hochwas-sermaxima verschiedener bewaldeter Einzugsge-biete in Oregon. Die langjährigen Abflussmess-reihen, die hierfür verwendet wurden, deckenjeweils Zeiträume vor und nach Kahlschlägen ab.Für kleine Einzugsgebiete zwischen 60 und100 ha konnte auf diese Weise ein hochwasserver-schärfender Einfluss des Kahlschlages auf dieHochwassersituation nachgewiesen werden. Die-ser Einfluss lag für Ereignisse mit einer Jährlich-keit zwischen 1 und 5 Jahren bei 6 bis 9% Anstiegdes Abflussmaximums, war jedoch bereits für Er-eignisse mit einer Jährlichkeit von mehr als5 Jahren statistisch nicht mehr signifikant. In me-soskaligen Einzugsgebieten mit einer Größe von60 bis 640 km² war ein Einfluss von Kahlschlä-gen auf die Hochwasserentstehung selbst für klei-ne Hochwasserereignisse statistisch nicht mehrzweifelsfrei nachweisbar.

2.4.6 Schlussfolgerungen für den Einfluss der Landbedeckung

2.4.6.1 Einfluss der Landnutzung auf die natürlichen Prozesse

InterzeptionIn Wäldern werden tendenziell die höchstenWerte für die Interzeptionsspeicherung erreicht.Allerdings liegen die jahreszeitlichen Schwankun-gen der Speicherkapazität insbesondere bei Laub-wald in derselben Größenordnung wie die Unter-schiede zwischen den einzelnen Landnutzungen.Im Verhältnis zum Volumen hochwasserauslö-sender Niederschläge ist der absolute Betrag derInterzeptionsspeicherkapazität eher klein.

Für die Entwicklung der Bodenfeuchte ist diekumulative Wirkung der Interzeption bedeutsam(siehe Kap. 2.4.5).

Infiltration und unterirdische Fließprozesse

Die Infiltrationseigenschaften eines Bodens sindbei grobkörnigen Böden mit hohem Sandanteil


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bereits weitgehend durch deren Korngrößenzu-sammensetzung vorgegeben. Gerade bei Bödenmit hohem Schluff- und/oder Tongehalt nimmtdie Landbedeckung aber erheblichen Einfluss so-

wohl auf die Beschaffenheit der Bodenoberfläche alsauch die Bodenstruktur. Die besten Infiltrations-bedingungen finden sich in grobkörnigen Bödenund in gut strukturierten feinkörnigen Böden.

Letztere können sich vor allem in weitgehend un-gestörten Bereichen mit hohem Vegetationsbede-ckungsgrad und hoher biologischer Aktivität wienatürlichen Mischwäldern oder Wiesen entwi-ckeln.

2.4.6.2 Beeinträchtigungender natürlichen Situation

Versiegelung

Eine Versiegelung der Bodenoberfläche stellt imHinblick auf die Abflussbildung den größtenEingriff in die natürlichen Prozesse dar. DerenEinfluss auf die Hochwasserentstehung ist jedochnicht allein vom Versiegelungsgrad, sondern beiAnschluss an ein Entwässerungssystem auch vonder Dynamik bzw. vom Speicherverhalten derKanalisation abhängig (siehe Kap. 2.4.1).

Verschlämmung und Verkrustung

Je nach Bewirtschaftungsweise entstehen beilandwirtschaftlicher Nutzung zeitweise Bereichemit geringer Vegetationsbedeckung. Diese Berei-che sind bei entsprechender Disposition des Bo-

dens verschlämmungsgefährdet. Verschlämmungführt durch Krustenbildung an der Bodenoberflä-che zu einer Verschlechterung des Infiltrations-vermögens (siehe Kap. 2.4.2).

Verdichtung

Eine Verdichtung des Bodens entsteht durch Be-fahrung mit schweren Maschinen oder durchZerstörung der Bodenstruktur infolge von Umla-gerungen. Beide Vorgänge sind Symptome einerintensiven Nutzung und vermindern das Infiltra-tions- und Speichervermögen eines Bodens.

Wegebau und Entwässerung

Die Flurbereinigung hat zu einer Ausräumungvon abflusshemmenden Landschaftselementenwie Hecken oder Feldrainen geführt. Gleichzeitigwurden durch den Wegeausbau und Meliorations-maßnahmen Leitbahnen für eine rasche Abfluss-reaktion geschaffen (siehe Kap. 2.4.2.2).

Eine Übersicht über die Prozesse und Beeinträch-tigungen des natürlichen Rückhaltes durchLandnutzungseinflüsse bietet Abb. 2.4, S. 21.

Abb. 2.4 Einflüsse der Landnutzung auf Interzeption, Abflussbildung und Abflusskonzentration

Abflusskonzentration

Unterirdische Fließprozesse

Infiltration

EntwässerungsgräbenDrainagerohre

WegenetzKanalisation

Verdichtung

VerdichtungVerschlämmung

Versiegelung

KahlschlagBrache

Prozesse

Interzeption

GewässerrandstreifenHecken

Feldraine

Grünstreifen

DurchwurzelungBiologische Aktivität

DurchwurzelungBiologische Aktivität

Vegetationsbedeckung

Vegetationsbedeckung

Dämpfende Einflüsse Verschärfende Einflüsse

Versiegelung

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2.5 LANDNUTZUNGSSZENARIEN

Unter einem Szenario versteht man die »hypothe-tische Aufeinanderfolge von Ereignissen, die zurBetrachtung kausaler Zusammenhänge konstru-iert wird« (Wissenschaftlicher Rat der Du-denredaktion, 1990). Die Erstellung von Sze-narien ist in der Unternehmensführung und Poli-tikberatung ein häufig praktizierter Ansatz, weiler die Möglichkeit bietet, die Folgen denkbarerEntwicklungen abzuschätzen und unerwünschteEntwicklungstendenzen durch korrigierendes Ein-greifen zu unterbinden (Bork et al., 1995).

Ein Szenario stellt eine mögliche Zukunft dar,die sich aus den Gesetzmäßigkeiten und Einfluss-größen eines Systems ableiten lässt. Szenarienwerden als Projektion verstanden, weil sie keineRechenschaft über die Entwicklung bis zu dieserSituation ablegen. Im Gegensatz zur Prognosemuss ein Szenario keine Aussage zu Eintrittszeit-punkt oder -wahrscheinlichkeit enthalten. DieSimulation von unwahrscheinlichen und extre-men Szenarien ermöglicht die Abgrenzung einerSystembeschreibung hinsichtlich ihrer Anwend-barkeit. Der zukunftsorientierte und flexibleCharakter von Szenarien macht diese auch für dieUmweltwissenschaften interessant.

In der vorliegenden Arbeit werden Landnut-zungsszenarien zur Abschätzung des Einflussesder Landbedeckung auf die Hochwasserentste-hung eingesetzt. Dieser Einfluss lässt sich am bes-ten anhand der Auswirkungen von Änderungender bestehenden Landnutzung und -bedeckunguntersuchen.

Die hierfür verwendeten Szenarien wurdenvon Uta Fritsch erstellt, die parallel zu dieserArbeit das Landnutzungsmodell luck entwickelthat. Ausführliche Darstellungen des Modells sindin Fritsch et al. (2000) und Bronstert et al.(2001) enthalten. Im folgenden werden lediglichAusgangspunkt und Grundprinzipien des Mo-dells beschrieben, soweit es für das Verständnisder verwendeten Szenarien erforderlich ist.

Ausgangspunkt für LUCK

In der Vergangenheit wurden bei Landnutzungs-szenarien für hydrologische Studien meist dieNachbarschaftsbeziehungen zwischen verschiede-

nen Landnutzungen und deren Lage im Raumvernachlässigt. Stattdessen wurden im einfachs-ten Fall prozentuale Flächenanteile der verschie-denen Landnutzungen gegeneinander verscho-ben (Wittenberg, 1974, Bultot et al., 1990;Liebscher et al., 1995; Grabs, 1997). Da Abfluss-bildungsprozesse aber nicht homogen im Raumverteilt ablaufen (siehe Kap. 2.2), ist die Topologieeiner Landschaft jedoch von entscheidender Be-deutung für den Einfluss der Landbedeckung aufdie Hochwasserentstehung.

Grundprinzipien von LUCK

Der Bedeutung der Topologie wird luck gerecht,weil es sowohl die Nachbarschaftsbeziehungen ei-ner Landnutzung als auch deren Lage innerhalbeines Gebietes berücksichtigt.

Grundlage für die Erstellung von Landnut-zungsszenarien mit luck sind räumliche Datenzu Topographie, Landnutzung und Böden einesGebietes. Diese Daten müssen als gerasterte digi-tale Karten (Grids) vorliegen, wie sie auch für dasin dieser Arbeit verwendete hydrologische Mo-dell wasim-eth benötigt werden (sieheKap. 4.2.1). Dies hat den Vorteil, dass auch eineveränderte Landnutzung direkt als digitale Kartein die hydrologische Modellierung einfließenkann. Die Szenarienerstellung gliedert sich inzwei Teilschritte:

(1) Ableitung des Betrages der Landnutzungsän-derung anhand von bereits bestehenden Un-tersuchungen (Szenarioziel).

(2) Umsetzung des Szenarioziels auf die Fläche.

Die räumlich explizite Umsetzung des Szenario-ziels bewerkstelligt luck anhand einer Analyse derNachbarschaft rund um eine Rasterzelle der digi-talen Landnutzungskarte sowie einer Bewertungder Standorteigenschaften einer jeweiligen Zelle.Aus diesen beiden Kriterien ergibt sich die Eig-nung einer Rasterzelle für die bestehende Land-nutzung bzw. deren Änderungsneigung. Bei derräumlichen Umsetzung der Änderungen werdenin einer iterativen Prozedur jeweils die Zellen mitder höchsten Änderungsneigung umgewandelt,bis das Szenarioziel erreicht ist.

Hydrologische Modellierung der Einflüsse

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2.6 HYDROLOGISCHE MODELLIERUNG DER EINFLÜSSE

2.6.1 Allgemeine Auswahlkriterien für hydrologische Modelle

Die Aussagekraft hydrologischer Modellierungs-ergebnisse hängt vor allem von der Güte der ver-wendeten Daten sowie von einer an die Fragestel-lung angepassten Repräsentation der beteiligtenhydrologischen Prozesse ab (De Vries & Hro-madka, 1992; Klemeš, 1986). Wichtige Kriterien,die sich hieraus für die Auswahl eines geeignetenModells ergeben, sind:

(1) Zweck der Modellanwendung (z.B. Hochwas-servorhersage, Prognose der Auswirkung vonKlimaveränderungen auf die Abflussbildungbei Hochwasser, Bestimmung der Grundwas-serneubildung).

(2) Größe des betrachteten Gebiets (z.B. Hangpar-zelle, meso- oder makroskaliges Einzugsge-biet).

(3) Zeitraum, der für die Fragestellung relevant ist(z.B. Wasserhaushaltsjahr, Hochwasserereig-nis, Niedrigwasserperiode).

(4) Hydrologische Prozesse, die für die zu lösendeProblemstellung von Bedeutung sind (z.B.Verdunstung, Makroporenfluss, Schnee-schmelze).

(5) Datenmaterial, das für die Modellierung zurVerfügung steht.

(6) Arbeitsaufwand, welcher der Fragestellung an-gemessen ist.

2.6.2 Bedeutung des Zeit- und Längenmaßstabes für die Modellierung

Die Erkenntnisse, die bisher über die Wechsel-wirkung der einzelnen Abflussbildungsprozesse beiHochwasser gewonnen wurden, sind im wesent-lichen eine Errungenschaft der Hydrologie imHangmaßstab (hillslope hydrology) sowie vonStudien in kleinen Einzugsgebieten (sieheKap. 2.4). Aufgrund der Skalenabhängigkeit derbeteiligten Prozesse und deren Beobachtung geltendiese Erkenntnisse aber streng genommen auchnur für den Maßstab in dem sie beobachtet wer-den, also für die Mikroskala nach Becker (1992).

Für die Ermittlung des Einflusses von Landnut-zungsänderungen auf das Hochwassergescheheneines Einzugsgebietes werden jedoch Daten zumEinfluss der einzelnen Prozesse in der Meso- bzw.Makroskala benötigt.

Die wichtigsten Faktoren der Skalenabhängig-keit hydrologischer Prozesse für die Einzugsge-bietsmodellierung sind nach Burt (1989), Beven(1991), Blöschl (1996) und Blöschl & Sivapa-lan (1995):

(1) Die räumliche Heterogenität der Gebietseigen-schaften (z.B. hydraulische Leitfähigkeit derungesättigten Zone).

(2) Die räumliche und zeitliche Variabilität derhydrologischen Prozesse (z.B. Sättigungsober-flächenabfluss) und Zustandsvariablen (z.B.Bodenfeuchtegehalt).

(3) Der sich mit dem Skalenbereich verschieben-de relative Einfluss der Abflussbildungsprozesseam Hang sowie der Fließprozesse im Gerinneauf den Abfluss aus einem Einzugsgebiet.

(4) Die räumliche und zeitliche Variabilität desNiederschlages sowie die sich mit dem Ska-lenbereich verschiebende Relevanz der Nie-derschlagstypen (siehe Kap. 2.3.1).

Ebenso sind auch die Modellvorstellungen, die zurBeschreibung der hydrologischen Prozesse entwi-ckelt werden, skalenabhängig, da sich die mathe-matische Beschreibung der Prozesse zwangsläufigan dem Skalenbereich orientieren muss, in demdie Prozesse beobachtet/gemessen werden können.

Blöschl (1996) und O’Connell & Todini(1996) weisen in diesem Zusammenhang daraufhin, dass prozessnahe Gleichungen zur Beschrei-bung von Infiltration und Wasserbewegung inder Bodenzone bislang weder im Hangmaßstabnoch auf Einzugsgebietsebene zur Verfügung ste-hen (siehe Tab. 2.1, S. 24).

Angesichts der gegenseitigen Abhängigkeitvon Modellierungs- und Beobachtungsmaßstab ge-hen Beven (1996) und Refsgaard et al. (1996)davon aus, dass die Entwicklung prozessnaherGleichungen im Hang- bzw. Einzugsgebietsmaß-stab an die Entwicklung neuer, größerskaligerMesstechniken gebunden ist. Diese Ansicht wird

Grundlagen

24

vor allem von der Hoffnung getragen, dass sichder mittlere Einfluss der kleinräumigen Hetero-genität der Gebietseigenschaften und der Variabi-lität der beteiligten Prozesse auf die Abflussbil-dung mit größerskaligen Messungen besser erfas-sen ließe als durch die Aggregierung vieler klein-skaliger Messungen, wie dies bis heute geschieht.Die Fähigkeit zur integralen Erfassung von Ge-bietseigenschaften und Prozessen wird in neuerenPublikationen am ehesten einer Kombination ausTracer- und Fernerkundungsmethoden zugespro-chen (z.B. Becker et al., 1999; Bonell, 1998).

2.6.3 Anforderungen an die hydrologische Modellierung

Hydrologische Modelle, mittels derer der Ein-fluss der Landnutzung bzw. von Landnutzungsän-derungen auf die Hochwasserentstehung quantifi-ziert werden soll, müssen im Sinne von Gut-knecht (1996) ›prozessorientiert‹ sein. Sie müssenzum einen die Prozesse bzw. allgemeiner die kau-salen Zusammenhänge berücksichtigen, die fürdie Hochwasserentstehung insgesamt relevant sind.Zum anderen muss sich der Einfluss der Land-nutzung auf die Abflussbildung sowohl in denModellparametern als auch der Prozessbeschrei-bung niederschlagen. Dabei sind insbesonderefolgende Faktoren wichtig:

(1) Bodenzone: Aufgrund der Schlüsselstellungder Bodenzone für die Abflussbildung beiHochwasser ist die Güte der Simulation eng

an eine geeignete Repräsentation der Bodeno-berfläche sowie der ungesättigten Zone imModell geknüpft (siehe Kap. 2.2).

(2) Landnutzung: Eigenschaften der Landnut-zung, die einen Einfluss auf die Beschaffen-heit der Bodenoberfläche sowie des Bodensselbst ausüben, müssen sich im Modell wie-derfinden. Außerdem müssen die Speicherei-genschaften der Vegetation wie Interzeptionund Streuspeicherung im Modell repräsen-tiert sein (siehe Kap. 2.4).

(3) Anfangsbedingungen: Von großer Bedeutungfür die Modellierung der Hochwassentste-hung ist neben den Bedingungen währenddes Ereignisses der Feuchtezustand des Ein-zugsgebietes vor Einsetzen des Niederschla-ges, weswegen die Güte der Modellierungentscheidend von der korrekten Erfassung derAnfangs- und Randbedingungen abhängt(siehe Kap. 2.3).

(4) Räumliche Verteilung: Aufgrund des Einflussesder Lage von Landnutzungsänderungen imEinzugsgebiet muss deren Verteilung bei derModellierung berücksichtigt werden (sieheKap. 2.4).

(5) Niederschlagseigenschaften: Da Intensität,Dauer und Ausdehnung eines Niederschlags-ereignisses entscheidend für das Simulations-ergebnis sind, muss das Modell außerdem de-ren raumzeitliche Dynamik widerspiegeln(siehe Kap. 2.3). Außerdem ist die Nieder-schlagsform (Regen oder Schnee) von Bedeu-tung.

Tab. 2.1 Prozessnahe Gleichungen für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung auf verschiedenen Maß-

stabsebenen bzw. Fehlen entsprechender Gleichungen auf größerer Maßstabsebene (gekenn-

zeichnet durch Fragezeichen; nach Blöschl, 1996)

Bodensäule Hang Einzugsgebiet

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Infiltration und Boden-wasserbewegung

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Wasserbewegung in der gesättigten Zone

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Hydrologische Modellierung der Einflüsse

25

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2.6.4 Eignung existierender hydrologischer Modelle

Auf die Diskussion von Modellierungsansätzenfür andere Fragestellungen wird im Rahmen die-ser Arbeit verzichtet. Doch auch für die Anforde-rungen, die in Kap. 2.6.3 für die vorliegende Fra-gestellung aufgelistet sind, wurden in der Vergan-genheit verschiedene Lösungsansätze erprobt.Dabei werden in der Regel zwei grundsätzlichverschiedene Wege beschritten (beispielsweiseBeven, 1991):

(1) Die konzeptionelle Beschreibung der Abfluss-dynamik eines Einzugsgebietes mit Hilfe vonunterschiedlich rasch auf ein Niederschlags-ereignis reagierenden Speichern, deren Para-meter eng an die Modellstruktur gebundensind und nur zum Teil mit messbaren Wertenverknüpft werden können.

(2) Die physikalisch begründete Beschreibung derFließprozesse im Einzugsgebiet mit Hilfe mi-kroskaliger Gleichungen, die im Labor für dieWasserbewegung in einer Bodensäule ermit-telt wurden und eine Vielzahl von Messwer-ten erfordern, die ebenfalls mikroskalig ermit-telt werden.

Das Attribut physikalisch begründet (physicallybased) bezieht sich nach Smith et al. (1994)streng genommen nur auf Modelle, die die Was-serbewegung in der Bodenzone explizit anhandvon Gleichungen beschreiben, welche aus denphysikalischen Grundgesetzen der Hydromecha-nik abgeleitet sind, wie z.B. der Diffusionswellen-ansatz, das Darcy-Gesetz oder die Richards-Gleichung. Daneben wurde der Begriff ›physika-lisch begründet‹ aber auch als vermeintlichesQualitätssiegel missbraucht, mit dem Entwicklerund Anwender ihrem Glauben an die Nähe desModells zur Wirklichkeit Ausdruck verleihen.

In Kap. 2.6.3 wurde die Schlüsselrolle der Bo-denoberfläche und der Wasserbewegung in derBodenzone für die Abflussbildung bei Hochwas-ser betont. Aus diesem Grund sind physikalischbegründete Modelle, die die Bodenwasserbewe-gung explizit und mittels messbarer Werte be-schreiben, für die vorliegende Fragestellung prin-zipiell im Vorteil gegenüber konzeptionellen

speicherbasierten Modellen. In der Vergangen-heit hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Vorteil inder Praxis nur bedingt zum Tragen kommt, dasich die Fließprozesse im Boden erheblich vondenen einer homogenen Bodenmatrix unterschei-den, was aber die Voraussetzung für die Anwend-barkeit der in diesen Modellen verwendetenFließgleichungen ist. Dieses Dilemma physika-lisch begründeter Modelle bildet den Kern einerinsbesondere durch die Entwicklung des SystèmeHydrologique Européen she (Abbott et al.,1986a/b) angestoßenenen Diskussion um derenLeistungsfähigkeit (Bathurst & O’Connell,1992; Beven, 1989a, 1993, 1996, 2001; Blöschl,1996; Grayson et al., 1992; Kuchment, 1989;O’Connell & Todini, 1996; Refsgaard et al.,1996). Inzwischen sind sämtliche Argumente indieser Debatte so oft ausgetauscht worden, dasssie hier nicht wiederholt werden müssen. Der bis-herige Gipfel an Redundanz ist in Abbott &Refsgaard (1996) enthalten, wo die Diskussionin einen grotesken Schlagabtausch von Beven(1996a/b) und Refsgaard et al. (1996) mündet.

Das Für und Wider konzeptioneller Modellewird in Kap. 4.3.3.4 im Zusammenhang mitdem für diese Arbeit ausgewählten hydrologi-schen Modell wasim-eth (Schulla, 1997) ange-sprochen, dessen Bodenmodell sowohl in einerkonzeptionellen als auch einer physikalisch be-gründeten Variante zur Verfügung steht (Schul-la & Jasper, 1999).

Im weitesten Sinn prozessorientierte konzepti-onelle Modelle sind z.B. akwa-m (Münch, 1993),arc/egmo (Becker, 1975; Klöcking, 1999),arno (Todini, 1996), hbv (Bergström, 1972;Bergström, 1995; Lindström et al., 1997), prms(Leavesley et al., 1983; Leavesley & Stannard,1995), topmodel (Beven & Kirkby, 1979; Bevenet al., 1995) oder wasim-eth mit topmodel-An-satz (Schulla, 1997).

Vertreter zumindest teilweise physikalisch be-gründeter Modelle sind beispielsweise she (Ab-bott et al., 1986a/b; Bathurst et al., 1995), ihdm(Morris, 1980; Beven et al., 1987; Calver &Wood, 1995), thales (Moore et al., 1988; Gray-son et al., 1995) oder wasim-eth mit Richards-Gleichung (Schulla & Jasper, 1999).

Die Quellenangaben zu den einzelnen Model-len beziehen sich, soweit bekannt, auf deren erst-

Grundlagen

26

malige Dokumentation sowie ergänzend auf ak-tuellere Modellbeschreibungen.

Eine Übersicht über verschiedenste hydrolo-gische Modelle bietet Singh (1995). Ein aktuellerVergleich verschiedener Modelle im Hinblick aufdie Simulation des Einflusses der Landnutzungauf die Hochwasserentstehung findet sich bei-spielsweise bei Feldwisch (1999).

Neben Modellen zur physikalisch begründe-ten Beschreibung der Bodenwasserbewegung aufEinzugsgebietsebene gibt es eine Reihe von Mo-dellen zur Simulation der Abflussbildung amHang. Stärker, als dies im Einzugsgebietsmaßstabmöglich ist, wird mit diesen Modellen eine phy-sikalische Beschreibung einzelner Abflussbil-dungsprozesse wie Makroporenfluss (vorwiegendvertikal) oder pipe flow (vorwiegend lateral) ver-sucht. Vertreter dieses Modelltyps sind z.B. qsoil(Faeh, 1997), hillflow (Bronstert, 1994) oderswms-2d (Simunek et al., 1992).

2.6.5 Bewertung von Modellergebnissen

Hauptmerkmal der Berechnung von Simulatio-nen zur Wirkung fiktiver Veränderungen im Ein-zugsgebiet auf das Abflussgeschehen bei Hoch-wasser ist das Fehlen von Messwerten des Abflus-ses zur Kalibrierung des Modells bzw. zurBewertung der Modellergebnisse. Dennoch gibtes verschiedene Möglichkeiten, die Verlässlichkeitder Berechnungen abzuschätzen – vorausgesetzt,dass die hierfür notwendigen Daten zur Verfü-gung stehen.

2.6.5.1 Validierung an gemessenen Hochwasserganglinien

Für die Modellierung von Landnutzungsände-rungen schlägt Klemeš (1986) den differentialsplit-sample test vor. Voraussetzung für diesen Testist, dass in der Vergangenheit des Einzugsgebietesbereits aufgetretene Landnutzungsänderungendurch Niederschlags- und Abflussdaten doku-mentiert sind. In diesem Fall können zwei Zeit-räume ausgewählt werden, die sich bei sonst glei-

chen Bedingungen in ihrer Landnutzung unter-scheiden. Zunächst wird dann das Modell aneinem der beiden Zeiträume kalibriert. Anschlie-ßend wird versucht, die Landnutzung des ande-ren Zeitraumes in ihren Auswirkungen auf denNiederschlag-Abfluss-Prozess zu simulieren. DerVergleich mit den Abflussdaten dieses Zeitrau-mes ermöglicht dann eine Bewertung der simu-lierten Abflussganglinie.

2.6.5.2 Validierung an zusätzlichen

Informationsquellen

Das Simulationsergebnis prozessorientierter Mo-delle beinhaltet neben Hochwasserganglinienmeist auch räumliche Informationen wie z.B. dasVerteilungsmuster einer Schneedecke (Blöschl,1996), von Bodenfeuchtewerten, Grundwasser-ständen (Kuczera & Mroczkowski, 1998;O’Connell & Todini, 1996; Seibert et al.,1997) oder von Zonen erhöhter Abflussbildungwie Sättigungsflächen (Franks et al., 1998; Am-broise et al., 1996; Güntner et al., 1999) zu ei-nem bestimmten Zeitpunkt sowie beispielsweisedie räumliche Verteilung der Interzeption oderder Verdunstung für einen bestimmten Zeitraum.Diese können für eine Bewertung der Simulati-onsergebnisse im Ist-Zustand herangezogen wer-den, sind aber gleichzeitg aber auch ein Indikatorfür die Verlässlichkeit eines Modells unter verän-derten Bedingungen. Werden neben dem Gebiets-abfluss auch andere hydrologische Größen vomModell richtig wiedergegeben, so erhöht dies dieWahrscheinlichkeit, dass auch die zugrundelie-genden hydrologischen Prozesse im Modell in ge-eigneter Weise repräsentiert sind. Ein solchesVorgehen wird auch als multi-response validationbezeichnet (Mroczkowski et al., 1997).

Gemessene Isotopenkonzentrationen bzw. hy-drochemische Parameter wie z.B. Silikat- Nitrat-,oder Chloridkonzentrationen sowie daraus abge-leitete Informationen zu den Anteilen einzelnerAbflusskomponenten am Abflussgeschehen kön-nen ebenfalls als Informationsquelle dienen (Be-cker et al., 1999; Uhlenbrook, 1999; Mrocz-kowski et al., 1997).

27

Kap

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3


3.1 ÜBERBLICK ÜBER DIE AUSGEWÄHLTEN EINZUGSGEBIETE

Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, anhandvon verschiedenen Einzugsgebieten exemplarischden Einfluss der Landnutzung auf die Abflussbil-dung bei Hochwasser darzustellen. Hierfür wur-den drei mesoskalige Einzugsgebiete im deut-schen Teil des Rhein-Einzugsgebietes ausgewählt,die sich markant in ihrer Landnutzung unter-scheiden. Dementsprechend ist eines der Gebietedicht besiedelt, eines vorwiegend bewaldet undeines landwirtschaftlich geprägt.

Die Mesoskala – die nach Becker (1992) Ge-biete bis zu einer Größe von etwa 1000 km² um-fasst – bietet sich für eine derartige Studie an, dain größeren Gebieten der Einfluss des Gewässer-netzes den Einfluss der flächenhaften Gebietsei-genschaften auf den Hochwasserverlauf zuneh-mend überprägt und damit Aussagen zu den Ab-flussbildungsprozessen erschwert (Beven, 1991).

Karte 3.1, S. 28 bietet eine Einordnung der dreiim folgenden genannten Untersuchungsgebieteinnerhalb des Rhein-Einzugsgebietes:

(1) Das überwiegend landwirtschaftlich genutzteEinzugsgebiet der Lein liegt südwestlich von

Heilbronn und nimmt eine Fläche von115 km² ein. Es ist sanft gewellt und fällt vonSüdwesten nach Nordosten flach ab(Kap. 3.2).

(2) Das urban geprägte Einzugsgebiet der Körschbefindet sich im Süden von Stuttgart. DasGebiet bedeckt eine Fläche von 127 km², diesanft von Westen nach Osten hin abfällt. DerFlusslauf der Körsch hat sich im Laufe derZeit tief in die ansonsten flache Hochebeneeingeschnitten (Kap. 3.3).

(3) Die Lenne ist ein Zufluss der Ruhr und ent-springt im Rothaargebirge. Das ausgewählteUntersuchungsgebiet beschränkt sich auf denOberlauf bis zum Pegel Bamenohl. Dieses Ge-biet ist 455 km² groß und stark reliefiert(Kap. 3.4).

Die darauffolgenden Karten geben einen Über-blick über Topographie, Landnutzung, dominan-te Bodentypen sowie die Lage der Messstationenin den drei Untersuchungsgebieten. Der Ver-gleichbarkeit wegen sind alle drei Gebiete im sel-ben Maßstab und mit einheitlicher Höhenskalie-rung dargestellt.


28

Karte 3.1 Lage der drei Untersuchungsgebiete im Einzugsgebiet des Rheins

Lenne (455 km²)

Lein (115 km²)

Körsch (127 km²)

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Überblick über die ausgewählten Einzugsgebiete

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Karte 3.2 Topographie der drei Untersuchungsgebiete

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Karte 3.3 Landnutzung in den drei Untersuchungsgebieten

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Karte 3.4 Vorherrschende Bodentypen in den drei Untersuchungsgebieten

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Karte 3.5 Messnetz in den drei Untersuchungsgebieten (Stationskürzel siehe Anhang)

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Abb. 3.1 Orte in den drei Untersuchungsgebieten

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3.2 LEIN

3.2.1 Klimatische Verhältnisse

Das Klima des Einzugsgebiets der Lein unter-liegt, wie ganz Mitteleuropa, den Schwankungender außertropischen Zirkulation, die sich in unter-schiedlichen Großwetterlagen von jeweils mehr-tägiger Dauer auswirken (Hendl, 1995). Dernormale mitteleuropäische Winter ist hier beiwechselhaften Zikulationsverhältnissen auffal-lend stark ozeanisch geprägt. Die GroßwetterlageWest zyklonal ist daran überdurchschnittlich be-teiligt und bringt häufig Frontalniederschlägemit sich. Im Frühjahr überwiegt die Großwetter-lage Nord zyklonal, die kühles und schauerreichesWetter nach Mitteleuropa führt. Der Sommer istwiederum stark ozeanisch orientiert und bewirktein Sommermaximum der Niederschläge durchbewölkungsreiche und oft von Frontalnieder-schlägen begleitete Südwest- bis Nordwest-Groß-wetterlagen. Die warmen Sommer werden durcheine gesteigerte Häufigkeit kontinentaler Ostwet-terlagen bestimmt. Im Frühherbst können antizy-klonale Großwetterlagen mit niederschlagsfreienStrahlungswetterperioden dominieren. Im No-vember verschieben sich die vorherrschendenGroßwetterlagen wieder in Richtung West mitniederschlagsbegleitenden Zyklonen.

Die Kraichgausenke stellt ein thermisch sehrbegünstigtes Gebiet dar und zählt zu den wärmstenRegionen Baden-Württembergs. Die räumlicheVariation der Lufttemperatur ist aufgrund derschwachen Reliefierung des Schichtstufenlandsrelativ klein. Die starke ozeanische Beeinflussungbewirkt vor allem erhöhte Wintertemperaturenund einen im Vergleich zu den anderen Stufen-landbereichen geringen Lufttemperaturjahresgangvon nur 17,9 K (Hendl, 1995). Die mittlere An-zahl von durchschnittlich 80 Frosttagen und nur30 Schneedeckentagen verdeutlicht die thermi-sche Gunstlage des Gebiets. Der durchschnittli-che Jahresniederschlag beträgt rund 770 mm.Der überwiegende Teil dieser Summe entstammtzyklonalen Niederschlägen. Die Hauptwindrich-tung ist West-Südwest. Sie erfährt eine Beeinflus-sung durch das Relief. Die Windgeschwindigkei-ten liegen im Durchschnitt um 3–4 m/s (Regio-nalverband Franken, 1988).

3.2.2 Geologie und Böden

Der Naturraum Kraichgau, dem das Einzugsge-biet der Lein zuzurechnen ist, wird im Südenvom Schwarzwald bzw. von Strom- und Heu-chelberg, im Norden vom Kleinen Odenwald, imWesten vom Oberrheingraben und im Ostenvom Neckartal begrenzt. Ebenso wie in der Um-gebung von Stuttgart sind die mesozoischenSchichten im Kraichgau zu großen Teilen vonLöss überdeckt, der in der Kaltzeit des Pleistozänsdurch den Westwind aus den trockenliegendenSchotterflächen des Oberrheingrabens (Periglazi-albereich) ausgeblasen wurde. Entsprechend derTransportrichtung des Gesteinsstaubs nimmt dieMächtigkeit der Lössdecke von Westen nach Os-ten hin ab, erreicht aber im Lein-Einzugsgebietimmer noch Beträge von bis zu 20 m. An denTalflanken des Leintals, west(wind)exponiertenHängen sowie an den Hängen des Heuchelbergesim Südosten des Leingebietes treten an mehrerenStellen mergelige Schichten des Unteren Keupers(Lettenkeuper) sowie Gipshorizonte des MittlerenKeupers (Gipskeuper) zutage. Bei Massenbachwird auch der darunterliegende Obere Hauptmu-schelkalk angeschnitten. Der Rücken des Heu-chelberges, der die südöstliche Einzugsgebiets-grenze der Lein bildet, wird vom Schilfsandstein(ebenfalls Mittlerer Keuper) im Hangenden desGipskeupers eingenommen. Dieser kann alsSandstein oder Mergel ausgeprägt sein. Die Tal-sohle des Leintals bilden quartäre Auelehme undKiese mit hohem Schluff- und Tongehalt. ImUnterlauf der Lein und des Rotbachs treten auchpleistozäne Hochterrassenschotter an die Oberflä-che, die sich aus z.T. nagelfluhartig verfestigtenKiesen zusammensetzen (Geyer & Gwinner,1991; Rausch et al., 1995).

Ebenso wie im Einzugsgebiet der Körsch herr-schen im Leingebiet Parabraunerden auf Löss vor.Auf den verschiedenen anstehenden Schichtendes Keupers haben sich vornehmlich Braunerdengebildet. Braunerden finden sich aber auch inlössbedeckten Bereichen als Folgeprodukte vonParabraunerden an Stellen, wo die Entkalkungdes Löss und die daraus resultierende Verleh-mung und Verbraunung des Bodens bereits wei-

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3.2.3 Gewässer und Grundwasser

Die Lein entspringt oberhalb der OrtschaftKleingartach in mehreren kleinen Quellen. Siewird auf ihrer 18 km langen Fließstrecke beidsei-tig von mehreren kleineren Zuflüssen gespeist.Die bedeutenderen wie Dachbach, Lohgraben,Massenbach und Rotbach treffen sie linksseitig(Rausch et al., 1995). Die Lein hat sich im Laufeder Jahre in die sanftwellige, fruchtbare Land-schaft der Gäuflächen eingetieft und einen Auen-bereich geschaffen.

Das Leintal gehört zur Grundwasserlandschaftdes Unterkeupergebiets, dessen Schichten den be-deutendsten Aquifer darstellen. Die Lein gilt alsVorflut seines abfließenden Grundwassers. Seinlithologischer Aufbau von ca. 22–30 m mächti-gem Tonstein, der mit bis zu 1 m mächtigen Do-lomiten und bis zu 8 m mächtigen Sandsteinendurchsetzt ist, begründen sein ergiebiges Dargebot(Rausch et al., 1995). Bei Frankenbach ist da-durch eine Trinkwasserförderung von 150 l/smöglich. Diese Ergiebigkeit wird einerseits durchEinsickerung auf den Unterkeuperflächen und an-dererseits durch Speisung durch andere Grundwas-serleiter erklärt. Entlang des Leinbachtals liegt dieGrundwasserdruckfläche des Oberen Muschel-kalks höher als die des Unteren Keupers, so dassaus dem Muschelkalk Grundwasser in diesen Lei-ter aufsteigen kann. Vorfluterferne Bachläufe, dienur periodisch Wasser führen und meist als tro-ckene Muldentäler erscheinen, bezeugen die Spei-sung des Grundwassers von der Oberfläche durchVersickerung (Rausch et al., 1995).

3.2.4 Landnutzung

Als potenziell natürliche Vegetation wird diejeni-ge Vegetation bezeichnet, die sich bei einemplötzlichen Aufhören des menschlichen Einflus-ses auf die Pflanzendecke aufgrund der derzeiti-

gen Standortbedingunen einstellen würde. ImEinzugebiet der Lein herrschen potenziell sub-kontinentale Eichen-Hainbuchenwälder auf mit-telmäßigen bis nährstoffreichen Bodenverhältnis-sen vor (Klink, 1995).

Durch die hohe Bodenfruchtbarkeit des Lein-tals wurde der Wald schon früh von den lössbe-deckten Flächen verdrängt und führt heute zu ei-ner überwiegend agrarisch intensiven Nutzung.Diese nimmt, wie in Karte 3.3, S. 30 zu sehen ist,ungefähr zwei Drittel der Einzugsgebietsfläche inAnspruch. Die Klassifizierung der verschiedenenLandnutzungen wurde von der Datenbasis cori-ne übernommen.

Der allgemeine Trend des Rückgangs land-wirtschaftlicher Produktion seit den 1960er Jah-ren hat sich aufgrund der fruchtbaren Lössbödenim Einzugsgebiet der Lein bisher kaum bemerk-bar gemacht. Als Feldfrüchte dominieren Getrei-dearten. Die Nähe zu einer Weiterverarbeitungs-anlage im nahe gelegenen Eppingen bedingt ei-nen relativ hohen Anbauanteil von Kartoffeln undZwiebeln. Diese Früchte ereichen einen höherenMarktwert als Getreide. Dort wo es die Bodengü-te zulässt, werden die anspruchsvollen Acker-früchte Zuckerrüben und Zichorie angebaut, weildiese den höchsten Gewinn bringen. An steilerenLagen im Süden des Untersuchungsgebietes wirddie Fläche für Wein- und Obstanbau genutzt.Nach mündlicher Auskunft von Lempe (Land-wirtschaftsamt Heilbronn) wurde in den letztenJahren viel Grünland umgebrochen, um amStichtag für die eu-Bewertung als Ackerland auf-genommen zu werden. Deshalb ist der Anteil anWiesen im Gebiet kleiner als 1%. Wald ist wegender hohen Bodenfruchtbarkeit auf etwa 25% derFläche beschränkt und nur auf Braunerden zufinden. Der überwiegende Teil davon ist Laub-wald, lediglich 25 % der Waldfläche ist mit Na-delholz durchmischt. Die Besiedlung hat in denletzten Jahren immer mehr zugenommen undliegt bei einem Flächenanteil von etwa 7%. DerSiedlungszuwachs gingen mehrheitlich zu Lastenvon Ackerflächen. Besonders in den GemeindenMassenbachhausen und Schwaigern gibt es großeNeubausiedlungen. Innerhalb der Ortslagen be-trägt der Versiegelungsgrad des Bodens bis zu80%, in Randlagen durch Hausgärten ungefähr40 % (Regionalverband Franken, 1988).


36

3.2.5 Hochwasserereignisse

Hochwasser sind im Zeitraum von 1980 bis 1997in der Lein sowohl als Folge von langanhaltendenadvektiven/zyklonalen Niederschlägen geringerIntensität als auch infolge von sommerlichen

konvektiven Starkregenereignissen aufgetreten.Die größten Hochwasser mit einer Jährlichkeitvon mehr als 5 Jahren sind jedoch ausnahmslosauf ergiebige zyklonale Niederschläge zurückzu-führen (siehe Tab. 3.1, S. 36). Die Maxima wur-den als stündliche Mittelwerte ermittelt.

Anhaltswerte für die Größenordnung von Hoch-wasserereignissen in der Lein gibt Tab. 3.2, S. 36für den Pegel Frankenbach. Insbesondere die An-

gaben im Extrapolationsbereich großer Hoch-wasser sind jedoch mit großen Unsicherheitenbehaftet.

3.2.6 Datenlage

3.2.6.1 Räumliche Daten

Zur Charakterisierung der Topographie sowie dar-

aus abgeleiteter Größen wie Hangneigung, Expo-sition, Einzugsgebietsgrenzen oder Fließzeitenwurde das Digitale Höhenmodell des Landesver-messungsamtes Baden-Württemberg verwendet,welches in Form von Rasterdaten mit einer Git-

Tab. 3.1 Hochwassermaxima am Pegel Frankenbach/Lein zwischen 1980 und 1997

Wiederkehrintervall [a] Zeitpunkt des Auftretens Scheitel [m³/s] Abflussbeiwert

5 - 10 a 21.12.1993, 12 Uhr 15,6 0,17

26.02.1997, 13 Uhr 14,9 0,17

2 - 5 a 26.05.1983, 12 Uhr 11,6 0,18

28.06.1994, 3 Uhr 10,3 0,08

16.02.1990, 2 Uhr 10,0 0,12

< 2 a 23.07.1995, 6 Uhr 9,2 0,06

09.06.1996, 15 Uhr 7,4 0,08

04.06.1992, 6 Uhr 5,9 0,04

13.04.1994, 21 Uhr 5,3 0,09

vor 1990 14.03.1988, 12 Uhr 10,2

31.01.1982, 3 Uhr 10,2

05.09.1987, 2 Uhr 8,7

17.12.1982, 22 Uhr 7,7

01.12.1981, 17 Uhr 7,6

01.04.1988, 10 Uhr 7,2

08.07.1989, 11 Uhr 5,9

Tab. 3.2 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Frankenbach/Lein anhand des Zeitraums von

1968 bis 1998 (Landesanstalt für Umweltschutz, 1999)

Überschreitungswahrscheinlichkeit pü [-](entsprechendes Wiederkehrintervall Tn [a])

0,5(2)

0,2(5)

0,1(10)

0,05(20)

0,02(50)

0,01(100)

Hochwasserscheiteldurchfluss [m³/s] 9,33 13,92 17,07 20,13 24,18 27,33

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terweite von 50 × 50 m bereitgestellt wird(Karte 3.2, S. 29).

Für die Landnutzung standen die »Daten zurBodenbedeckung« des Statistischen Bundes-amtes zur Verfügung, welche als Vektordaten miteiner Informationsdichte bereitgestellt werden,die in etwa dem Maßstab 1 :100000 entspricht.Erfasst wurden Landnutzungseinheiten mit mehrals 25 ha Fläche und einer Breite von mehr als100 m. Diese aus landsat-tm-Satellitenaufnah-men, Luftbildern und topographischen Kartenvisuell interpretierten Daten aus dem Jahr 1992enthalten keine linienhaften Strukturen. Da sieflächendeckend und einheitlich für das ganzeBundesgebiet zur Verfügung stehen, wurden sieals Datengrundlage für alle drei Einzugsgebieteverwendet (Karte 3.3, S. 30). Dennoch birgt die-se Datengrundlage einige Schwachstellen: Dieverwendete Einteilung in Landnutzungsklassenist vielen Bereichen nicht eindeutig. Besondersdie landwirtschaftlichen Flächen gliedern sich inwenige Unterklassen, so dass keine Aussagen überihre Nutzungsintensität möglich sind. Um Folge-fehler zu vermeiden, wurde diese Datengrundla-ge jedoch einschließlich ihrer Klasseneinteilungunverändert übernommen.

Als Datengrundlage für die Böden im Ein-zugsgebiet dient die Digitale Bodenübersichts-karte 1 :200000 des Landesamtes für Geologie,Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg.Diese enthält Informationen zu vorherrschendenBodentypen (siehe Karte 3.4, S. 31), Bodenartensowie verschiedenen hydrologischen Parameternwie hydraulische Leitfähigkeit, nutzbare Feldka-pazität, Grobporenvolumen oder Verschläm-mungsneigung.

Einen Überblick über die in den drei Unter-suchungsgebieten jeweils verwendeten digitalenräumlichen Daten gibt Tab. A.1, S. 137. Szena-riobildung und Modellierung erfolgten für das

Leingebiet mit einer einheitlichen Rasterweite al-ler Informationsschichten von 100 × 100 m.

3.2.6.2 Meteorologische und hydrologische Daten

Im Bereich des Leingebietes befinden sich sechsNiederschlagsstationen des Deutschen Wetter-dienstes, an denen tägliche Werte abgelesen wer-den. Zusätzlich hierzu wurde 1978 speziell für dasLeingebiet ein kommunaler Messverband mitfünf kontinuierlich aufzeichnenden Regenschrei-bern eingerichtet, der vom Tiefbauamt in Heil-bronn verwaltet wird. Dies geschah als Reaktionauf große Hochwasserereignisse in den Jahren1968, 1970 und 1978 mit der Absicht, auf dieseWeise die Datenbasis für ein Hochwasserschutz-konzept für das gesamte Leintal zu schaffen (sieheKap. 3.2.5). Die Standorte der Regenschreiberwurden nach Empfehlungen des Instituts für Hy-drologie und Wasserwirtschaft der UniversitätKarlsruhe ausgewählt. Auch die Abdeckung desGebietes mit Klimastationen (drei dwd-Statio-nen) ist überdurchschnittlich gut.

Zur Validierung der hydrologischen Simulati-onen wurden zwei Pegel der Landesanstalt fürUmweltschutz verwendet. Die Daten des PegelsFrankenbach sind nach Luft (Landesanstalt fürUmweltschutz, mündl. Auskunft) gerade imHochwasserbereich ungenau, da das Bett derLein am Pegel lediglich 8 m³/s (Renschler, Ge-wässerdirektion Besigheim, schriftl. Auskunft)fasst. Der Pegel Schwaigern ist mit einem bord-vollen Abfluss von ca. 25 m³/s wesentlich großzü-giger ausgelegt, so dass diese Daten als Kontrolledienen können. Außerdem wurden im Rahmendes obengenannten kommunalen Messverbandesdrei weitere Pegel eingerichtet, die ebenfalls zurValidierung der hydrologischen Modellierungherangezogen werden (siehe Tab. B.1, S. 138).

3.3 KÖRSCH


Die Region Stuttgart unterliegt durch die räumli-che Nähe zum Leintal klimatisch vergleichbaren

Verhältnissen und erfährt einen ähnlichen Ein-fluss durch Großwetterlagen. Auch diese Regiongehört mit einer Jahresmitteltemperatur von10 °C zu den thermisch begünstigten Gebieten, die


38

sich für den Anbau von anspruchsvollen Sonder-kulturen eignen. Die Durchschnittstemperaturim Januar beträgt –0,8 °C, im Juli 17,6 °C (Dier-cke Weltatlas, 1991). Die jährliche Amplitudeder Lufttemperatur von 18,4 °C und die durch-schnittliche jährliche Frosthäufigkeit von unge-fähr 100 Tagen unterstreichen den gemäßigtenTemperaturverlauf in dieser Gegend. Die durch-schnittliche Jahresniederschlagssumme für dieRegion Stuttgart liegt bei 675 mm, mit einemdeutlichen Sommermaximum (Hendl, 1995).


Das beherrschende tektonische Element imRaum Stuttgart ist der Fildergraben, der auf einerBreite von ca. 10 km leicht von Nordwesten nachSüdosten abfällt. Entwässert wird der Fildergra-ben größtenteils von der Körsch, deren Einzugs-gebiet im Südwesten markant durch das höherge-legene Gebiet des Schönbuchs begrenzt wird,welcher in diesem Bereich auch den südlichenRand des Fildergrabens bildet. Der größte Teildes Einzugsgebietes ist von einer mächtigen Löss-lehmdecke (im Mittel 4 bis 5 m) bedeckt, die imQuartär während der Riss- und Würmkaltzeit,als die Region Stuttgart im Periglazialbereich lag,als äolisches Sediment abgelagert wurde. Entlangdes tief eingeschnittenen Flusslaufs der Körschsowie an den Einzugsgebietsrändern sind ver-schiedene Schichten des Mesozoikums ange-schnitten. Zuunterst sind dies Stubensandstein(mit Mergellagen), Knollenmergel und Rät ausdem Keuper (Trias). Diese werden vom Lias α(Schwarzer Jura) überdeckt, der als Tonmergel,Sandkalk oder als Sandsteinkörper an die Ober-fläche tritt. Am Schönbuchrand sind stellenweiseauch die Schichten des Lias β bis ε aufgeschlos-sen. Den unmittelbaren Bereich der Talaue neh-men fluviale quartäre Sedimente ein (Geyer &Gwinner, 1991).

Aus der Lösslehmdecke sind in weiten Teilendes Einzugsgebietes tiefgründige Parabraunerdenhervorgegangen (siehe Karte 3.4, S. 31). In Berei-chen, in denen tonreicher Lias α ansteht, findensich stellenweise Pelosole. Im Mittel- und Unter-lauf der Körsch ist die Talsohle von Auenbödengeprägt. Die entlang des Flusslaufes und an denHängen des Schönbuchs freiliegenden Keuper-

schichten haben in erster Linie Braunerden her-vorgebracht.


Die Struktur des Gewässernetzes der Körsch iststark von der Fallrichtung des Fildergrabens vonNordwesten nach Südosten geprägt. Das Abkni-cken von Körsch und Sulzbach nach Nordostenim unteren Einzugsgebietsteil zeugt davon, dassdie Körsch, die ehemals ins danubische Systementwässerte, durch rückschreitende Erosion vomNeckar angezapft wurde.

Da der im Körschgebiet vorherrschendeLias α aufgrund seines äußerst geringen nutzba-ren Porenvolumens, seiner geringen Matrixleitfä-higkeit und seiner geringen Klüftigkeit keinen re-levanten Grundwasserleiter darstellt, ist die Be-deutung der Filderfläche für die Neubildung undGewinnung von Grundwasser gering.

3.3.4 Landnutzung

Das Körschtal wäre wie die Lein bei potenziellnatürlichen Verhältnissen von subkontinentalenEichen-Hainbuchenwälder bewachsen (Klink,1995). Wegen der vorwiegend hohen Boden-fruchtbarkeit wurde dieses Gebiet jedoch schonfrüh landwirtschaftlich genutzt und anthropogenüberprägt.

Ebenso wie auf Landesebene hat auch in die-ser Region der Getreideanbau das größte Ge-wicht, gefolgt von Futtermais und Feldfrüchten.Trotz günstigen Anbaubedingung hat der Struk-turwandel der letzten 30 Jahre die Landwirtschaftzurückgedrängt. Der Rückgang der Haupter-werbsbetriebe deutet auf die Verschlechterungder wirtschaftlichen Situation der Landwirtschafthin. Lediglich Betriebe mit einer Fläche vonmehr als 20 ha haben zugenommen (Regional-verband Mittlerer Neckar, 1986). Die Spezia-lisierung auf Sonderkulturen ermöglicht auch Be-trieben unter 10 ha die Bewirtschaftung als Ne-benerwerb. Der Obstanbau stellt wegen dergünstigen klimatischen Bedingungen mit 5%Flächenanteil einen festen Bestandteil an derlandwirtschaftlichen Produktion dar. Dieser er-streckt sich über die stärker geneigten Flächen desSchönbuchrandes und die Talhänge der Körsch.

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Dort befinden sich auch Parzellenstrukturen, diehauptsächlich aus Kleingärten bestehen. DerenAnteil von über 10% ist durch die Stadtnähe be-dingt und liegt über dem Landesdurchschnitt(Regionalverband Mittlerer Neckar, 1986).Der Waldanteil ist auf rund 12 % Flächenanteilgeschrumpft und besteht überwiegend ausMischwald. Waldbestände sind auf die vonNordwesten nach Südosten ziehenden Keuper-höhen beschränkt.

Das Einzugsgebiet der Körsch steht unterdem Siedlungsdruck und Einfluss der Stadt Stutt-gart. Die räumliche Nähe bindet das Gebiet andie Großstadt, obwohl die Siedlungsstruktur, be-stehend aus vielen kleinen Ortslagen, einen dörf-lichen Charakter vermittelt. Alte Dorfkerne stel-len bis heute die Zentren der Siedlungen dar, de-ren Flächenanteil gemessen an der gesamtenüberbauten Fläche gering ist. Die Siedlungen ha-ben in den letzten Jahrzehnten ein gewaltiges Flä-chenwachstum zu Lasten der landwirtschaftlichenNutzfläche erfahren und nehmen heute etwa einViertel der Gebietsfläche ein. Die als reine In-dustriegebiete ausgewiesenen Flächen und der

Flughafen haben bis jetzt nur einen geringen An-teil von rund 2%, der durch die Verflechtungeninnerhalb des wirtschaftlich starken GroßraumsStuttgart weiter wachsen wird.


Die Abflussverhältnisse im Einzugsgebiet derKörsch sind sehr stark anthropogen geprägt. ImBasisabfluss beispielsweise sind am Pegel Den-kendorf Tagesgänge der Abgabe von Wasser ausder Kläranlage bei Plieningen erkennbar. Der Ba-sisabfluss aus dem Einzugsgebiet der Körsch wirdaußerdem durch die Fremdwasserzufuhr aus derBodenseewasserversorgung Sipplingen beein-flusst. Daneben verfügt der Stuttgarter Flughafenüber mehrere Rückhaltebecken für Nieder-schlags- und Enteisungswasser, die Einfluss aufdie Wasserführung der Körsch nehmen.

Hochwasser mit einem erwarteten Wieder-kehrintervall von mehr als fünf Jahren sind seit1980 im Gebiet nicht aufgetreten (siehe Tab. 3.3,S. 39). Diese Tatsache ist umso erstaunlicher, alsdass Caspary & Bárdossy (1995) nachweisen

Tab. 3.3 Hochwassermaxima am Pegel Denkendorf/Körsch zwischen 1983 und 1997


10 - 20 a – –

5 - 10 a – –

2 - 5 a 14.06.1995, 20 Uhr 33,1 0,39

vor 1990 25.05.1983, 5 Uhr 40,1 0,44

29.04.1986, 23 Uhr 36,0 0,31

15.06.1987, 13 Uhr 30,8 0,27

08.07.1987, 16 Uhr 39,0 0,24

< 2 a 17.12.1982, 7 Uhr 21,7 0,47

20.08.1983, 5 Uhr 25,4 0,11

06.07.1985, 19 Uhr 26,6 0,13

12.03.1988, 20 Uhr 27,4 0,58

15.02.1990, 9 Uhr 22,0 0,26

22.07.1992, 0 Uhr 25,0 0,14

21.12.1993, 4 Uhr 19,2 0,33

13.04.1994, 10 Uhr 26,2 0,39

22.07.1995, 18 Uhr 26,2 0,15

08.07.1996, 10 Uhr 26,6 0,21


40

konnten, dass die Zunahme der GroßwetterlageWest zyklonal insbesondere seit Mitte der 1970erJahre in mehreren Einzugsgebieten Südwest-deutschlands zu einem erhöhten Hochwasserrisi-ko geführt hat. Als mögliche Ursache für das Aus-bleiben von Hochwassern höherer Jährlichkeitkommen aber neben äußeren Einflüssen genausoauch Fehler in der Extremwertstatistik selbst (sie-he Tab. 3.4, S. 40) in Frage.

Für die hydrologische Modellierung wurdenin Ermangelung größerer Hochwasserereignisseauch Hochwasser mit einer Jährlichkeit von we-niger als zwei Jahren hinzugezogen. Insbesonderewurden auch kleinere zyklonale Ereignisse be-rücksichtigt, die durch ihre große räumliche Aus-dehnung auch in den anderen beiden Untersu-chungsgebieten zu Hochwassern führten. Auffäl-lig ist die im Vergleich zur Lein großeVariationsbreite der Abflussbeiwerte. Diese Vari-ationsbreite ist in der Verschiedenartigkeit der ander Körsch aufgetretenen Hochwasser begründet,wo im betrachteten Zeitraum auch sommerlicheFrontenniederschläge zu Hochwassern führten.

3.3.6 Datenlage


Die digitale Gebietsinformation für das Körsch-gebiet beruht auf denselben Grundlagen wie dieder Lein (siehe Tab. A.1, S. 137 im Anhang).

Für die Szenarien und die hydrologische Mo-dellierung wurde, ebenfalls wie für das Gebiet der

Lein, eine einheitliche horizontale Auflösung derGebietsinformation von 100 × 100 m gewählt.


Tägliche Niederschlagshöhen werden vom Deut-schen Wetterdienst (dwd) im Bereich desKörsch-Einzugsgebietes zur Zeit an fünf Statio-nen gemessen. Vier Stationen der Landesanstaltfür Umweltschutz (lfu) mit zeitlich höher aufge-lösten Daten wurden in der Zeit zwischen 1986und 1992 aufgegeben, so dass zur Simulation vonHochwassereignissen der 1990er Jahre hochauf-gelöste Daten nur von der Versuchsstation derUniversität Stuttgart-Vaihingen und ab Ende1996 von der Station Wolfschlugen des 1995 ein-gerichteten Verbundmessnetzes von lfu unddwd zur Verfügung stehen. dwd-Daten zu denKlimavariablen Temperatur, Relative Luftfeuch-te, Sonnenscheindauer und Windgeschwindig-keit waren für zwei Klimastationen erhältlich.Zusätzlich wurden Daten der Globalstrahlung ei-ner dritten Klimastation im Raum Stuttgart ge-nutzt. Eine detaillierte Auflistung der verwende-ten Niederschlags- und Klimastationen findetsich im Anhang in Tab. B.2, S. 139. Deren räum-liche Verteilung ist in Karte 3.5, S. 32 dargestellt.

Der als Gebietsauslass genutzte Pegel Den-kendorf/Körsch wird, wie die meisten Abfluss-messstationen in Baden-Württemberg, von derLandesanstalt für Umweltschutz in Karlsruhe be-treut.

3.4 LENNE


Das Einzugsgebiet der Lenne gehört dem nord-

westdeutschen Klimabereich an. Es ist mit allge-mein kühlen Sommern und milden, nieder-schlagsreichen Wintern überwiegend ozeanisch

Tab. 3.4 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Denkendorf/Körsch anhand des Zeitraums von

1941 bis 1997 (Landesanstalt für Umweltschutz, 1999)


0,5(2)

0,2(5)

0,1(10)

0,05(20)

0,02(50)

0,01(100)

Hochwasserscheiteldurchfluss [m³/s] 29,78 46,79 56,26 72,20 89,64 104,0

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geprägt. Trockenes sommerliches Wetter oderKälteperioden im Winter sind durch vorüberge-henden kontinentalen Einflüsse bedingt.

Die klimatischen Verhältnisse im Bereich derdeutschen Mittelgebirgsschwelle werden starkvom ausgeprägten Relief beeinflusst. Dadurchbilden sich nicht nur höhenabhänige Unterschiedein der Temperatur, sondern auch Luv- und Lee-effekte aus. Auf dem Kahlen Asten, mit 841 m diehöchste Erhebung im Lennegebiet, werden im Ja-nuar im Mittel –3,0 °C und im Juli nur 12,6 °Cerreicht (Hendl, 1995). Die Jahresmitteltempera-tur beträgt etwa 5–7 °C.

Auf dem Kahlen Asten fallen im Durchschnitt1471 mm Niederschlag pro Jahr (Hendl, 1995).Das räumlich nahe, aber nur auf 420 m gelegeneKirchhundem erhält jährlich dagegen nur1175 mm. Hier kommt die Höhenabhängigkeit derNiederschläge zum Ausdruck. Insgesamt sind dieNiederschlagssummen des Lennetals im Ver-gleich mit dem übrigen Nordrhein-Westfalensehr hoch (Regierungspräsident Arnsberg,1989). Durchschnittlich erhält das Hochsauer-land an 34 bis 39 Tagen im Jahr mehr als 10 mmNiederschlag. In den höheren Lagen entsteht imWinter häufig eine geschlossene Schneedecke. Dasniedrige Kondensationsniveau begünstigt in die-sen Bereichen auch die Nebelbildung. Der nie-derschlagsärmste Monat ist der März, da in die-sem Monat statistisch Ostwetterlagen vorherr-schen, die im Allgemeinen trocken sind. Amniederschlagsreichsten sind die Monate Juli undAugust, in denen jeweils mehr als 10% des Jahres-niederschlages fallen. Ein relativ hoher Anteil da-von wird durch konvektive Prozesse verursacht(Regierungspräsident Arnsberg, 1989).


Das Rheinische Schiefergebirge, in dem das Ein-zugsgebiet der Lenne liegt, erscheint als ein 600bis 800 m herausgehobenes Rumpfgewölbe, dasrandlich tief zerschluchtet ist. Dessen höchste Er-hebung, der Kahle Asten (841 m ü. NN), ist zu-gleich der höchste Punkt des Lennegebietes. Dieheute vorherrschenden devonischen Tonschieferwurden als feinkörnige Sedimente in größerenMeerestiefen, die weniger weit verbreitetenQuarzite als gröbere Substrate in Flachmeeren

des Unterdevons abgelagert. Aus dem Mitteldevonstammen ebenfalls vorwiegend geschieferte Ton-steine sowie Grauwacken, Kalksteine, und vulka-nische Gesteine wie Quarzkeratophyte und Tuf-fe, welche zum Teil mit Erzlagerstätten verbun-den sind. Im unteren Teil des Einzugsgebieteszwischen Grevenbrück und Bamenohl findensich außerdem z.T. verkarstete Massenkalke ausdem Oberdevon sowie Ton- und Sandsteine ausdem Unterkarbon. Pleistozäne Terrassenschottertreten nur sehr vereinzelt an den Rändern desLennetals in Erscheinung. Vielerorts sind jedochdie devonischen Schiefer von Hangschutt über-deckt, der v.a. während des Pleistozäns als perigla-ziales Verwitterungsprodukt entstand und umge-lagert wurde. Nennenswerte pleistozäne Talfül-lungen sind auf den Lauf der Lenne beschränkt.Sie bestehen vorwiegend aus grobem Sand undKies, in die linsenförmig feiner Sand, Schluff undTon eingelagert sind. Die Mächtigkeit dieser Lo-ckergesteine beträgt zwischen 4 und 10 m. DieTäler der Nebenbäche sind meist von verlehm-tem Hangschutt mit 2–5 m Mächtigkeit ausge-füllt, welche von einer 0,5–4 m mächtigen Auen-lehmschicht aus dem Holozän überdeckt ist(Clausen et al., 1985).

Auf den Verwitterungsprodukten der devoni-schen Schiefer sind basenarme, sandige bis lehmi-ge Gebirgsböden von geringer Mächtigkeit ent-standen. In exponierten Lagen sind dies Ranker,ansonsten aber vorwiegend Braunerden, die auf-grund der Basenarmut des Ausgangsmaterialsz.T. als Podsol-Braunerden bzw. vereinzelt als Pod-sole ausgeprägt sind. In den Talböden haben sichauf Auenlehm meist vergleyte Braune Auenbödenoder Auengleye gebildet. An den Talanfängen undam Hangfuß der Haupttäler kommen auch Kol-luvien vor, die aus umgelagertem Hanglehmenhervorgegangen sind. Die Talsohlen der Neben-bäche werden aufgrund des ganzjährig hohenGrundwasserspiegels (weniger als 0,8 m unterFlur) vorwiegend von Gleyen und Nassgleyen bishin zu Anmoor- und Moorgleyen eingenommen.In abflussgehemmten Hohlformen des Geländeshaben sich vereinzelt Nieder- und Übergangsmooregebildet. Parabraunerden und Rendzinen sind imBereich der teilweise mit Löss vermengten Mas-senkalke bzw. deren Verwitterungsprodukte imunteren Einzugsgebietsteil entstanden.


42


Die Quellfassung der Lenne befindet sich direktunterhalb des Gipfels des Kahlen Asten. Auf-grund der geringen hydraulischen Durchlässig-keit des Tonschiefers hat sich im Lennegebiet eindichtes Gewässernetz ausgebildet. Der wichtigsteNebenfluss der Lenne bis Bamenohl ist die Hun-dem, die bei Altenhundem von Süden her in dieLenne mündet. In diesem Bereich liegt auch derSiedlungsschwerpunkt des Einzugsgebietes.

Grundwasserleiter von überörtlicher Bedeu-tung finden sich im Einzugsgebiet der Lenne bisBamenohl nicht. Den ergiebigsten Grundwasser-leiter bildet der im Oberdevon abgelagerte undverkarstete Massenkalk in der Attendorner Mul-de, die nur im Bereich um Bamenohl in das Ein-zugsgebiet hineinreicht. Er wird im Wesentlichenvon in Karstspalten oder Erdfällen versinkendenBächen gespeist. Grundwasserführend sind au-ßerdem die pleistozänen Talfüllungen entlang derLenne, deren Überdeckung mit Auenlehm einegute Filterwirkung auf versickerndes Wasser aus-übt. Die Porendurchlässigkeit der dort 4–10 mmächtigen Lockergesteine wird von Clausen etal. (1985) als gut bis sehr gut eingestuft.

Die devonischen Tonschiefer, die im Gebietdominieren, besitzen fast kein nutzbares Poren-volumen. Deren Trennfugendurchlässigkeit ist inder Regel ebenfalls mäßig bis sehr gering. Erhöh-te Trennfugendurchlässigkeiten sind an stärkergeklüftete tektonischen Störungszonen gebun-den, wie sie südlich von Kirchundem in Verbin-dung mit Quarzkeratophyren und Tuffen alsZeugen der tektonischen Aktivität vorkommen.

3.4.4 Landnutzung

Das Untersuchungsgebiet liegt in einer typischenMittelgebirgsregion, die überwiegend bewaldetist (vgl. Karte 3.3, S. 30). Die ursprünglichen ar-tenarmen Buchwaldgesellschaften wurden nachRodungen im 19. Jahrhundert mit Fichten ersetzt(Regierungspräsident Arnsberg, 1989). Dar-um überwiegt der Nadelwald heute mit einemFlächenanteil von über 40% des Einzugsgebiets.Rund 25% sind mit Mischwald und gut 8% mitLaubwald bewachsen. Der Wald wird dabei zumTeil intensiv bewirtschaftet. Kleinere Schläge in

der Nähe von Kirchhundem werden für die Auf-zucht von Christbäumen genutzt (Exkursion Ok-tober 1998).

Durch das raue Klima hat die Landwirtschaftin dieser Region eine geringe Bedeutung (Regie-rungspräsident Arnsberg, 1989). Der Acker-bau ist auf die Feldfrüchte Kartoffeln und Haferin den tieferen Tallagen sowie auf flachere Hängebeschränkt. Ein hoher Grünlandanteil wird fürdie Milch- und Viehwirtschaft als Wiese bezie-hungsweise Weide genutzt. Diese befinden sichhauptsächlich in den Auen und bedecken rund10% des Untersuchungsgebiets. Die damit ver-bundene Offenhaltung der Flächen ist auch auslandschaftspflegerischer Sicht wünschenswert.Aufgrund der ausgeprägten Topographie drängensich die Siedlungen entlang der Täler bzw. liegenverstreut als Weiler und Einzelhöfe ohne erkenn-baren Ortskern. Der Anteil an neu errichtetenEin- bis Zweifamilienhäusern lag im Zeitraumvon 1980 bis 1986 in Finnentrop und Kirchhun-dem über 60% (Regierungspräsident Arns-berg, 1989). Eine sinnvolle Inanspruchnahmeder Fläche soll eine Erweiterung von Streusied-lungen vermeiden.


Größere Hochwasser sind im Lennegebiet imZeitraum von 1981 bis 1997 ausschließlich imWinterhalbjahr als Folge langanhaltender advek-tiver Niederschläge und hoher Vorfeuchte aufge-treten (siehe Tab. 3.5, S. 43).

Bei den angegebenen Hochwassermaximahandelt es sich für den Zeitraum von 1981 bis1987 um Momentanwerte und für 1988 bis 1997um stündliche Durchflussmittelwerte.

Diese Hochwasserereignisse wurden teilweisevon Schneeschmelze begleitet, was auch den ex-trem hohen Abflussbeiwert von 0,87 des Hoch-wassers vom März 1988 erklärt. Die Abflussbei-werte der Ereignisse im Lenneeinzugsgebiet sindjedoch mit meist mehr als 50% des gefallenenNiederschlags insgesamt sehr hoch. Dies ist zumeinen eine Folge der vorherrschenden Ereignis-charakteristika mit großen Niederschlagsmengenund hoher Vorfeuchte innerhalb des Winterhalb-jahres. Ein Hauptgrund hierfür ist jedoch auchdie geologische und geomorphologische Struktur

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des Gebietes. Das Lennegebiet wird dominiertvon geringdurchlässigen Tongesteinen, die vonmeist deutlich durchlässigerem (peri-)glazialen

Hangschutt überdeckt sind. Diese Kombinationaus gut durchlässigem Hangschutt und gering-durchlässigem Festgestein prädestiniert das Ge-

biet für subsurface stormflow (rasche unterirdischeAbflussreaktion in der Folge eines Starkregener-eignisses). Tab. 3.6, S. 43 gibt einen Überblicküber die Auftretenswahrscheinlichkeiten fürHochwasserereignisse im Einzugsgebiet der Len-ne.

3.4.6 Datenlage


Die Topographie des Einzugsgebiets wurde demDigitalen Höhenmodell des Landesvermessungs-amtes Nordrhein-Westfalen entnommen, wel-

ches wie das Höhenmodell Baden-Württembergsin einer Rasterweite von 50 × 50 m vorliegt (sieheKarte 3.2, S. 29 und Tab. A.1, S. 137).

Ebenso wie für Körsch und Lein konnten alsDatengrundlage für die Landnutzung im Lenne-gebiet die Daten zur Bodenbedeckung des Statis-tischen Bundesamtes verwendet werden (sieheKarte 3.3, S. 30).

Als räumliche Datengrundlage für die Bödenim Bereich des Lennegebietes wurde auf die Digi-tale Bodenkarte des Geologischen LandesamtesNordrhein-Westfalen im Maßstab 1 :50000 zu-rückgegriffen. Diese wird in Form von Polygon-daten mit angeschlossener Datentabelle vorgehal-

Tab. 3.5 Hochwassermaxima am Pegel Bamenohl/Lenne zwischen 1981 und 1997


10 - 20 a 23.01.1995, 8 Uhr 193,0 0,64

vor 1988 Januar 1986 193,0

Dezember 1986 183,0

März 1981 179,0

5 - 10 a 31.12.1993, 12 Uhr 159,0 0,55

vor 1988 Februar 1984 160,0

2 - 5 a 22.12.1991, 24 Uhr 126,0 0,62

12.01.1993, 13 Uhr 117,0 0,56

30.12.1990, 13 Uhr 103,0 0,63

20.12.1988, 6 Uhr 98,2 0,63

01.03.1990, 9 Uhr 96,5 0,43

19.03.1994, 22 Uhr 91,2 0,48

27.03.1988, 21 Uhr 90,9 0,87

vor 1988 Januar 1982 105,0

Tab. 3.6 Jährlichkeiten von Hochwassermaxima am Pegel Bamenohl/Lenne anhand des Zeitraums von

1973 bis 1996


0,5(2)

0,2(5)

0,1(10)

0,05(20)

0,02(50)

0,01(100)

Hochwasserscheiteldurchfluss [m³/s] 105 147 175 203 238 265

Unsicherheit [m³/s] ±23 ±36 ±47 ±57 ±71 ±82

Unsicherheit [%] ±22 ±24 ±27 ±28 ±30 ±31


44

ten. Eine Darstellung der dominanten Bodenty-pen im Gebiet enthält Karte 3.4, S. 31.

Für Szenarienbildung und Modellierung wur-den diese Daten in ein einheitliches Raster mit ei-ner Maschenweite von 250 × 250 m überführt.


Der Deutsche Wetterdienst unterhält im Bereichdes Lenne-Einzugsgebietes acht Niederschlags-stationen, deren tägliche Messwerte für dieHochwassersimulationen genutzt werden konn-ten. Im Gebiet werden zwei Klimastationen be-trieben, eine davon am höchsten Punkt des Ein-zugsgebietes, dem Kahlen Asten (841 m ü. NN),welche ebenfalls Niederschlag aufzeichnen. Ne-

ben deren Klimadaten wurden zusätzlich Datender Klimastation Lüdenscheid hinzugezogen,welche sich ca. 25 km westlich des AbflusspegelsBamenohl (Gebietsauslass) befindet. TäglicheNiederschlagsdaten wurden außerdem von vierStationen des Ruhrverbandes in Essen zur Verfü-gung gestellt, teilweise auch als zeitlich hochauf-gelöste Regenschreiberdaten. Aufgabe des Ruhr-verbandes ist die Talsperrenbewirtschaftung fürdas gesamte Einzugsgebiet der Ruhr.

Der Abflusspegel, der das von Talsperren un-beeinflusste Teilgebiet der Lenne bis Bamenohlbegrenzt, wurde ebenfalls vom Ruhrverband ein-gerichtet. Die Abflussdaten der zusätzlich für dieSimulationen verwendeten Pegel Kickenbach/Lenne und Herrntrop/Hundem werden vomStaatlichen Umweltamt in Siegen verwaltet.

45

Kap

itel

4


4.1 MODELLKONZEPT

Für die vorliegende Arbeit wurde das determinis-tische flächendifferenzierte hydrologische Modellwasim-eth ausgewählt, welches eine ausgewoge-ne Mischung aus physikalisch begründeten undkonzeptionellen Ansätzen darstellt (sieheKap. 2.6.4). Eine ausführliche Beschreibung desan der eth Zürich entwickelten Modells ist inSchulla (1997) und Schulla & Jasper (1999)enthalten. Die Teilmodelle, die für die Abflus-sentstehung bei Hochwasser relevant sind, wer-den jedoch im folgenden kurz dargestellt. Beson-deres Augenmerk liegt dabei aus den inKap. 2.6.3 genannten Gründen auf der Parame-terisierung und mathematischen Behandlungvon Landnutzung und Bodenzone sowie derenräumlicher Diskretisierung im Modell.

wasim-eth wurde ursprünglich dafür konzi-piert, den Einfluss von Klimaänderungen auf denWasserhaushalt von Flussgebieten zu simulieren,weswegen große Sorgfalt auf die Interpolationder meteorologischen Eingangsgrößen sowie dieModellierung der Verdunstung verwendet wur-de. Um den Einfluss der Landnutzung auf dieHochwasserentstehung noch besser als bisher be-rücksichtigen zu können, wurde das Bodenmo-dell im Rahmen dieser Arbeit um verschiedeneAspekte wie die explizite Berücksichtigung vonMakroporenfluss, Verschlämmung, Versiegelungmit Anschluss an eine Kanalisation und von de-zentralen Rückhalten ergänzt. Diese Modeller-weiterungen werden in Kap. 4.4 vorgestellt.

Die räumliche Verteilung der physiographischenGebietseigenschaften wird in wasim-eth durchEinteilung des Einzugsgebietes in ein regelmäßi-ges Gitter berücksichtigt. Außerdem kann dasEinzugsgebiet in beliebig viele Teileinzugsgebietegegliedert werden, deren Grenzen sich ebenfallsan diesem Gitter orientieren. Die meteo-rologischen Daten verschiedener Messstationen,die für die Simulation benötigt werden, werdenwährend des Modelllaufs für jede einzelne Zelledes Gitters interpoliert, was in Kap. 4.3.1 nähererläutert wird. Für jede einzelne Gitterzelle wer-den außerdem die hydrologischen Prozesse derSchneedeckenentwicklung, der Interzeption, derVerdunstung, der Infiltration sowie der vertikalenWasserbewegung in der Bodenzone simuliert(siehe Kap. 4.3). Der auf den einzelnen Gitterzel-len gebildete Oberflächenabfluss wird anschlie-ßend anhand eines Fließzeitschemas (sieheKap. 4.2.1) dem Gerinne zugeführt. Die Abfluss-konzentration bis zum Teilgebietsauslass erfolgtanhand von Einzellinearspeichern getrennt für dieAbflusskomponenten Direktabfluss, Interflowund Basisabfluss. Der weitere Weg des Abflussesim Gewässernetz vom Pegel des Teileinzugsgebie-tes bis zum Auslass des Gesamteinzugsgebieteswird durch ein Abflussrouting beschrieben. DieBerechnung der Translation erfolgt dabei anhandeiner kinematischen Welle, Retention im Gerinnewird getrennt für Hauptbett und Vorland durchzwei Einzellinearspeicher wiedergegeben.


46

4.2 DATENGRUNDLAGE

4.2.1 Räumliche Daten

Alle räumlichen Daten werden für die Modellie-rung mit wasim-eth als Rasterdaten (Grids) ineinheitlicher Größe und Auflösung benötigt. AlsDatenformat dient das ascii-Export-Format fürGrids des Geographischen Informationssystemsarc/info. Die räumliche Auflösung des Rastersist von der Größe des Einzugsgebietes abhängig.Eine Untersuchung von Schulla (1997) ergab,dass für das Einzugsgebiet der Thur (1 700 km²)die Güte der hydrologischen Simulation ober-halb einer Gitterweite von 1000 × 1000 m stark

abnahm. Umgekehrt ergab sich unterhalb einerGitterweite von 500 × 500 m keine weitere Zu-nahme der Simulationsgüte. Für kleinere Gebietemit räumlich höher aufgelöster Gebietsinforma-tion sind jedoch kleinere Gitterweiten sinnvoll.Für das Einzugsgebiet des Wernersbachs(4,6 km²) verwendete Schulla (1997) beispiels-weise ein Raster von 50 × 50 m.

Notwendige räumliche Daten für Simulatio-nen mit wasim-eth sind, wie in Abb. 4.1, S. 46dargestellt, digitale Daten zu Topographie, Land-nutzung und Bodenarten im Einzugsgebiet. Ausdem Höhenmodell können entweder mit Hilfe

eines Geographischen Informationssystems oderder zu wasim-eth gehörenden Zusatzsoftwareweitere für die Modellierung benötigte topogra-phische Informationen abgeleitet werden. DieDaten zur Landnutzung und zu den Bodenartenwerden zu Beginn des Modelllaufs mit Tabellen-werten zu jeder Landnutzungs- bzw. Bodenartverknüpft. Hierbei können entweder die vorgege-

benen Werte und Nutzungs- bzw. Bodenarten-klassen verwendet oder eigene Daten in die belie-big erweiterbaren Tabellen eingefügt werden.Liegen beispielsweise detaillierte digitale Datenzur räumlichen Verteilung der nutzbaren Feldka-pazität vor, so können diese auch direkt als Grideingelesen werden. Die Tabellenwerte werdendann ignoriert.

Abb. 4.1 Für die hydrologische Modellierung in WaSiM-ETH notwendige räumliche Daten

Topographie Landnutzung

Abgeleitete Grids

Bodenarten

Landnutzungstabelle

• Albedo

• Oberflächenwiderstand

• Blattflächenindex

• Effektive Bewuchshöhe

• Vegetationsbedeckungsgrad

• Wurzeltiefe

(in Abhängigkeit vom Jahresgangder Phänologie)

Bodenartentabelle

• Nutzbare Feldkapazität

• Auffüllbare Porosität

• Hydraulische Leitfähigkeit(nach Van Genuchten (1980)und Rawls & Brakensiek (1989))

Hangneigung

Exposition

Einzugsgebietsgrenzen

Fließzeiten

Prim

ärda

ten

Seku

ndär

date

n

Relevante Teilmodelle

47

Hyd

rolo

gis

che

s M

od

ell

4.2.2 Meteorologische und hydrologische Daten

Für die hydrologische Modellierung mit den inKap. 4.3 beschriebenen Berechnungsansätzenwerden Zeitreihen folgender meteorologischerGrößen benötigt. Teilweise können jedoch aucheinfachere Ansätze mit geringerem Datenbedarfverwendet werden:

(1) Niederschlag [mm](2) Lufttemperatur [°C](3) Relative Luftfeuchte [–]

oder Wasserdampfdruck [hPa](4) Windgeschwindigkeit [m/s](5) Globalstrahlung [Wh/m²]

oder Relative Sonnenscheindauer [–]

Die notwendige zeitliche Auflösung der meteoro-logischen Daten hängt von der Fragestellung und

der Gebietsgröße ab. Um der hohen Abflussbil-dungsdynamik bei Starkregenereignissen Rech-nung zu tragen, werden die Simulationen in dervorliegenden Arbeit mit stündlichen Wertendurchgeführt. Wenn die Ereignisse nicht durchSchneeschmelze beeinflusst sind, ist für dieHochwassermodellierung v.a. die räumliche undzeitliche Verteilung des Niederschlages von ent-scheidend, weswegen eine ausreichende Anzahlkontinuierlich aufzeichnender Niederschlags-messstationen wichtig für das Ergebnis ist. Diezur Berechnung der Verdunstung und/oderSchneeschmelze benötigten meteorologischenGrößen sind während solcher Hochwasserereig-nisse von untergeordneter Bedeutung.

Zur Kalibrierung und Validierung des Modellssind außerdem Pegeldaten des Abflusses aus denTeileinzugsgebieten sowie aus dem Gesamtein-zugsgebiet in der zeitlichen Auflösung der durch-geführten Simulationen vonnöten.

4.3 RELEVANTE TEILMODELLE

4.3.1 Interpolation und Korrektur der meteorologischen Daten

Während der Simulation werden die gemessenenmeteorologischen (Punkt-)daten der einzelnenMessstationen auf die Gitterzellen des Einzugsge-bietes interpoliert. Hierfür stehen zwei Metho-den zur Verfügung: (1) Abstandsgewichtete Inter-polation (idw, Inverse Distance Weighting) sowie(2) höhenabhängige Regression. Diese Verfahrenkönnen auch kombiniert werden.

Das Ergebnis dieser Interpolation ist ein fürjeden Modellierungszeitschritt errechnetes Gridmit den interpolierten Werten für jede Gitterzel-le. Diese Grids werden modellintern erzeugt undnach Gebrauch wieder gelöscht, können aberauch für einzelne Zeitschritte gespeichert undmit Hilfe eines Geographischen Informationssys-tems visualisiert werden. Außerdem erzeugt dasModell auf Wunsch Grids mit Mittelwerten oderSummen meteorologischer Größen (z.B. Nieder-schlagssumme eines Starkregenereignisses).

Für die meteorologischen Daten stehen ver-schiedene Korrekturverfahren zur Verfügung, die

bei Schulla (1997) näher beschrieben sind. DaNiederschlagsmessungen grundsätzlich mit ei-nem systematischen Fehler behaftet sind, emp-fiehlt sich eine Niederschlagskorrektur in fast al-len Fällen. Das im Modell enthaltene Korrektur-verfahren für Niederschlag unterscheidetzwischen festem und flüssigem Niederschlag undberücksichtigt den Einfluss des Windes auf dieNiederschlagsmessung.

4.3.2 Interzeption

Die Speicherung von Niederschlagswasser aufBlättern und vegetationslosen Oberflächen wirdin wasim-eth wie folgt berechnet (Schulla,1997):

(4.1)

SImax Maximale Interzeptionsspeicherkapazität [mm]ν Vegetationsbedeckungsgrad [–]LAI Blattflächenindex [m²/m²]hSI Maximale Schichtdicke des Wassers auf der [mm]

Oberfläche (nach Schulla (1997) 0,1–0,4 mm)

SImax ν LAI hSI 1 ν–( ) hSI⋅+⋅ ⋅=


48

Niederschlagswasser gelangt im Modell erst dannauf die Bodenoberfläche, wenn der Interzeptions-speicher gefüllt ist. Die Entleerung des Interzep-tionsspeichers erfolgt durch Verdunstung mit derpotenziell möglichen Rate.

Detailliertere Ansätze zur Interzeptionsmo-dellierung finden sich beispielsweise bei Rutter(1970) und Menzel (1997). Diese benötigen je-

doch zusätzliche Angaben zur Vegetation, die inder Mesoskala meist nicht zur Verfügung stehen.

Landnutzungsabhängige Parameter

In der Steuerdatei des Modells sind für jedeLandnutzungsart Werte für Blattflächenindex undVegetationsbedeckungsgrad tabelliert, die inTab. 4.1, S. 48 aufgeführt sind, so wie sie in der

vorliegenden Arbeit verwendet werden. Dabeiwird auch den Siedlungsflächen ein effektiverBlattflächenindex bzw. Bedeckungsgrad zugeord-net.

Die vier Stützpunkte (in Tab. 4.1, S. 48:20. April, 30. Mai, 7. September, 7. Oktober)stellen markante Tage im phänologischen Jahres-

gang dar, die für die Nordwestschweiz in einerHöhe von 400 m ü. NN ermittelt wurden undentsprechend der tatsächlichen Höhe einer jewei-ligen Gitterzelle korrigiert werden. Für die übri-gen Tage des Jahres werden die tabellierten Wertelinear zwischen den einzelnen Stützpunkten in-terpoliert.

Tab. 4.1 Landnutzungsabhängige Parameter zur Berechnung der Interzeption im hydrologischen Modell

WaSiM-ETH am Beispiel der Parameterisierung für das Leingebiet

Landnutzung Phänolog. Stützpunktedi [Julianische Tage]

BlattflächenindexLAI [m²/m²]

Bedeckungsgradν [–]

d1 d2 d3 d4 1 2 3 4 1 2 3 4

Siedlung 110 150 250 280 1,5 1,5 1,5 1,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Industrie 110 150 250 280 1 1 1 1 0,4 0,4 0,4 0,4

Flughafen 110 150 250 280 1 1 1 1 0,5 0,5 0,5 0,5

Abbaufläche 110 150 250 280 1 1 1 1 0,3 0,3 0,3 0,3

Grünfläche 110 150 250 280 3 5 5 3 0,9 0,95 0,95 0,9

Sportanlage 110 150 250 280 1,5 2 2 1,5 0,7 0,75 0,75 0,7

Wintergetreide 110 150 220 225 1 5 4 1 0,3 0,85 0,8 0,3

Brache 90 165 280 285 0,5 2 4 0,5 0,05 0,75 0,75 0,05

Blattfrüchte 90 165 280 285 0,5 2 4 0,5 0,05 0,9 0,9 0,05

Sommergetreide 90 165 265 270 0,5 4 3 0,5 0,1 0,8 0,75 0,1

Wein 110 150 250 280 0,5 5 5 0,5 0,7 0,75 0,75 0,7

Obst 110 150 250 280 0,5 5 5 0,5 0,75 0,8 0,8 0,75

Wiese/Weide 110 150 250 280 2 4 4 2 0,9 0,95 0,95 0,9

Parzellen 110 150 250 280 0,5 5 5 0,5 0,7 0,8 0,8 0,7

Landw./Natur 110 150 250 260 1 4 4 1 0,6 0,9 0,8 0,6

Laubwald 110 150 250 280 0,5 8 8 0,5 0,7 0,95 0,95 0,7

Nadelwald 110 150 250 280 9 13 13 9 0,9 0,9 0,9 0,9

Mischwald 110 150 250 280 4 10 10 4 0,8 0,93 0,93 0,8

Natürl. Grünland 110 150 250 280 2 4 4 2 0,9 0,95 0,95 0,9

Wald/Sträucher 110 150 250 280 3 5 5 3 0,8 0,9 0,9 0,8

Wasser/Feuchtfl. 110 150 250 280 1 1 1 1 0,1 0,1 0,1 0,1


49

Hyd

rolo

gis

che

s M

od

ell

4.3.3 Bodenmodell

In wasim-eth kann zwischen zwei grundsätzlichverschiedenen Modulen zur Berechnung der(vertikalen) Abflussbildung auf und unter derLandoberfläche gewählt werden (Schulla, 1997,Schulla & Jasper, 1999):

(1) Topmodel-Ansatz (wasim-eth i)Infiltration nach einem auf Green & Ampt(1911) basierenden Verfahren von Peschke(Dyck & Peschke, 1995); Bildung von Sätti-gungsoberflächenabfluss nach einem auf top-model (Beven et al., 1995) beruhenden Ver-fahren; Aufteilung der ungesättigten Zone ineinen pflanzenverfügbaren Mittelporenbe-reich (Wurzelzone), einen nicht pflanzenver-fügbaren Mittelporenbereich (unterhalb derWurzelzone), einen Grobporenbereich sowieeinen Zwischenabflussspeicher; Beschreibungder gesättigten Zone durch einen Basisab-flussspeicher.

(2) Richards-Gleichung (wasim-eth ii)Berechnung der eindimensional vertikalenBewegung des Wassers in der ungesättigtenZone anhand der Richards-Gleichung; Be-schreibung der gesättigten Zone wahlweisedurch einen Basisabflussspeicher oder einzweidimensionales Grundwassermodell.

Da sowohl das Bodenmodell mit Richards-Glei-chung als auch das mit Topmodel-Ansatz auf derenEignung zur Bearbeitung der Fragestellung hinüberprüft wurden, werden im folgenden auchbeide Versionen in ihren Grundzügen erläutertund deren jeweilige Vor- und Nachteile disku-tiert. Praktische Erwägungen führten im weiterenzur Anwendung von wasim-eth i.

4.3.3.1 Version mit Topmodel-Ansatz

Im Unterschied zur Version ii wird im Bodenmo-dell von wasim-eth i keine Bodenwasserbewegungberechnet, sondern die Entwicklung der Boden-feuchte durch ein System von Speichern nachge-bildet, die sich durch eine charakteristische Fül-lungs- und Entleerungsdynamik auszeichnen.Dem Bodenmodell ist ein Infiltrationsmodellvorgeschaltet.

InfiltrationZur Beschreibung des Eindringens von Nieder-schlagswasser in den Boden wird ein auf demweit verbreiteten Infiltrationsmodell von Green& Ampt (1911) aufbauendes sogenanntes »Zwei-stufenmodell für homogene Böden« von Pesch-ke (Dyck & Peschke, 1995) eingesetzt. Das Ver-fahren von Peschke unterscheidet sich vom ur-sprünglichen Ansatz im wesentlichen durch dieMöglichkeit, diskontinuierliche Niederschlägeverarbeiten zu können.

Der Begriff ›Zweistufenmodell‹ leitet sich ausder Unterteilung des Infiltrationsvorgangs in eineSättigungsphase – bei ungesättigten Verhältnissen– und eine Rückgangsphase – bei gesättigten Ver-hältnissen – ab. Das eindringende Niederschlags-wasser wird in der Modellvorstellung als sprung-haft vorrückende Feuchtefront idealisiert. DerenVorrücken wird vom Sättigungsdefizit sowie denbodenphysikalischen Kenngrößen hydraulischeLeitfähigkeit des Bodens und Saugspannung ander Feuchtefront bestimmt, die in der Bodenta-belle des Modells (siehe Tab. 4.2, S. 52) aufgelis-tet sind.

Das Ergebnis der Berechnungen des Infiltrati-onsmodells ist eine Aufteilung des Niederschlagesin Infiltrationsüberschuss, der zu Direktabflusswird und infiltrierendes Wasser, das an das Boden-modell übergeben wird.

Unterirdische Fließvorgänge

Eine Übersicht über das Speicherkonzept des Bo-denmodells gibt Abb. 4.2, S. 50. InfiltrierenderNiederschlag wird zunächst an die pflanzenver-fügbaren Mittelporen der Wurzelzone sowie andie nicht pflanzenverfügbaren Mittelporen unter-halb der Wurzelzone abgegeben. Sind die Mittel-poren gesättigt, so füllen sich die Grobporen, dieden Sickerwasserbereich der Bodenmatrix dar-stellen. Abhängig von der Leitfähigkeit des Grob-porenbereichs kann vom Grobporenspeicher ausWasser in die gesättigte Zone perkolieren und aufdiese Weise den Basisabflussspeicher füllen. Außer-dem kann – abhängig vom Sättigungsdefizit desGrobporenbereichs – ein Teil des dort gespei-cherten Wassers über bevorzugte laterale Fließwe-ge (preferential pathways) als Interflow rasch zumAbfluss kommen, ohne die gesättigte Zone zuspeisen.


50

Verdunstung findet innerhalb des Bodenmodellsnur aus dem pflanzenverfügbaren Mittelporen-speichers heraus statt. Ein Teil des Sättigungsde-fizits der Mittelporen wird als Kapillaraufstieg ausder gesättigten Zone ausgeglichen.

Das Sättigungsdefizit des Bodenspeichers ei-ner Gitterzelle insgesamt errechnet sich anhandeines Ansatzes, der auf dem Konzept des hydrolo-gischen Modells topmodel (Beven et al., 1995)beruht. In topmodel wird die Tendenz einerGitterzelle zur Bildung von Sättigungsoberflächen-abfluss durch einen sogenannten topographischenIndex beschrieben, der sich mit Hilfe eines digita-len Höhenmodells bestimmen lässt. Der topogra-phische Index errechnet sich aus dem lokalenEinzugsgebiet einer betrachteten Gitterzelle undderen Hangneigung:

(4.2)

ct Topographischer Index einer Gitterzelle [–]a Spezifische Einzugsgebietsfläche [m²/m]

dieser Gitterzelle bezogen auf deren Kantenlängeβ Hangneigung dieser Zelle [m/m]

Je größer das lokale Einzugsgebiet einer Zelle undje kleiner deren Hangneigung, desto größer istder topographische Index und damit die Tendenzzur Sättigung der Zelle. Am Beispiel des Lein-

Einzugsgebietes (siehe Karte 4.1, S. 51) wirddeutlich, dass der topographische Index dement-sprechend im Talboden hohe, an steilen Hängenund auf Kuppen hingegen niedrige Werte an-nimmt.

Der topographische Index basiert auf der An-nahme, dass der hydraulische Gradient der gesät-tigten Zone näherungsweise dem Gefälle der Ge-ländeoberfläche entspricht, was in vielen Fällennicht zutrifft. Hierauf weisen beispielsweiseFreer et al. (1997) hin.

In topmodel selbst werden die Bodenfeuch-teverhältnisse anhand eines mittleren Sättigungs-defizits für das gesamte Einzugsgebiet charakteri-siert. Der topographische Index einer jedenGitterzelle fließt dabei lediglich als Häufigkeits-verteilung in die hydrologische Modellierung ein.Anhand dieser Häufigkeitsverteilung wird be-stimmt, welcher Anteil des Einzugsgebietes beieinem bestimmten mittleren Sättigungsdefizitgesättigt ist und damit Sättigungsoberflächenab-fluss bildet.

Auch in wasim-eth wird am Ende eines jedenZeitschritts das mittlere Sättigungsdefizit einesTeileinzugsgebietes berechnet. Im Gegensatz zutopmodel wird jedoch das Sättigungsdefizit zuBeginn des nächsten Zeitschritts entsprechenddes jeweiligen topographischen Index wieder aufdie einzelnen Gitterzellen verteilt, um eine zellen-weise Berechnung der Abflussbildung zu ermög-lichen.

Abb. 4.2 Speicherkonzept des Bodenmodells

bevorzugtelaterale

Fließwege

Grobporen

pflanzenverfügbare

nichtpflanzenverfügbare

Mittelporen

Gesättigte Zone

Verdunstung

Sätt

igun

gsde

fizit

Tiefen-sickerung

Rückfluss

Basisabfluss

Interflow

bevorzugtelaterale

Fließwege

Gro

bpor

en

pflanzenverfügbareMittelporen

Gesättigte Zone

Sätt

igun

gsde

fizit

Tiefensickerung

Rückfluss

Basisabfluss

InterflowKapillaraufstieg

Direktabfluss

NiederschlagVerdunstung

(a) großes Sättigungsdefizit (b) geringes Sättigungsdefizit

cta

βtan-----------

� �� ln=


51

Hyd

rolo

gis

che

s M

od

ell

4.3.3.2 Version mit Richards-Gleichung

Die Richards-Gleichung hat für die Beschrei-bung der eindimensional vertikalen Wasserbewe-gung in der ungesättigten Zone folgende Form:

(4.3)

Θ Volumetrischer Wassergehalt [m³/m³]t Zeit [s]q Spezifischer Fluss [m/s]z Vertikalachse [m]k Hydraulische Leitfähigkeit [m/s]

als Funktion des Wassergehaltesψh Hydraulisches Potenzial [m]

als Funktion des Wassergehaltes(Hydraulisches Potenzial ψh [m]= Matrixpot. ψm [m] + Gravitationspot. ψz [m])

Zur Beschreibung der Wasserbewegung in derungesättigten Zone wird der Boden aus numeri-schen Gründen in zahlreiche Schichten unter-teilt, die im Fall von wasim-eth alle mit den glei-chen Bodeneigenschaften und der gleichenMächtigkeit ausgestattet sind.

Ist der Boden gesättigt, so vereinfacht sich dieRichards-Gleichung und nimmt die Form desDarcy-Gesetzes an. Zur Bestimmung der Saug-spannungs-Wassergehalts-Funktion sowie derLeitfähigkeits-Wassergehalts-Funktion wird inwasim-eth ii der Ansatz von Van Genuchten(1980) eingesetzt. Die hierfür notwendigenBrooks-Corey-Parameter werden anhand derPedotransferfunktionen von Rawls & Braken-siek (1989) abgeschätzt.

4.3.3.3 Bodenparameter beider Versionen

Wie in Abb. 4.1, S. 46 illustriert wird das Grid,das die Verteilung der Bodenarten im Einzugsge-biet enthält, während der Simulation mit den inder Steuerdatei vorgegebenen Bodenkennwertenverknüpft. Einige dieser Kennwerte sind inTab. 4.2, S. 52 aufgeführt.

Weitere Bodenparameter dienen in wasim-eth ii zur Berechnung der hydraulischen Leitfä-higkeit bei nicht gesättigten Verhältnissen, zurBeschreibung der Abnahme der hydraulischenLeitfähigkeit mit der Tiefe, zur konzeptionellenBerücksichtigung von bevorzugten Fließwegensowie zur Anpassung der Berechnungsergebnisse

Karte 4.1 Verteilung des topographischen Index am Beispiel des Einzugsgebietes der Lein

N

2 0 2 4 6 8 10 km

10

15

25

20

Topo-Index [–]

∂Θ∂t------- ∂q

∂z------

z∂∂

k– Θ( )ψh Θ( )

z∂---------------⋅

� �� ⋅= =


52

von Simulationen mit großen Zeitschritten andie Ergebnisse von mit kleinen Zeitschrittendurchgeführten Modellrechungen. Außerdementhält die Bodentabelle die Anzahl der zudurchlaufenden Bodenschichten sowie derenMächtigkeit.

Der Einfluss der Landnutzung auf die Boden-eigenschaften bzw. die Abflussbildung bei Hoch-wasser kann – falls Daten hierzu vorliegen –durch Veränderung der Bodenkennwerte in derSteuerdatei berücksichtigt werden. Zusätzlichkönnen in der Steuerdatei neue Bodenarten ver-einbart werden.

4.3.3.4 Diskussion der beiden Versionen

Der Argumentation in Kap. 2.6.4 folgend wurdezunächst der Modellversion ii der Vorzug gege-ben. Dabei erwies es sich jedoch als Manko, dassdie Wasserbewegung in der ungesättigten Zonein wasim-eth ii als laminare Fließbewegung ineiner monoporösen homogenen Bodenmatrixaufgefasst wird, was die tatsächlichen Verhältnis-se nicht angemessen widerspiegelt. Um den Ein-fluss bevorzugter Fließwege wie Makroporen oderhochdurchlässiger Bereiche auf die Abflussbil-

dung mit dem Modell nachvollziehen zu können,war es nötig, die hydraulische Leitfähigkeit derBodenmatrix stark zu erhöhen. Folge davon isteine insgesamt raschere Perkolation des Boden-wassers, die der Realität nicht entspricht. DieserMissstand von Modellen, die die Fließbewegungin der ungesättigten Zone ausschließlich mit derRichards-Gleichung beschreiben, wurde bereits1986 von den Urhebern von she erkannt (Ba-thurst, 1986), aber auch in der Nachfolge nichtbehoben. Stattdessen kommen nach wie vor so-genannte effektive hydraulische Leitfähigkeitenzum Einsatz, die nur geringen Bezug zur messba-ren hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenmatrixbesitzen. Durch diese Praxis wird auch der prinzi-pielle Vorteil derartiger Modelle, die Bodenwas-serbewegung explizit zu simulieren, geschmälert.Eine Erweiterung des Bodenmodells mitRichards-Gleichung um eine ebenfalls mikro-skalige Simulation der Fließbewegung in bevor-zugten Fließwegen, wie bereits in Hangmodellengeschehen, ist jedoch für mesoskalige Einzugsge-biete fragwürdig.

Die Modellversion i verzichtet mit ihremSpeicherkonzept auf eine explizite Modellierungder Bodenwasserbewegung, was ihre Aussagekraft

Tab. 4.2 Ausgewählte Bodenparameter des Bodenmoduls im hydrologischen Modell WaSiM-ETH

Bodenart

Gesättigtehydraul.

Leitfähigkeit [m/s]

Wassergehalt [Vol.-%]oberhalb des Permanenten Welkepunkts Saugspannung an

der Feuchtefront[mm]der nutzbaren

Feldkapazitätbei gesättigtem

Boden

Sand 8·10–5 6 39 385

Lehmiger Sand 4·10–5 11 37 375

Sandiger Lehm 1·10–5 12 35 345

Sandig toniger Lehm 4·10–6 13 29 290

Lehm 3·10–6 13 35 350

Schluffiger Lehm 1·10–6 23 39 380

Toniger Lehm 5·10–7 21 32 315

Schluff 7·10–7 28 43 340

Sandiger Ton 3·10–7 19 28 280

Schluffig toniger Lehm 2·10–7 28 34 340

Ton 6·10–8 29 31 310

Schluffiger Ton 6·10–7 28 29 290

Moor 8·10–5 47 70 750

Erweiterungen des Modells

53

Hyd

rolo

gis

che

s M

od

ell

bezüglich der Bodenfeuchteentwicklung ein-schränkt. Die Dynamik der Speicher wird außer-dem von hochsensitiven Parametern ohne direktephysikalische Entsprechung bestimmt, die sichlediglich aus gemessenen Abflussganglinien ablei-ten lassen. Dieser Mangel wird jedoch teilweisedadurch ausgeglichen, dass die einzelnen Spei-cher mit bodenphysikalischen Kenngrößen ver-

knüpft sind. Ein Vorzug des Speicherkonzeptesist es, dass wichtige Abflussbildungsmechanis-men in einer den Unsicherheiten der Mesoskalaangemessenen Weise repräsentiert werden. Dieserleichtert auch die Erweiterung des konzeptio-nellen Bodenmodells um weitere Abflussbil-dungsmechanismen, die als bedeutsam angese-hen werden.

4.4 ERWEITERUNGEN DES MODELLS

Aus den in Kap. 4.3.3.4 angestellten Überlegun-gen heraus wurden die Erweiterungen in das Bo-denmodell der Topmodelversion von wasim-etheingebettet. Um sicherzustellen, dass wasim-ethauch wie bisher betrieben werden kann, wurdedie Struktur des in Kap. 4.3.3.1 beschriebenenBodenmodells nicht angetastet. Dementspre-chend wurden sämtliche Neuerungen so in dasbestehende Bodenmodell eingefügt, dass siedurch entsprechende Angaben in der Steuerdateides Modells aktiviert beziehungsweise deaktiviertwerden können. Die den Neuerungen zugrunde-liegenden Ideen sind nicht auf wasim-eth be-schränkt, sondern lassen sich auch in andere Mo-delle integrieren.

4.4.1 Makroporenfluss

Bisher wird in wasim-eth der Boden als homoge-nes, monoporöses und meist isotropes Mediumbehandelt. Dementsprechend kann der Einflussvon Makroporen im Modell nur anhand erhöhtersogenannter effektiver hydraulischer Leitfähigkei-ten der Bodenmatrix wiedergegeben werden. DerNachteil hieran ist, dass anstelle der Umgehungder Bodenmatrix auf bevorzugten Fließwegeneine unabhängig von der Bodenfeuchte insge-samt raschere vertikale Fließbewegung des Was-sers simuliert wird. In der Topmodelversion gibtes daneben die Möglichkeit, einen bestimmtenProzentsatz des Infiltrations- bzw. Sättigungsü-berschusses wieder infiltrieren zu lassen sowieoberhalb einer bestimmten Grenzniederschlags-intensität sämtliches Niederschlagswasser direktin den Grobporenspeicher einzuleiten. BeideMöglichkeiten, den Einfluss von Makroporen

nachzubilden, haben den Nachteil, dass die zuge-hörigen Parameter weder mit belegbaren Wertenversehen werden können noch eine Differenzie-rung verschiedener Landnutzungen erlauben.In der neuen Berechnungsroutine werden Ma-kroporen als zusätzlicher Speicherraum aufgefasst,der sowohl zur Bodenoberfläche als auch zur Bo-denmatrix Kontakt hat. Das Fassungsvermögender Makroporen errechnet sich aus der Makropo-rosität des Bodens sowie der Tiefe, bis zu der sichdie nach der Modellvorstellung vertikalen Ma-kroporen erstrecken. Diese beiden Größen sindin der Landnutzungstabelle des Modells getrenntfür jede Landnutzung festzulegen. Dabei ist zubeachten, dass Makroporosität und Tiefe nebender Landnutzung auch von den Bodeneigen-schaften abhängen. Deshalb müssen unter Um-ständen in der Landnutzungstabelle Landnut-zungs-/Bodenkombinationen voneinander un-terschieden werden.

Die Füllung des Makroporenraums erfolgt aufzwei Wegen: (1) durch Infiltrationsüberschuss, dendas Infiltrationsmodell vorgibt sowie (2) durchSättigungsüberschuss der Bodenmatrix, der im Bo-denmodell anhand des Topmodel-Ansatzes be-rechnet wird. Ist die Bodenmatrix noch nicht ge-sättigt, so ist eine kurzfristige Füllung der Makro-poren mit Infiltrationsüberschuss über dasMakroporenvolumen hinaus möglich. Voraus-setzung dafür ist, dass diese zusätzliche Wasser-menge innerhalb des Zeitschritts von der Boden-matrix aufgenommen werden kann, was vomEntleerungsverhalten des Makroporenspeichersabhängt. Dieses Konzept stellt eine Vereinfa-chung des von Bronstert (1999) für die Hang-skala vorgestellten Ansatzes dar.


54

Verschlämmung (siehe Kap. 4.4.2) sorgt dafür,dass der Zugang zu den Makroporen von der Bo-denoberfläche her teilweise verschlossen wird.Dies hat zur Folge, dass entstehender Infiltrati-onsüberschuss nur noch bedingt in die Makropo-ren eindringen kann (Berkenhagen, 1998). Aufdie Aufnahme von Sättigungsüberschuss über dieBodenmatrix hat die Verschlämmung hingegenkeinen Einfluss.

Die Entleerung des Wassers aus den Makropo-ren in die Bodenmatrix erfolgt ausschließlich inden Grobporenspeicher des Bodenmodells, da die-ser sowohl Anschluss an den Interflowspeicher alsauch an den Basisabflussspeicher hat. Dieses Vor-gehen wird der Modellvorstellung gerecht, dassMakroporen (1) eine schnelle Tiefensickerungund Umgehung der Bodenmatrix ermöglichensowie (2) bei Vorhandensein bevorzugter Fließ-wege in lateraler Richtung eine rasche unterirdi-

sche Reaktion auf Starkniederschläge begünsti-gen. Die Abgabe von Wasser an den Grobporen-speicher erfolgt abhängig vom Bodenfeuchtedefizitund der Speicherkonstante des Makroporenspei-chers, die in der Steuerdatei des Modells teilge-bietsbezogen definiert wird:

(4.4)

SM Speicherinhalt des Makroporenspeichers [mm]kSM Auslaufkonstante des Makroporenspeichers [h]∆t Länge eines Zeitschritts [h]cΘ Sättigungsdefizit des Bodenspeichers [0 bis 1]qpot Wassermenge, die innerhalb eines [mm/h]

Zeitschritts maximal von den Makroporen an die Bodenmatrix abgegeben werden kann, wenn das Sättigungsdefizit des Grobporenspeichers dies zulässt

Abb. 4.3, S. 54 gibt vereinfacht die Wirkungswei-se der Makroporenroutine für verschiedene Bo-denfeuchteverhältnisse wieder. Gesättigte Ver-hältnisse schließen eine Abgabe von Wasser ausden Makroporen an die Bodenmatrix aus.

Diese Ausführungen sollen nicht darüber hin-wegtäuschen, dass Angaben zu Makroporositätund zur Tiefenerstreckung von Makroporen inder Literatur spärlich und selten übertragbarsind. Gleiches gilt für die Interaktion zwischenMakroporen und Matrix, die von der Modeller-weiterung sehr vereinfacht wiedergegeben wird.Da jedoch die Bedeutung von Makroporen fürdie Abflussbildung bei Starkniederschlägen un-strittig ist, wird einer unsicheren Berücksichti-

gung der Makroporendynamik der Vorzug gege-ben vor der Alternative, diese zu ignorieren.

4.4.2 Verschlämmung

Verschlämmung (siltation, soil surface sealing)bezeichnet die Bildung einer geringdurchlässigenSchicht an der Bodenoberfläche als Folge derAufprallwirkung von Regentropfen währendStarkniederschlägen. Dieser Vorgang setzt sich imwesentlichen aus den Teilprozessen Aggregatzer-fall, Aggregatverformung und Partikeleinrege-lung zusammen und bewirkt eine Verdichtungder Bodenoberfläche bis in eine Tiefe von mehre-ren Millimetern. Verschlämmung wird begüns-

qpot SM 1 e

∆tkSM---------–

–

� ��

cΘ⋅ ⋅=

Abb. 4.3 Modellkonzept für die Wirkungsweise von Makroporen

Bodenmatrix

Niederschlag


Mak

ropo

ren

Bodenmatrix

Mak

ropo

ren

Bodenmatrix

Mak

ropo

ren

(c) gesättigte Verhältnisse

Niederschlag

Infiltrationsüberschuss Infiltrationsüberschuss

Sättigungs-überschuss

ExfiltrationExfiltration


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tigt durch einen geringen Bodenbedeckungsgradsowie einen hohen Anteil einregelbarer Partikelin Verbindung mit einem geringen Anteil aggre-gatstabilisierender Substanzen wie Ton- und Hu-musteilchen. Als besonders verschlämmungsan-fällig gelten ackerbaulich genutzte Böden ausLöss (Auerswald, 1993). Auslöser von Ver-schlämmung sind nach Roth et al. (1995) Star-kniederschläge mit einer Intensität von mindes-tens 5 mm/h.

Einen guten Überblick über den Einfluss desBodenbedeckungsgrades auf Verschlämmung ge-ben ebenfalls Roth et al. (1995): Beregnungsver-suchen im Labor zufolge tritt eine nennenswerteAbnahme der Infiltrationsrate erst unterhalb ei-nes Bodenbedeckungsgrades von 0,55 (entspricht55% Bodenbedeckung) auf. Da bei diesen Versu-chen mit einer extremen Intensität von ungefähr40 mm/h beregnet wurde, kann dieser Bodenbe-deckungsgrad bereits als Obergrenze für Ver-schlämmung aufgefasst werden. Eine weitere vonRoth et al. (1995) zitierte Untersuchung imHangmaßstab zeigt, dass ein Teil des lokal in ver-schlämmten Bereichen gebildeten Oberflächen-abflusses hangabwärts an vor Verschlämmung ge-schützten Stellen wieder infiltriert. Dieser Effekttritt erst unterhalb von Bodenbedeckungsgradenvon 0,3 in den Hintergrund.

Über die Stärke der Abnahme der hydrauli-schen Leitfähigkeit durch Verschlämmung gibt essehr unterschiedliche Angaben. Helming (1992)nennt als Größenordnung für die Abnahme derLeitfähigkeit durch Verschlämmung einen Faktor10. Eine in Roth et al. (1995) beschriebene Un-tersuchung gibt für eine Parabraunerde aus Lössbei Verschlämmung eine hydraulische Leitfähig-keit von etwa 2·10–7 m/s an. Gegenüber der Leit-fähigkeit typischer Lössböden in der Bodentabel-le von wasim-eth stellt dies eine Abnahme umeinen Faktor 3 dar. Unterhalb der Verschläm-mungsschicht entsteht Unterdruck, der eine Sog-wirkung auf infiltrierendes Niederschlagswasserausübt. Aus diesem Grund liegen die Infiltrati-onsleitfähigkeiten verschlämmter Böden in derRegel um einen Faktor 10 bis 20 über der Leitfä-higkeit der Verschlämmungsschicht allein.

Die für wasim-eth i entwickelte Verschläm-mungsroutine bewirkt zum einen eine Abnahme

der hydraulischen Leitfähigkeit an der Bodenober-fläche bei der Berechnung der Infiltration. Zumanderen verschließen sich bei Verschlämmungdie Öffnungen der Makroporen an der Bodeno-berfläche, so dass kein Niederschlagswasser mehrvon der Bodenoberfläche her in die Makroporeneindringen kann (siehe Kap. 4.4.1). Kennwertfür die Stärke der Verschlämmung ist ein dimen-sionsloser sogenannter maximaler Verschläm-mungsfaktor mit einem Wertebereich von 0 bis 1.Dieser maximale Verschlämmungsfaktor wird ab-hängig von der aktuellen Niederschlagsintensitätund dem aktuellen Bodenbedeckungsgrad gege-benenfalls abgemindert. Die durch Verschläm-mung verringerte hydraulische Leitfähigkeit er-gibt sich aus folgendem einfachen Zusammen-hang:

(4.5)

ksilt Hydraulische Leitfähigkeit [m/s]des verschlämmten Bodens

kf Unverschlämmte hydraulische Leitfähigkeit [m/s]aus der Bodentabelle

Csilt Aktueller Verschlämmungsfaktor [–]

Der maximale Verschlämmungsfaktor Cmax wirdlandnutzungsbezogen in der Steuerdatei des Mo-dells definiert. Entsprechend dem oben gesagtenund den bisherigen Erfahrungen mit der Ver-schlämmungsroutine können hierfür Werte zwi-schen 0,3 und 0,1 oder darunter als realistisch an-gesehen werden.

Unterhalb einer Niederschlagsintensität von5 mm/h und oberhalb eines Bodenbedeckungs-grades von 0,5 tritt im Modell keine Verschläm-mung auf, d.h. der aktuelle Verschlämmungsfak-tor ist dann 1. Ab einer Niederschlagsintensitätvon mehr als 10 mm/h sowie einem Bodenbede-ckungsgrad von 0 verschlämmt der Bodenstärkstmöglich, d.h. der aktuelle Verschläm-mungsfaktor entspricht dann dem in der Steuer-datei festgelegten Maximalwert. Im Übergangs-bereich zwischen den genannten Grenzwerten er-rechnet sich der aktuelle Verschlämmungsfaktoraus dem maximalen Verschlämmungsfaktor so-wie dem Mittelwert der Einflüsse von Nieder-schlagsintensität und Bodenbedeckungsgrad:

ksilt kf Csilt⋅=


56

(4.6)

Csilt Aktueller Verschlämmungsfaktor [–]Cmax Maximaler Verschlämmungsfaktor [–]Ccover Verschlämmungsfaktor [–]

des aktuellen BodenbedeckungsgradesCPI Verschlämmungsfaktor [–]

der aktuellen Niederschlagsintensität

Ccover und CPI ergeben sich aus einer linearen Be-ziehung, die in Abb. 4.4, S. 56 graphisch darge-stellt ist.

Kommt es bei einem Starkregenereignis zurVerschlämmung der Bodenoberfläche, so bleibtdie Verschlämmungsschicht bei geringer biologi-scher Aktivität im Extremfall bis zur Ernte erhal-ten (Helming, 1992). Eine zwischenzeitlichdurchgeführte Lockerung des Oberbodens hin-

gegen zerstört eine Verschlämmungsschicht. Dazur Entwicklung der Verschlämmungsschichtmeist keine Angaben verfügbar sind, wird imModell analog zu einer Idee von Schröder(2000) behelfsweise davon ausgegangen, dass sichdie Bodenoberfläche über einen längeren Zeit-raum hinweg regeneriert, was mit folgender Be-ziehung ausgedrückt wird:

(4.7)

Csilt(ti) Aktueller Verschlämmungsfaktor [–]im laufenden Zeitschritt ti

Csilt(ti-1)Aktueller Verschlämmungsfaktor [–]im vorangegangenen Zeitschritt ti-1

∆t Größe eines Modellierungszeitschritts [h]bezogen auf die 24 Stunden eines Tages

Ausgehend von einem VerschlämmungsfaktorCsilt(t0) = 0,3 ergibt sich aus Gl. 4.7, S. 56 mitdem gewählten Regenerierungsfaktor von 0,01eine ungefähr vier Monate andauernde Regenera-tionsphase des Bodens nach einem Starkregener-eignis. Die Regenerationsphase endet spätestensmit der Ernte, deren Zeitpunkt sich aus der Phä-nologie der Landnutzung ergibt.

4.4.3 Versiegelung

Bisher werden in wasim-eth Siedlungsflächen imBodenmodell als geringdurchlässige Böden mitgeringer Speicherkapazität behandelt, um so de-ren mittleres Verhalten bei Niederschlägen abzu-bilden. Tatsächlich bestehen Siedlungsflächenzwar einerseits aus asphaltierten, gepflastertenoder überbauten Teilbereichen, deren Oberflächenahezu keine Infiltration zulässt. Andererseits

Csilt Cmax 1 Cmax–( )+Ccover CPI+

2-----------------------------⋅=

Abb. 4.4 Einfluss von Bodenbedeckung und Niederschlagsintensität auf die Ausprägung einer Verschläm-

mungsschicht in der Verschlämmungsroutine für WaSiM-ETH

Col 1 vs Col 2 Col 1 vs Col 2

Einfluss der Bodenbedeckung

Bodenbedeckungsgrad [–]

0.0 0.5 1.0

Ver

schl

ämm

ungs

fakt

or C

cove

r [–] 0.0

0.5

1.0

Einfluss der Niederschlagsintensität

Niederschlagsintensität [mm/h]

0 5 10 15 20

Ver

schl

ämm

ungs

fakt

or C

PI [–

] 0.0

0.5

1.0

Csilt ti( ) Csilt ti-1( ) 1 0.01∆t24------⋅+

� �� ⋅=


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gibt es aber genauso auch Bereiche wie Grünstrei-fen, Gärten oder Parkanlagen, in denen gute In-filtrationsbedingungen und Bodenspeicherver-hältnisse bestehen können. Ein Mittelwert ausdiesen Teilbereichen überschätzt zwangsläufigden Einfluss der versiegelten Flächen auf die Ab-flussbildung bei Starkniederschlägen und unter-schätzt zugleich die ausgleichende Wirkung vonFreiflächen auf den Wasserhaushalt in Siedlungs-gebieten.

Um diese Form der Heterogenität innerhalbeinzelner Gitterzellen (subgrid variability) explizitbeschreiben zu können, wird der auf Siedlungs-flächen fallende Niederschlag entsprechend desVersiegelungsgrades einer Zelle auf einen versiegel-ten und einen unversiegelten Bereich aufgeteilt.

Das Modellkonzept ist jedoch nicht an Sied-lungsflächen gebunden, sondern ermöglicht auchdie Berücksichtigung von Wegenetzen in land-wirtschaftlich genutzten Bereichen, von Straßenaußerhalb von Siedlungen sowie generell vonkleinflächiger oder linienhafter Infrastruktur, diebei Maschenweiten des Landnutzungsgrids von100 × 100 m und mehr meist der räumlichen Ag-gregierung zum Opfer fällt.

Die Festlegung des Versiegelungsgrades einerLandnutzung erfolgt in der Landnutzungstabelledes Modells. Auf diese Weise können auch Sied-lungsbereiche mit unterschiedlicher Bebauungs-dichte voneinander unterschieden werden, inso-fern Angaben zu deren räumlicher Verteilungvorliegen.

Wie Abb. 4.5, S. 57, zeigt, gelangt der auf versie-gelte Teilflächen fallende Niederschlag, sofern einAnschluss besteht, zunächst in die Kanalisation.Der auf Freiflächen fallende Niederschlag hinge-gen kann entsprechend der Bodenfeuchte undder Bodeneigenschaften entweder infiltrierenund versickern oder als Infiltrationsüberschussunmittelbar zum Direktabfluss beitragen. DerNiederschlag auf unversiegelte Teilflächen einerGitterzelle lässt sich deshalb wie folgt bilanzieren:

(4.8)

P Niederschlag auf eine Gitterzelle [mm/h]ψ Versiegelungsgrad [–]Exu Infiltrationsüberschuss [mm/h]Inu Infiltrierendes Wasser [mm/h]

Einfluss der KanalisationNiederschlag, der auf versiegelte Bereiche fällt,die im sogenannten Mischsystem entwässert wer-den, gelangt zusammen mit häuslichem und in-dustriellem Abwasser in die Kanalisation. Wirddabei die Transportkapazität des Kanalnetzesbzw. die Aufnahmekapazität einer Kläranlageüberschritten, so wird das überschüssige Wasseran ein nahegelegenes Fließgewässer abgegeben.Um zu verhindern, dass auf diese Weise das amstärksten kontaminierte Gemisch aus ver-schmutztem Regenwasser und Abwasser vom Be-ginn eines Niederschlagsereignisses (auch Spül-stoß genannt) ungeklärt einem Gerinne zuge-führt wird, gibt es in der Kanalisation sogenannteMischwasserbecken, die eine Zwischenspeiche-rung ermöglichen. Das in Mischwasserbecken

Abb. 4.5 Modellkonzept zur expliziten Berücksichtigung versiegelter und an die Kanalisation angeschlos-

sener Bereiche innerhalb einer Gitterzelle

Niederschlag

ψ (1 )− ψ

Infiltrationsüberschussauf Freiflächen

Ableitung von Niederschlagswasserin versiegelten Bereichen

Infiltration und Versickerungauf Freiflächen

Versiegelungsgrad

Überlauf in den Vorfluter

Drosselabfluss zur Kläranlage

Mischwasserbecken

P 1 ψ–( )⋅ Inu Exu+=


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gespeicherte Wasser wird über einen gedrosseltenAblauf verzögert an eine Kläranlage abgegeben.Überschreitet die Niederschlagsmenge sowohldie Kapazität des gedrosselten Ablaufs als auchdas Aufnahmevermögen eines Mischwasserbe-ckens, so wird das überschüssige Niederschlags-wasser über ein sogenanntes Entlastungsbauwerknahezu ohne Verzögerung zum Gewässernetz(Vorfluter) abgeleitet. Diese Wassermenge trägtin der Folge genauso zum Direktabfluss bei wieInfiltrationsüberschuss auf Freiflächen (sieheGl. 4.8, S. 57 und Gl. 4.9, S. 58).

Der Rückhalt, den Mischwasserbecken in ver-siegelten Bereichen bieten, wird im Modell durchdie mittlere Speicherkapazität der Mischwasserbe-cken SKmax und die Transportkapazität des Drosse-labflusses qSK aus diesen Becken charakterisiert.Näherungsweise wird davon ausgegegangen, dassder Teil des Wassers, der über den Drosselabflussan die Kläranlage abgegeben wird, stark verzögertam Abflussgeschehen teilnimmt. Der Drosselab-fluss in Richtung Kläranlage wird zu diesemZweck vereinfachend an den Basisabflussspeicherabgegeben. Folgende Gleichung dokumentiertdie beschriebene Aufteilung des Niederschlagesin die Komponenten Speicherung, Drosselabflussund Überlauf:

(4.9)

P Niederschlag auf eine Gitterzelle [mm/h]ψ Versiegelungsgrad [–]Exs Überlauf in den Vorfluter [mm/h]SKmax Speicherkapazität der Mischwasserbecken [mm]∆SK Speicherzuwachs in den Becken [mm/h]SK Aktueller Speicherinhalt der Becken [mm]qSK Konstanter Drosselabfluss [mm/h]

aus den Mischwasserbecken zur Kläranlage

Richtwerte für SKmax und qSK lassen sich aus denBemessungsgrundlagen für Entwässerungssyste-me im Arbeitsblatt A 128 der Abwassertechni-schen Vereinigung e.V. (1992) oder in Bischof(1993) ableiten. Für die Speicherkapazität vonMischwasserbecken kann danach ein Wert von2 bis 3 mm angesetzt werden. Die Transportka-pazität des Drosselabflusses für Niederschlags-

wasser bewegt sich abhängig vom aktuellen Ab-wasseraufkommen in einer Größenordnung von0,3 bis 0,6 mm/h (zur Parameterisierung sieheauch Kap. 4.4.6.2).

4.4.4 Dezentraler Rückhalt

Analog zur Interzeption sorgt der Rückhalt inMulden, die durch Unebenheiten der Gelände-oberfläche entstehen oder gezielt angelegt wer-den, für eine oberirdische Speicherung von Nie-derschlagswasser. Im Unterschied zur Interzep-tionsspeicherung kann jedoch Wasser, das an derBodenoberfläche gespeichert ist, mit Verzöge-rung versickern und so am Bodenwasserhaushaltteilnehmen. Der Begriff ›dezentraler Rückhalt‹ istals Überbegriff für natürliche Hohlformen einer-seits sowie gezielt angelegte Versickerungsmuldenandererseits zu verstehen.

Ähnlich wie der in Kap. 4.4.1 eingeführteMakroporenspeicher füllt sich der dezentraleRückhalt im Modell (1) mit Infiltrationsüberschussaus dem Infiltrationsmodell sowie (2) mit Sätti-gungsüberschuss, der als return flow aus dem Bo-den austritt. Allerdings füllt sich der dezentraleRückhalt erst dann, wenn die Aufnahmefähigkeitder Makroporen für Infiltrations- bzw. Sätti-gungsüberschuss erschöpft ist. Die Füllung desdezentralen Rückhalts wird ausschließlich vonder Speicherkapazität des Rückhalts begrenzt, diein der Landnutzungstabelle des Modells definiertist.

Die Entleerung des dezentralen Rückhalts er-folgt als Versickerung in die Bodenmatrix. Dabeifüllen sich zunächst die pflanzenverfügbaren Mit-telporen und anschließend die Mittelporen unter-halb der aktuellen Wurzelzone. Sind die Mittel-poren gesättigt, so wird das infiltrierende Wasseran die Grobporen abgegeben. Ist der Boden insge-samt gesättigt, so verbleibt das Wasser im dezent-ralen Rückhalt. Die Versickerung von Wasser auseinem dezentralen Rückhalt wird im Modelldurch die hydraulische Leitfähigkeit der Boden-oberfläche gesteuert. Diese wird unabhängig vonder hydraulischen Leitfähigkeit der Bodentabelledes Modells als Landnutzungsparameter festge-legt oder als Grid eingelesen. Auf diese Weisekann der anhand von Pfützen gewonnenen früh-kindlichen Erfahrung Rechnung getragen wer-

P ψ⋅ SK∆ qSK+= für SK SKmax<

P ψ⋅ Exs qSK+= für SK SKmax=


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den, dass am Boden einer natürlichen Mulde sedi-mentiertes Feinmaterial auch bei sonst hoher hy-draulischer Leitfähigkeit des Bodens eine schnelleVersickerung verhindert. In Bezug auf gezielt an-gelegte Versickerungsmulden bedeutet dies, dassdas definierte Entleerungsverhalten des dezentra-len Rückhalts unabhängig von den Bodeneigen-schaften eines Pixels explizit berücksichtigt wer-den kann. Die Versickerung aus dem dezentralenRückhalt in den Boden beginnt erst, wenn in ei-nem Zeitschritt weder Infiltrations- noch Sätti-gungsüberschuss auftreten, da beide Größen In-dikatoren für die Erschöpfung der Aufnahmefä-higkeit der Bodenoberfläche darstellen.

4.4.5 Grundwasserentzug

Sind in einem Gebiet Grundwasserentnahmenoder ein Grundwasserabstrom am Durchflusspe-gel vorbei bekannt, so können diese Verlustglie-der der Wasserbilanz eines Einzugsgebietes bis-lang in wasim-eth i nur als Ableitung vom Ge-samtabfluss des Gebietes abgezogen werden. Dieshat den Nachteil, dass (1) der Grundwasserentzugnicht auf Teileinzugsgebiete bezogen werden

kann und (2) der Direktabfluss den Grundwas-serentzug genauso speist wie der Basisabfluss.

Auch in der neuen Berechnungsroutine wirdGrundwasser nicht zellweise dem Speicher der ge-sättigten Zone entnommen, sondern dem teilge-bietsweise zusammengefassten Basisabfluss entzo-gen, bevor dieser zu den anderen Abflusskompo-nenten eines Teileinzugsgebiets addiert wird.

Als Randbedingungen für den Entzug vonGrundwasser in einem Teileinzugsgebiet dienen(1) eine Mindestbasisabflussmenge, oberhalb dererWasser entzogen werden darf, (2) der Anteil Basi-sabfluss, der entzogen werden soll und (3) einemaximale Wassermenge, die pro Tag entzogenwerden darf.

4.4.6 Übersicht über das erweiterte Bodenmodell

4.4.6.1 Speicherkonzept des erweiterten Bodenmodells

Alle vorgestellten Erweiterungen von wasim-ethi sind als Zusätze zum bisherigen Bodenmodell zuverstehen (siehe Abb. 4.2, S. 50). Ein direkter

Vergleich von Abb. 4.6, S. 59 mit Abb. 4.2, S. 50zeigt die neu geschaffenen Möglichkeiten, die dieModellerweiterungen eröffnen.

Auf die Darstellung der Berücksichtigung vonsubgrid variability in versiegelten Bereichen wur-de in Abb. 4.6, S. 59 der Übersichtlichkeit wegen

Abb. 4.6 Speicherkonzept des erweiterten Bodenmodells

bevorzugtelaterale

Fließwege

Grobporen

pflanzenverfügbare

nichtpflanzenverfügbare

Mittelporen

Gesättigte Zone

Verdunstung

Sätt

igun

gsde

fizit

Tiefen-sickerung

Rückfluss

Basisabfluss

Interflow

bevorzugtelaterale

Fließwege

Gro

bpor

en

pflanzenverfügbareMittelporen

Zone

Sätt

igun

gsde

fizit

Tiefensickerung

Rückfluss

Basisabfluss

InterflowKapillaraufstieg

Direktabfluss

NiederschlagVerdunstung


Mak

ropo

ren

Dezentraler Rückhalt Dezentraler Rückhalt

Gesättigte

Mak

ropo

ren

Abstrom/EntnahmeAbstrom/Entnahme


60

verzichtet. Gleiches gilt für die Wirkung von Ver-schlämmung auf die Füllung des Makroporen-speichers.

4.4.6.2 Parameterisierung der

Modellerweiterungen

Neben der Prozesskenntnis und den wünschens-werten zusätzlichen Informationen zum Zustandder Landoberfläche, die durch die Erweiterungenin die modellhafte Beschreibung der Abflussbil-dung eingebracht werden, ergibt sich aus den

neuen Berechnungsroutinen auch eine Vergröße-rung der Modellunsicherheit. Diese spiegelt sicham deutlichsten in den neuen Kenngrößen wi-der, die dem Modellanwender bei der Nutzungder Modellerweiterungen abverlangt werden(Tab. 4.3, S. 60).

Die neuen Modellparameter sind mit Aus-nahme der teileinzugsgebietsweise definiertenAuslaufkonstante des Makroporenspeichers undden Parametern zum Grundwasserentzug in derLandnutzungstabelle des Modells abgelegt. Ins-gesamt wurde darauf geachtet, die eingeführten

Kenngrößen an messbaren Werten zu orientie-ren. Keine Rücksicht wurde hingegen darauf ge-nommen, ob allgemeingültige Messungen fürdiese Kenngrößen in der Mesoskala existieren.

Tab. 4.4, S. 61 zeigt, wie die Parameter derModellerweiterungen für das Leingebiet parame-terisiert wurden. Die anschließende Diskussionder neuen Parameter ist als Hilfestellung für dieParameterisierung des erweiterten Bodenmodellsin anderen Einzugsgebieten gedacht.

Die Makroporenparameter nSM und dSM, ausdenen sich die Speicherkapazität der MakroporenSMmax ergibt, lassen sich in ihrer Größenord-nung aus Literaturwerten abschätzen (sieheKap. 2.4.2.1). Danach liegt die Makroporositätmeist unter 1 Vol.-%. 2 Vol.-% stellen nach die-

sen Angaben bereits einen sehr hohen Wert dar.Analog hierzu ist eine flächendeckende vertikaleErstreckung von Makroporen in eine Tiefe vonmehr als 2 m in den allermeisten Fällen auszu-schließen. Zur Interaktion zwischen Bodenmat-rix und Makroporen gibt es jedoch kaum Anga-ben, weswegen die Auslaufkonstante kSM des Ma-kroporenspeichers auch eine sehr unsichereGröße darstellt. Kritisch daran ist, dass die Aus-laufkonstante neben der Abgabe von Wasser andie Bodenmatrix auch steuert, ob innerhalb einesZeitschritts kurzfristig über die Speicherkapazitätder Makroporen hinaus Infiltrationsüberschussaufgenommen und wieder abgegeben werdenkann, was massive Auswirkungen auf den Ein-fluss der Makroporen im Modell hat.

Tab. 4.3 Übersicht über die Parameter der Modellerweiterungen

Modellerweiterung Parame-ter Einheit Bedeutung

Makroporen nSM Vol.-% Makroporosität

dSM m Tiefe, bis in die sich die Makroporen erstrecken

kSM h Entleerungskonstante des Makroporenspeichers

Verschlämmung Cmax – Maximaler Verschlämmungsfaktor

Versiegelung ψ – Versiegelungsgrad

SKmax mm Speicherkapazität von Mischwasserbecken

qSK mm/h Drosselabfluss aus Mischwasserbecken

Dezentraler Rückhalt SRmax mm Speicherkapazität des Rückhalts

kSR m/s Hydraulische Leitfähigkeit der Bodenoberfläche

Grundwasserentzug QBmin mm/d Mindestbasisabflussmenge für GWentzug

XT – Anteil Basisabfluss, der entzogen werden soll

XTmax mm/d Maximale Menge, die entzogen werden darf


61

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Die Dynamik von Verschlämmung ist durch denBodenbedeckungsgrad und die Niederschlagsinten-sität vorgegeben. Deren maximale Auswirkungauf die hydraulische Leitfähigkeit der Bodeno-berfläche von Ackerland wird jedoch über denausgesprochen sensitiven Parameter Cmax gesteu-ert, der den in Kap. 4.4.2 zitierten Studien zufol-ge zwischen 0,3 und 0,1 angesiedelt werden kann.Andere Studien legen allerdings eine wesentlichgrößere Bandbreite für diesen Parameter nahe.

Als allgemein gebräuchliche urbanhydrologi-sche Kenngröße ist der Versiegelungsgrad ψ einklar definierter Parameter (siehe Kap. 2.4.1). Diedigitalen Daten des Statistischen Bundesamteszur Bodenbedeckung der Bundesrepublik

Deutschland unterscheiden zwischen dichter Be-bauung der Kernstädte, wo der Versiegelungsgradungefähr von 0,5 bis 0,9 reicht und lockerer Be-bauung, für die ein Wertebereich von 0,1 bis 0,5als realistisch angesehen werden kann. Die Anga-be eines Versiegelungsgrades ist aber genausoauch für andere Landnutzungen sinnvoll. Wie inKap. 2.4.2.2 bereits erwähnt, nehmen beispiels-weise Wirtschaftswege im Bundesdurchschnittungefähr 1,5% der landwirtschaftlich genutztenFläche ein.

Als wichtigste Einflussgröße für die Retentionvon Niederschlagswasser in der Kanalisation wirddie Dynamik von Mischwasserbecken angesehen,deren Speicher- und Abgabeverhalten über die

Tab. 4.4 Landnutzungsabhängige Parameter der Modellerweiterungen am Beispiel der Parameterisie-

rung für das Einzugsgebiet der Lein (Bezeichnungen siehe Parameterübersicht)

Landnutzung

Makroporen Verschlämmung DezentralerRückhalt Versiegelung

nSM[Vol.-%]

dSM[m] Cmax [–] SRmax

[mm]kSR

[m/s] ψ [–]

Siedlung 0,2 1,0 1,0 0,5 1·10–8 0,35

Industrie 0,2 1,0 1,0 0,5 1·10–8 0,60

Flughafen 0,3 0,3 1,0 0,5 1·10–8 0,30

Abbaufläche 0,2 1,0 1,0 0,5 1·10–8 0,50

Grünfläche 0,4 1,0 1,0 1,0 1·10–8 0,10

Sportanlage 0,3 1,0 1,0 1,0 1·10–8 0,20

Wintergetreide 1,0 1,5 0,9 1,0 1·10–8 0,02

Brache 1,0 1,5 0,9 1,0 1·10–8 0,02

Blattfrüchte 1,0 1,5 0,9 1,0 1·10–8 0,02

Sommergetreide 1,0 1,5 0,9 1,0 1·10–8 0,02

Wein 1,0 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,02

Obst 1,0 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,02

Wiese / Weide 1,2 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,02

Parzellenstruktur 1,0 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,02

Landw. / Natur 1,0 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,01

Laubwald 2,4 1,4 1,0 1,5 1·10–8 0,01

Nadelwald 2.0 1,0 1,0 1,0 1·10–8 0,01

Mischwald 2,2 1,2 1,0 1,0 1·10–8 0,01

Natürl. Grünland 2,0 1,5 1,0 1,0 1·10–8 0,02

Wald / Sträucher 2,0 1,2 1,0 1,0 1·10–8 0,01

Wasser / Feuchtfläche 0,0 0,0 1,0 0,0 1·10–8 0,0


62

Parameter Speicherkapazität SKmax und Trans-portkapazität qSK des Drosselabflusses für Nieder-schlagswasser gesteuert wird. Für die Speicherka-pazität von Mischwasserbecken kann bezogen aufdie an das Mischsystem angeschlossene Flächeein Wert von 2 bis 3 mm angesetzt werden ( Ab-wassertechnische Vereinigung e.V., 1992; Bi-schof, 1993). Die Transportkapazität des Drosse-labflusses aus Mischwasserbecken ist insgesamt –ebenfalls bezogen auf die angeschlossene versie-gelte Fläche – in grober Näherung auf den zwei-fachen sogenannten Trockenwetterabfluss ausge-legt, der sich aus häuslichem und industriellemAbwasser sowie Fremdwasser, das z.B. in Formvon Grundwasser in die Kanalisation eindringt,zusammensetzt. Dies gilt jedoch nur für Bereichemit vorwiegend häuslichem Abwasser. Der Tro-ckenwetterabfluss beträgt dort im 24-Stunden-Mittel in etwa 0,15 bis 0,3 mm/h. Welcher Anteilder Transportkapazität aber tatsächlich für dieAbleitung von Niederschlagswasser zur Verfü-gung steht, hängt vom (in der Regel unbekann-ten) Abwasseraufkommen während des Nieder-schlagsereignisses ab. Sieker et al. (1999) bei-spielsweise setzen als Näherungswerte für dasSaarland eine mittlere Speicherkapazität SKmaxvon 2,5 mm und einen mittleren Trockenwetter-abfluss von 0,25 mm/h an. Über den gedrosseltenAblauf können danach zusätzlich zum Abwasserim Mittel ungefähr 0,5 mm/h Niederschlagswas-ser (zweifacher Trockenwetterabfluss) an die Ka-nalisation abgegeben werden.

Die Wirkung von dezentralem Rückhalt wirddurch die Parameter Speicherkapazität und Infilt-rationsleitfähigkeit physikalisch fundiert charakte-risiert. Die Parameterbestimmung für die Spei-cherwirkung von Unebenheiten der Geländeo-berfläche SRmax kann sich allerdings nur aufwenige Untersuchungen stützen. Deren Rückhal-tevermögen wird von der Länderarbeitsge-meinschaft Wasser (1995) mit bis zu 10 mmveranschlagt, wobei offen bleibt, unter welchenUmständen dieser Maximalwert erreicht wird.Experimentelle Untersuchungen von Helming(1992) ergaben für den Muldenrückhalt acker-baulich genutzter Hänge Werte von weniger als1 mm. Für die hydraulische Leitfähigkeit kSR ander Bodenoberfläche einer Hohlform kann ana-log zur Verschlämmung eine Verminderung der

hydraulischen Leitfähigkeit aus der Bodentabelleum eine Größenordnung angesetzt werden. Ins-gesamt ist der Parameter kSR aber von eher unter-geordneter Bedeutung, da die Entleerung des de-zentralen Rückhalts ohnehin erst dann beginnt,wenn in einem Zeitschritt weder Infiltrations-noch Sättigungsüberschuss auftreten. Wegen desFeinmaterials, das sich am Boden natürlicherMulden akkumuliert und dort eine rasche Infilt-ration verhindert, wurde hierfür eine einheitlichgeringe hydraulische Leitfähigkeit von 1·10–8 m/sangenommen.

Die Parameter zur Erfassung von Grundwasse-rentnahmen oder eines Grundwasserabstroms sindBehelfsgrößen, die nur anhand ihrer Auswirkun-gen bestimmt werden können. Es empfiehlt sichdaher, den modellierten Grundwasserentzug übermehrere Jahre hinweg zu bilanzieren und an Ab-schätzungen zu validieren, die oft bestenfalls alsJahressummenwerte vorliegen. Der ParameterXT sorgt dafür, dass der Grundwasserentzug pro-portional zur Basisabflussmenge ansteigt. Dies istim Fall eines Grundwasserabstroms plausibel.Grundwasserentnahmen jedoch orientieren sichmeist ausschließlich am Wasserbedarf, der vomBasisabfluss unabhängig ist. Aus diesem Grundsollte dem simulierten zeitlichen Verlauf desGrundwasserentzugs nicht zu viel Bedeutung bei-gemessen werden. Um die Dynamik der Basisab-flussreaktion insbesondere bei Hochwasser nichtunbegründet zu überprägen, sollte außerdemXTmax nicht zu groß gewählt werden. Der Werte-bereich für die Absolutwerte QBmin und XTmaxrichtet sich nach dem Wertebereich des Basisab-flusses des betrachteten Einzugsgebietes.

4.4.7 Sensitivitätsanalyse für das erweiterte Bodenmodell

Als Sensitivität eines Modellparameters wird imZusammenhang mit hydrologischer Modellie-rung die Stärke des Einflusses eines Parametersauf das Modellergebnis bezeichnet (z.B. Kund-zewicz, 1982). Bei einer Sensitivitätsanalyse fürModellparameter werden die Parameter variiertund die Parameteränderungen zu den dadurchhervorgerufenen Änderungen des Modellergebnis-ses in Beziehung gesetzt. Sensitive/empfindlicheParameter verändern das Modellierungsergebnis


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bereits bei kleinen Variationen des Parametersdeutlich, insensitive/unempfindliche Parameter be-einflussen des Ergebnis hingegen kaum. Soroos-hian & Gupta (1995) bezeichnen unempfindli-che Parameter, die sich ohne wesentlichen Ein-fluss auf das Ergebnis in weiten Grenzen variierenlassen, auch als schlecht definierte Parameter.Sensitivitätsanalysen dienen dazu, die Parameterzu identifizieren, die einen großen bzw. kleinenEinfluss auf das Modellergebnis ausüben. Des-weiteren geben Sensitivitätsanalysen Aufschlussdarüber, in welchem Wertebereich der Einflusseines Parameters am größten bzw. kleinsten ist.

Leider hängt das Ergebnis einer Sensitivitäts-analyse für ein hydrologisches Einzugsgebietsmo-dell nicht nur vom jeweils betrachteten Parame-ter ab, sondern auch von:

(1) den Einzugsgebietseigenschaften sowie derräumlichen Auflösung der physiographischenDaten (Brasington & Richards, 1998),

(2) den klimatologischen Randbedingungen so-wie der zeitlichen Auflösung der meteorologi-schen Daten (Cryer & Havens, 1999; Kim &Delleur, 1997),

(3) den Werten, die für die anderen Modellpara-meter gewählt werden (Sorooshian &Gupta, 1995) sowie in hohem Maße

(4) der Struktur des verwendeten Modells(Kundzewicz, 1982).

Aufgrund der sehr guten Datengrundlage wurdedie Sensitivitätsanalyse für das Einzugsgebiet derLein durchgeführt. Ein weiterer Vorteil des Lein-gebietes ist in diesem Zusammenhang, dass dortHochwasser sowohl als Folge konvektiver Nie-derschläge mit hoher Intensität als auch als Folgelanganhaltender advektiver Niederschläge entste-hen, also unter verschiedenen klimatologischenRandbedingungen und aufgrund unterschiedli-cher dominanter Abflussbildungsmechanismen.Die Analyse erfolgte auf der Basis von fünf kon-vektiven und sechs advektiven Starkregenereig-nissen, die zu Hochwassern mit Wiederkehrin-tervallen zwischen 2 und 8 Jahren führten.

Da die Modellerweiterungen und deren Para-meter der verbesserten Beschreibung der Abfluss-bildung infolge von Starkregen dienen sollen,wurden für die Sensitivitätsanalyse ausschließlich

Hochwasserereignisse modelliert. Die Parameterder Modellerweiterungen wurden im Rahmender Sensitivitätsanalyse innerhalb einer festgeleg-ten Bandbreite stufenweise um den für den Ist-Zustand ermittelten Wert herum variiert, wiedies beispielsweise bei Muñoz-Carpena et al.(1999) beschrieben ist. Die anderen Parameterwurden jeweils beim ermittelten Wert belassen.Aufgrund der Vielzahl von Parametern und dervergleichsweise langen Rechenzeit des Modellswar es nicht möglich, die Sensitivität eines Para-meters systematisch auch für verschiedene Kom-binationen der anderen Parameter zu bestimmen,wie dies z.B. Cryer & Havens (1999) oder Kim &Delleur (1997) darstellen. Das Verhalten der andie Landnutzung gekoppelten neuen Parameterwurde nicht global, sondern jeweils für einzelneLandnutzungsgruppen wie z.B. Acker oder Walduntersucht und die Ergebnisse auf die gesamteEinzugsgebietsfläche normiert, um die Interpreta-tion zu erleichtern.

Die Sensitivität der neuen Modellparameterwurde angesichts der grundsätzlich unterschiedli-chen Abflussbildungsbedingungen für konvektiveund advektive Ereignisse getrennt analysiert. AlsMaß für den Einfluss einer Parameteränderungauf das Modellergebnis dienen das Abflussvolu-men und das Abflussmaximum während einesHochwassers. Bezugspunkte für Abflussvolumenund -maximum wiederum sind die Simulations-ergebnisse mit den Parameterwerten, wie sie fürdie Modellierung des Ist-Zustandes im Leinge-biet bestimmt wurden. Für die Parameterwertedes Ist-Zustandes ist die Abflussänderung ent-sprechend Null.

4.4.7.1 Sensitivität der Makroporenparameter

Für die Sensitivitätsanalyse des Makroporenmo-duls wurden die Landnutzungsparameter Makro-porosität nSM und Vertikalerstreckung der Ma-kroporen dSM entsprechend ihrer modellinternenVerwendung direkt zum MakroporenvolumenSMmax zusammengefasst und für die Ackerflä-chen variiert. Die Speicherkonstante des Makro-porenspeichers kSM, die teilgebietsbezogen defi-niert ist, wurde für das gesamte Gebiet verändert.Abb. 4.7, S. 64 illustriert die Abhängigkeit des


64

Ergebnisses von diesen beiden Größen. Die fürdas Leingebiet ermittelten Parameterwerte sindjeweils schwarz gepunktet gekennzeichnet.

Aus der Reaktion des Modells auf ein verän-dertes Makroporenvolumen geht hervor, dass dasVorhandensein von Makroporen bei konvektivenNiederschlägen mit hoher Intensität einen erheb-lichen Einfluss auf das Infiltrationsverhalten unddamit auch auf Abflussvolumen und -maximumhat. Oberhalb eines Mindestmakroporenvolu-mens von 5 bis 10 mm verliert die Kenntnis derexakten Größe des Makroporenvolumens an Be-deutung – vorausgesetzt dass die Abgabe vonWasser aus den Makroporen an die Bodenmatrixso rasch erfolgt, dass die Aufnahmefähigkeit derMakroporen für Niederschlag sich nicht er-schöpft. Genauso gilt für die Entleerungskons-tante des Makroporenspeichers, dass bei konvek-tiven Ereignissen oberhalb eines Wertes von5 bis 6 h der Einfluss der Konstante auf das Er-gebnis abnimmt, da intensive Niederschläge, diedie Infiltrationskapazität der Bodenmatrix über-schreiten und dementsprechend nur von denMakroporen aufgenommen werden können, sel-ten länger als 3 bis 4 Stunden andauern.

Während advektiver Niederschlagsereignissemit oft hoher Vorfeuchte wird die Interaktionzwischen Makroporen und Bodenmatrix vor al-lem von der Bodenfeuchte bestimmt. Infiltrations-überschuss ist aufgrund der vergleichsweise ge-

ringen Niederschlagsintensitäten von unterge-ordneter Bedeutung. Dementsprechend hat dieSpeicherkonstante des Makroporenraums hierauch nahezu keinen Einfluss auf das Modeller-gebnis. Gering ist aber auch der Einfluss des Ma-kroporenvolumens. Der Makroporenraum fülltsich bei gesättigtem Boden von der Bodenmatrixher mit Wasser, nimmt dann jedoch kaum mehran der Abflussbildungsdynamik teil.

4.4.7.2 Sensitivität der Verschlämmungsparameter

Das Auftreten von Verschlämmung ist im entwi-ckelten Modellansatz an die Unterschreitung ei-nes bestimmten Bodenbedeckungsgrades sowie dieÜberschreitung einer bestimmten Niederschlags-intensität geknüpft. Sind diese Bedingungennicht erfüllt und ist der Boden auch nicht mehrvon einem vorangegangenen Ereignis ver-schlämmt, so wird das Verschlämmungsmodulübergangen. Da die im Leingebiet aufgezeichne-ten konvektiven Ereignisse mit hohen Nieder-schlagsintensitäten fast ausnahmslos im Juni undJuli auftraten, liegt der modellierte Bodenbede-ckungsgrad nur für das Hochwasser vom Septem-ber 1987 unter dem aus Literaturwerten abgelei-teten Schwellenwert. In Kombination mit übli-chen Annahmen für den Rückgang derDurchlässigkeit an der Bodenoberfläche, wie sie

Abb. 4.7 Sensitivität des Makroporenvolumens beziehungsweise der Makroporenspeicherkonstante

Makroporenvolumen SMmax der Ackerflächen [mm]

0 5 10 15 20 25 30

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Makroporenspeicherkonstante kSM [h]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5AbflussvolumenAbflussmaximumAbflussvolumenAbflussmaximum

KonvektiveEreignisseAdvektiveEreignisse


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bei Beregnungsversuchen ermittelt werden, er-gibt sich durch die Verschlämmung eine extremeÜberschätzung dieses Hochwassers.

Wie das Diagramm auf der linken Seite vonAbb. 4.8, S. 65 demonstriert, reagiert das Modell

sehr sensitiv auf den Verschlämmungsfaktor Cmax,der den maximalen Rückgang der hydraulischenLeitfähigkeit der Bodenoberfläche vorgibt. Dasarithmetische Mittel aus fünf Ereignissen ohneVerschlämmung (in Abb. 4.8, S. 65 zu einer Kur-

ve zusammengefasst) und dem Ereignis vom Sep-tember 1987, bei dem Verschlämmung auftrat,verwischt diesen Eindruck allerdings völlig.Die rechte Seite von Abb. 4.8, S. 65 zeigt denMittelwert der konvektiven Ereignisse zusammenmit den für die advektiven Ereignisse berechnetenReaktionen. Aufgrund der deutlich geringerenNiederschlagsintensitäten der advektiven Ereig-nisse wird der Schwellenwert für die Nieder-schlagsintensität nur während einzelner Zeit-schritte geringfügig überschritten. Änderungendes simulierten Abflusses sind deshalb bei den ad-vektiven Ereignisse trotz des geringen Bodenbe-deckungsgrades in den Wintermonaten gering.

4.4.7.3 Sensitivität der

Versiegelungsparameter

Um dem unterschiedlichen Ausmaß von Versie-gelung in Siedlungsgebieten und von Versiege-lung durch landwirtschaftliche InfrastrukturRechnung zu tragen, wurde der für jede Land-nutzung definierte Versiegelungsgrad ψ bei derSensitivitätsanalyse für Siedlungen und Ackerflä-

chen getrennt variiert. Abb. 4.9, S. 66 zeigt diestarke Sensitivität des Modells für Veränderungendes Versiegelungsgrades. Die Skalierung ist so ge-wählt, dass die Stärke der Abflussänderungen fürbeide Landnutzungen optisch direkt miteinanderverglichen werden kann. Auf diese Weise wirddeutlich, dass sich die Abflussänderungen in derselben Größenordnung bewegen. Dass Änderun-gen des Versiegelungsgrades sich auf den Acker-flächen stärker auswirken als in den Siedlungsbe-reichen, ist gebietsbedingt und hängt mit der ge-genüber den Böden in Siedlungsgebietentendenziell höheren hydraulischen Leitfähigkeitder Ackerböden zusammen, die dem Infiltrati-onsprozess durch Versiegelung entzogen werden.

Die simulierten Abflussänderungen sind wie-derum für intensive konvektive Niederschlags-ereignisse wesentlich ausgeprägter als für langan-haltende advektive. Dieses Verhalten des Modellsdeckt sich mit der Erfahrung, dass kurze intensi-ve Niederschläge die Kanalisation stärker belas-ten als ergiebige langanhaltende und dementspre-chend auch eher zu einer Überlastung des Kanal-netzes sowie zur Abflussverschärfung führen.

Abb. 4.8 Sensitivität des Verschlämmungsfaktors für Ackerflächen

Verschlämmungsfaktor Cmax [–]

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0



Verschlämmungsfaktor Cmax [–]

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Änd

erun

g de

s A

bflu

ssm

axim

ums

[–]

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.51987 September1989 Juli,1992 Juni,1994 Juni,1995 JuliMittelwert

EinzelnekonvektiveEreignisse


66

Die teilgebietsweise definierten Parameter zurBeschreibung des Ablauf- und Speicherverhaltensder Kanalisation qSK und SKmax wurden jeweilsfür das gesamte Einzugsgebiet verändert.

Deren Sensitivität zeigt Abb. 4.10, S. 66.Während die Berücksichtigung des Drosselab-

flusses qSK aus den Mischwasserbecken in Rich-tung Kläranlage einen fast durchweg großen Ein-fluss auf das Ergebnis ausübt, bewirkt die Spei-cherung im Kanalnetz SK nur einen geringenAbflussrückgang, der mit wachsender Nieder-schlagsmenge zunehmend an Bedeutung verliert.

Der vergleichsweise geringe Rückgang des Hoch-wasservolumens advektiver Ereignisse bei Erhö-hung des Drosselabflusses ergibt sich daraus, dass

bei langanhaltenden Hochwasserereignissen auchdas an eine Kläranlage abgeführte Wasser mitVerzögerung zum Hochwasser beiträgt.

Abb. 4.9 Sensitivität des Versiegelungsgrades von Siedlungs- bzw. Ackerflächen

Versiegelungsgrad ψ der Siedlungen [–]

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Abf

luss

ände

rung

[–]

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Versiegelungsgrad ψ der Ackerflächen [–]

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3


KonvektiveEreignisse

AdvektiveEreignisse

Abb. 4.10 Sensitivität des Drosselabflusses aus den Mischwasserbecken in Richtung Kläranlage und der

Speicherkapazität der Mischwasserbecken

Drosselabfluss qSK [mm/h]

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Abf

luss

ände

rung

[–]

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Speicherkapazität der Kanalisation SKmax [mm]

0 1 2 3 4 5 6

Abf

luss

ände

rung

[–]

-4

-3

-2

-1

0

1

2AbflussvolumenAbflussmaximumAbflussvolumenAbflussmaximum



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4.4.7.4 Sensitivität des dezentralen Rückhaltes

Die Speicherkapazität des dezentralen RückhaltesSRmax wurde für die Sensitivitätsanalyse getrenntfür Acker- bzw. Waldflächen variiert. Deren Ein-fluss wurde für natürliche Mulden untersucht,deren Untergrund häufig durch eingeschwemmte

Schwebstoffe abgedichtet ist. Für die Darstellungsolcher Mulden wurde deshalb eine mit 10–8 m/sentsprechend geringe hydraulische LeitfähigkeitkSR der Bodenoberfläche gewählt. Die inAbb. 4.11, S. 67 gezeigten Resultate der Sensiti-vitätsanalyse geben daher aber nicht das Infiltra-tionsverhalten gezielt eingerichteter Versicke-rungsmulden wieder.

Der Einfluss des dezentralen Rückhalts auf denGebietsabfluss ist in Kombination mit einergeringen hydraulischen Leitfähigkeit der Boden-oberfläche insgesamt klein, da sich die Speicher-fähigkeit des Rückhalts nach Erreichen derSpeicherkapazität aufgrund der langsamen Versi-ckerung des gespeicherten Wassers in den darun-terliegenden Boden nur langsam erneuert. Auf-fallend ist die unterschiedliche Reaktion des Mo-dells auf eine Änderung der Speicherkapazität desdezentralen Rückhalts von Acker- bzw. Waldflä-chen. Während der Rückhalt auf Ackerflächenvor allem auf die Abflussbildung konvektiver Er-eignisse Einfluss nimmt, zeigt sich auf den Wald-flächen eine nennenswerte Abflussänderung nurals Folge advektiver Niederschläge. Da sich Wald-flächen im Leingebiet vor allem im Festgesteins-bereich mit geringmächtigen und gut durchlässi-gen Böden befinden, entsteht auf diesen Flächen

selbst bei hohen Niederschlagsintensitäten nahe-zu kein Infiltrationsüberschuss, der eine Füllungder Mulden bewirken würde. Bei langanhalten-den advektiven Niederschlägen mit hoher Vor-feuchte hingegen bildet sich in Gewässernähe be-vorzugt Sättigungsüberschuss, der von den Mul-den aufgenommen wird und so zu einerverringerten Abflussbildung führt. Die Ackerflä-chen im Gebiet sind vorwiegend Lössbereichemit geringerer hydraulischer Leitfähigkeit undhohem Aufnahmevermögen für Niederschlags-wasser. Hieraus resultiert eine im Vergleich zuden Waldflächen höhere Neigung zur Bildungvon Infiltrationsüberschuss während konvektiverEreignisse und eine geringere Neigung zur Sätti-gung des Bodens. Dieses Phänomen unterstreichtdie Abhängigkeit der Parametersensitivität vonden physiographischen Gebietseigenschaften so-wie den meteorologischen Rahmenbedingungen.

Abb. 4.11 Sensitivität der Speicherkapazität des dezentralen Rückhalts

Dezentraler Rückhalt SRmax Ackerflächen [mm]

0 1 2 3 4 5 6 7

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Dezentraler Rückhalt SRmax Waldflächen [mm]

0 1 2 3 4 5 6 7

Abf

luss

ände

rung

[–]

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15




68

4.4.7.5 Übersicht über die Sensitivität der neuen Modellparameter

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Bedeutungund Funktion verbietet sich ein direkter zahlen-mäßiger Vergleich der Sensitivität aller unter-suchten Parameter. Sinnvoll ist jedoch ein Ver-gleich der verschiedenen Speicher, die in das er-weiterte wasim-eth integriert wurden, da sichdiese Speicher ausschließlich durch die Art ihrerFüllung und Entleerung unterscheiden, nichtaber in deren innerer Struktur.

Bei allen drei Speichern – dem Makroporen-speicher SM, der Speicherung im Kanalnetz SKund dem dezentralen Rückhalt SR – handelt es

sich um ein über eine Rasterzelle gemitteltes Vo-lumen zur Aufnahme von Niederschlagswasser.Dass aber gerade das Füllungs- und Entleerungs-verhalten den Einfluss eines Speichers auf dasModellergebnis bestimmt, illustriert Abb. 4.12,S. 68. Verglichen werden die Änderung von Ab-flussvolumen bzw. -maximum als Reaktion aufeine Erhöhung der jeweiligen Speicherkapazitätum 1 mm. Der Vergleich bezieht sich auf denWertebereich von 0 bis 5 mm Speicherkapazität.Die Darstellung ist ebenso wie die bisherigen flä-chennormiert. Flächennormiert bedeutet, dassdie Abflussänderungen vom Flächenanteil der je-weils betroffenen Landnutzungen auf die gesam-te Einzugsgebietsfläche hochgerechnet wurden.

Als Folge der konstanten und vom Feuchtezustanddes Gebietes unabhängigen Abgabe von Wasseraus den Mischwasserbecken der Kanalisation aneine Kläranlage ergibt sich für die Speicherkapa-zität der Mischwasserbecken eine hohe Sensitivi-tät, da ständig neuer Speicherraum für weitereNiederschläge frei wird. Deutlich geringer ist be-reits die Sensitivität des Makroporenraums, daMakroporen zwar bei hohen Niederschlagsinten-sitäten entstehenden Infiltrationsüberschuss raschan die ungesättigte Zone weiterleiten und damit

wieder Speicherraum freimachen. Bei gesättigtemBoden infolge langanhaltender Niederschläge je-doch können die Makroporen kein Wasser an dieBodenmatrix abgeben. Die Folgen eines gesättig-ten Bodens gelten umso mehr für natürlicheMulden, aus denen das gespeicherte Wasser auf-grund der durch abgesetzte Schwebstoffe meistgeringdurchlässigen Bodenoberfläche ohnehinnur langsam infiltrieren kann.

Tab. 4.5, S. 69 ist der Versuch, ungeachtetder Komplexität der Wechselwirkungen zwischen

Abb. 4.12 Vergleich der Sensitivität verschiedener Speicher in Erweiterungen für das hydrologische Modell

WaSiM-ETH

Abflus

smax

imum

Abflus

svolu

men

Änd

erun

g be

i ∆S

= 1

mm

[%]

-50

-40

-30

-20

-10

0

KanalnetzMakroporenRückhalt AckerflächenRückhalt Waldflächen

Abflus

smax

imum

Abflus

svolu

men

Änd

erun

g be

i ∆S

= 1

mm

[%]

-50

-40

-30

-20

-10

0

(a) Konvektive Ereignisse (b) Advektive Ereignisse


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den neu hinzugekommenen Parametern eineÜbersicht über deren Sensitivität zu geben. DieAnmerkungen sind als Zugeständnis an dieseKomplexität zu verstehen. Sie erschließen sichaus dem bisher in Kap. 4.4.7 beschriebenen.

Die Sensitivität fast aller Parameter ist fürkonvektive Ereignisse mit hohen Niederschlagsin-tensitäten bedeutend größer als für langanhalten-

de advektive Ereignisse mit hoher Vorfeuchte.Während advektiver Ereignisse sind vor allem dieParameter zur Charakterisierung der Versiegelungwichtig, allerdings mit abnehmender Tendenz beiwachsender Niederschlagsmenge und Ereignis-dauer. Insgesamt gering ist die Sensitivität des de-zentralen Rückhalts bei geringer hydraulischenLeitfähigkeit der Bodenoberfläche, wie sie in na-

türlichen Mulden vorherrscht. Für Versicke-rungsmulden mit besseren Infiltrationsbedingun-gen ist die Sensitivität des Rückhalts höher.

Neben dem modellspezifischen Verhalten las-sen sich aus der Sensitivitätsanalyse aber auch all-gemeingültige Zusammenhänge ableiten:

(1) Abb. 4.12, S. 68 und Tab. 4.5, S. 69 machendeutlich, dass die Speicherung von Nieder-schlagswasser nur dann einen nennenswertenEinfluss auf die Hochwasserentstehung hat,wenn sie insbesondere bei konvektiven Ereig-nissen während Phasen hoher Niederschlags-

intensität die Funktion eines kurzfristigenZwischenspeichers erfüllt oder wie im Falle derMakroporen den Zugang zu zusätzlichemSpeicherraum erschließt. Ansonsten sind sehrgroße Speicherkapazitäten erforderlich, umdie Hochwasserentstehung merklich zu beein-flussen.

(2) Bei der Simulation von advektiven Hochwas-sern muss besonderes Augenmerk auf denAuswirkungen von Versiegelung liegen. DieBedeutung der anderen vom Modell erfasstenEinflüsse und Prozesse tritt dann in den Hin-tergrund.

Tab. 4.5 Übersicht über die Sensitivität der neuen Modellparameter bei unterschiedlichen klimatologi-

schen Randbedingungen

Modellerweiterung /Parameter Symbol

SensitivitätAnmerkungen (*)

konvektiv advektiv

Makroporen

Makroporenvolumen SMmax +++* – Für 0 bis 5 mm Speichervolumen

Entleerungskonstante kSM ++* – Abhängig von der Ereignisdauer

Verschlämmung

Verschlämmungsfaktor Cmax +++* – ergibt unrealistische Resultate

Versiegelung

Versiegelungsgrad ψ +++ +* Abhängig von der Ereignisdauer

Speicherkapazität SKmax +++* – Für 0 bis 5 mm Speichervolumen

Drosselabfluss qSK ++ +* Abhängig von der Ereignisdauer

Dezentraler Rückhalt

Speicherkapazität SRmax –* – Für 0 bis 5 mm Speichervolumen bei schlechten Infiltrationsbedingungen


70

4.5 ZEITLICHE DISAGGREGIERUNG DER NIEDERSCHLAGSDATEN

Wie aus Kap. 3.2.6, Kap. 3.3.6 und Kap. 3.4.6zur Datenlage ersichtlich ist, liegen für etlicheNiederschlagsstationen in den drei Gebieten le-diglich tägliche Daten vor, was in der Mesoskalafür die hydrologische Modellierung der Abfluss-bildungsdynamik infolge von Starkniederschlä-gen nicht ausreicht. Um diese Stationen dennochfür die hydrologische Modellierung nutzbar zumachen, wurde deren Daten die zeitliche Vertei-lung benachbarter Stationen aufgeprägt. Diese

einfache Form der zeitlichen Disaggregierungwird im folgenden am Beispiel der Lein darge-stellt.

Für die zeitliche Disaggregierung der tägli-chen Niederschlagsdaten von vier dwd-Stationenim Leingebiet wurden die Daten von fünf Nie-derschlagsstationen eines kommunalen Messnet-zes verwendet, die in stündlicher Auflösung vor-liegen. Zur Disaggregierung der Daten jeweils ei-ner dwd-Station wurden dabei die Daten jeweils

der zwei kommunalen Stationen herangezogen,die denen der betrachteten dwd-Station am ähn-lichsten sind. Als Maß für die Ähnlichkeit derStationsdaten wurde die Efficiency von Nash &Sutcliffe (1970) berechnet, die im Idealfall denWert 1 erreicht. Tab. 4.6, S. 70 zeigt die Ergeb-nisse des Vergleichs der jeweiligen Zeitreihen.

Wie Tab. 4.7, S. 70 verdeutlicht, sind erwar-tungsgemäß durchweg die Stationen einander am

ähnlichsten, die den geringsten Abstand vonein-ander haben.

Um Datenlücken an jeweils einer Stationüberbrücken zu können, wurde bei der zeitlichenDisaggregierung nicht nur die nächstgelegene,sondern noch eine weitere Station berücksichtigt.Die zeitliche Verteilung des Niederschlages bei-der Stationen über den Tag wurden entsprechenddem Kehrwert ihres Abstandes von der jeweiligen

Tab. 4.6 Ähnlichkeit täglicher Niederschlagsdaten der 4 DWD-Stationen im Einzugsgebiet der Lein mit

denen der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes im Zeitraum von 1982 bis 1997

StationskürzelÄhnlichkeit der DWD-Stationen [–]

ep hl hr rb

Kom

mun

ale

Stat

ione

n

ek 0,89 0,73 0,69 0,59

hk 0,75 0,85 0,81 0,74

lg 0,68 0,90 0,82 0,61

mb 0,77 0,82 0,79 0,71

sg 0,85 0,77 0,72 0,67

Tab. 4.7 Entfernung der 4 DWD-Stationen im Einzugsgebiet der Lein von den 5 Stationen des kommu-

nalen Messnetzes

StationskürzelEntfernung der DWD-Stationen [m]

ep hl hr rb

Kom

mun

ale

Stat

ione

n

ek 4208 16741 20245 15536

hk 16031 5440 8507 5265

lg 15472 3642 7288 8708

mb 10294 10361 13906 5663

sg 6608 12554 16158 11179

Zeitliche Disaggregierung der Niederschlagsdaten

71

Hyd

rolo

gis

che

s M

od

ell

dwd-Station gewichtet (inverse distance weigh-ting) und anschließend gemittelt. Jede Stunde ei-nes Tages erhält auf diese Art ein Gewicht, dasdem Prozentsatz des Tagesniederschlages ent-spricht, der in der jeweiligen Stunde dieses Tagesgefallen ist.

Diese vergleichsweise einfache Form der zeit-lichen Disaggregierung erscheint aufgrund derDichte des Messnetzes und damit geringen Ab-ständen der Stationen voneinander gerechtfer-tigt, bringt jedoch gegenüber den tatsächlichen

Verhältnissen im Gebiet eine Verringerung derräumlichen und zeitlichen Variabilität des Nie-derschlages mit sich.

Die geringe Entfernung der Stationen zuein-ander spiegelt sich auch in – für stündliche Daten– sehr ähnlichen zeitlichen Verläufen von Nieder-schlagsereignissen sowohl an benachbarten Stati-onen als auch an den Stationen des Gebietes ins-gesamt wieder. Diesen Sachverhalt gibt Tab. 4.8,S. 71 wieder, in der die stündlichen Messwerteder kommunalen Stationen untereinander auf

ihre Ähnlichkeit hin überprüft werden. Auch fürdie stündlichen Werte gilt der enge Zusammen-

hang zwischen Ähnlichkeit und Entfernung derStationen voneinander (siehe Tab. 4.9, S. 71).

Der auffälligste Unterschied zwischen täglichenund stündlichen Daten liegt in den insgesamt ge-ringeren Efficiency-Werten für die Ähnlichkeitder zeitlich höher aufgelösten Stationen (vgl.Tab. 4.6, S. 70 mit Tab. 4.8, S. 71). Die geringe-

ren Werte ergeben sich aus der höheren Variabili-tät zeitlich hochaufgelöster Daten. Diese Variabi-lität geht bei der Aggregierung zu Tageswertenteilweise verloren, wodurch auch die Unterschie-de zwischen den Stationen nivelliert werden.

Tab. 4.8 Ähnlichkeit stündlicher Niederschlagsdaten der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes un-

tereinander im Einzugsgebiet der Lein im Zeitraum von 1982 bis 1997

StationskürzelÄhnlichkeit der kommunalen Stationen untereinander [–]

ek hk lg mb sg

Kom

mun

ale

Stat

ione

n

ek 1 0,26 0,31 0,27 0,52

hk 0,24 1 0,56 0,46 0,34

lg 0,32 0,58 1 0,46 0,36

mb 0,33 0,51 0,50 1 0,52

sg 0,59 0,41 0,46 0,54 1

Tab. 4.9 Entfernung der 5 Stationen des kommunalen Messnetzes im Einzugsgebiet der Lein voneinan-

der

StationskürzelEntfernung der kommunalen Stationen voneinander [m]

ek hk lg mb sg

Kom

mun

ale

Stat

ione

n

ek 0 14772 13276 9914 4631

hk 14772 0 3782 5991 10151

lg 13276 3782 0 6976 8962

mb 9914 5991 6976 0 5520

sg 4631 10151 8962 5520 0


72

73

Kap

itel

5


5.1 HYDROLOGISCHE MODELLIERUNG DES IST-ZUSTANDES

Aufgrund der sehr guten klimatologischen undhydrologischen Datenlage wird das Einzugsge-biet der Lein genutzt, um exemplarisch Untersu-chungen durchzuführen, die stellvertretend auchfür die anderen beiden Gebiete Gültigkeit besit-zen. Hierzu zählen die Entwicklung der Modell-erweiterungen und die Sensitivitätsanalyse für diezugehörigen Parameter (siehe Kap. 4.4.7). Glei-ches gilt für die in Kap. 5.2.1 beschriebene hy-drologische Modellierung extremer Besiedlungs-szenarien, die die Fähigkeit des Modells zur Si-mulation von Landnutzungsänderungen sowohlbezüglich ihrer Ausdehnung als auch ihrer räumli-chen Lage dokumentieren. Die Einflüsse von Ma-kroporen (Kap. 5.2.2) sowie der räumlichen bzw.zeitlichen Auflösung von Niederschlagsdaten(Kap. 5.2.3) werden ebenfalls exemplarisch an-hand des Leingebietes untersucht.

5.1.1 Lein

5.1.1.1 Vorgehensweise

Zunächst ist versucht worden, mit den beidenbestehenden Versionen von wasim-eth das hy-drologische Verhalten des Leingebietes im Ist-Zustand zu simulieren, und zwar einerseits dielangfristige Entwicklung der Bodenfeuchte imTageszeitschritt und andererseits die Hochwasse-rentstehung während extremer Niederschlags-ereignisse im Stundenzeitschritt. Dabei hat sich

gezeigt, dass die im Tageszeitschritt simuliertenBodenfeuchteverteilungen nur bedingt als An-fangsfeuchtewerte für einzelne Hochwasserereig-nisse zu gebrauchen waren. Dies ist darin begrün-det, dass sich die Anfangsfeuchtewerte wegen derNichtlinearität der Prozessbeschreibungen deut-lich von im Stundenzeitschritt simulierten Bo-denfeuchteverteilungen unterscheiden. Hinzukommt, dass bei der Aggregierung der Nieder-schläge zu Tageswerten deren tatsächliche Varia-bilität weitgehend verloren geht, so dass völligandere Abflussprozesse wirksam werden als beistündlichen Werten mit entsprechend höherenNiederschlagsintensitäten. Dementsprechend lie-ßen sich auch keine Parameter für das Bodenmo-dell finden, die sowohl für Tages- als auch fürStundenzeitschritte Gültigkeit besessen hätten.Als Konsequenz hieraus wird auf Langzeitsimula-tionen im Tageszeitschritt verzichtet. Stattdessenwird auch die Vorgeschichte der einzelnen Hoch-wasserereignisse im Stundenzeitschritt model-liert. Die Vorlaufzeit beträgt dabei abhängig vomNiederschlagsgeschehen im Vorfeld des Ereignis-ses bis zu zwei Monate.

Als problematisch hat sich außerdem erwie-sen, dass sowohl die topmodel-Version als auchdie Richards-Gleichungs-Version des Modellsdie guten Infiltrationseigenschaften von Lössbö-den nicht nachbilden konnten, da die hydrauli-sche Leitfähigkeit dieser Böden vergleichsweisegering ist und nicht dem tatsächlichen Aufnah-


74

mevermögen strukturierter Lössböden ent-spricht. Weiterhin ist der Beitrag der Siedlungs-flächen zum Hochwasserabfluss aufgrund derNäherung, Siedlungsflächen als ausgesprochengeringdurchlässige Böden zu behandeln, bei wei-tem überschätzt worden. Diese Erfahrungen sindin die Entwicklung der in Kap. 4.4 beschriebe-nen Modellerweiterungen eingeflossen.

Das angestrebte Ziel, sämtliche ausgewähltenHochwasserereignisse mit einem universellen Pa-rametersatz für das Bodenmodell zu simulieren,musste fallengelassen werden. Dies liegt darin be-gründet, dass der verwendete topmodel-Ansatzdie geomorphologischen Verhältnisse in der Löss-region Kraichgau nicht widerspiegeln kann, dadie Topographie der Geländeoberfläche nur ei-nen geringen Zusammenhang zum hydrauli-schen Gradienten der gesättigten Zone aufweist(siehe Kap. 4.3.3.1 zu den topmodel zugrundeliegenden Annahmen). Für konvektive Ereignisseist der Beitrag unterirdischer Fließprozesse an derAbflussbildung überschätzt, für winterliche zy-klonale Niederschläge unterschätzt worden. Umdiesem Dilemma zu entgehen, wurden die ausge-wählten Hochwasser in konvektive und advektiveEreignisse unterteilt und das Modell für beide Er-eignischarakteristika getrennt kalibriert. Ände-rungen mussten dabei in erster Linie am Korrek-turfaktor für die Transmissivität vorgenommenwerden, der im Bodenspeicher des topmodel dieAufnahmekapazität des Bodens sowie dessen An-schluss an das Grundwasser beeinflusst. Die Kali-brierung ist für jeweils zwei bzw. drei Ereignisse

erfolgt, die übrigen Ereignisse dienten zur Vali-dierung der gewählten Parametersätze.

Tab. 5.1, S. 74 dokumentiert die durchweghohe statistische Güte der Anpassung des Mo-dells an die gemessenen Hochwasser.

5.1.1.2 Simulationsergebnisse

Wie Abb. 5.1, S. 75 zeigt, tragen die verschiede-nen Abflussbildungsmechanismen bei konvektivenund advektiven Niederschlagsereignissen aufganz unterschiedliche Weise zur Hochwasserent-stehung bei. Konvektive Niederschlagsereignissesind im Leingebiet vor allem auf die Sommermo-nate mit tendenziell geringerer Bodenfeuchte be-schränkt und zeichnen sich durch hohe Nieder-schlagsintensitäten aus, welche die Entstehungvon Direktabfluss aus Infiltrationsüberschuss undder Überlastung von Kanalisationssystemen be-günstigen. Ergiebige advektive Niederschlagsereig-nisse mit geringer Niederschlagsintensität treteninsbesondere in Spätherbst und Frühjahr auf.Charakteristisch für diese Zeiträume ist eine ten-denziell hohe Bodenfeuchte, die zu einer ver-stärkten Beteiligung unterirdischer Fließprozessean der Hochwasserentstehung beiträgt. Diese för-dern die Entstehung von Sättigungsflächen undführen in der Folge zum vermehrten Auftretenvon Sättigungsoberflächenabfluss.

Das Wissen um diese Zusammenhänge istauch in die Modellkalibrierung eingeflossen. Diesimulierten Abflusskomponenten sind dement-sprechend teilweise das Produkt dieses subjektiv

Tab. 5.1 Güte der hydrologischen Simulationen für das Leingebiet berechnet als Efficiency beziehungs-

weise logarithmierte Efficiency nach Nash & Sutcliffe (1970)

Konvektive Ereignisse Advektive Ereignisse

Zeitpunkt Efficiency lg-Efficiency Zeitpunkt Efficiency lg-Efficiency

1987, September 0,89 0,86 1982, Dezember 0,89 0,80

1989, Juli 0,85 0,76 1983, Mai 0,77 0,71

1992, Juni 0,90 0,95 1988, März 0,83 0,83

1994, Juni 0,97 0,89 1990, Februar 0,92 0,76

1995, Juli 0,89 0,95 1993, Dezember 0,86 0,70

— — — 1997, Februar 0,93 0,85

Mittelwert 0,90 0,88 Mittelwert 0,87 0,78

Hydrologische Modellierung des Ist-Zustandes

75

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in die Kalibrierung eingebrachten Expertenwis-sens. Dies schränkt die Aussagekraft der Modell-ergebnisse insofern ein, als dass sich die simulier-te Aufteilung der Abflusskomponenten nicht angemessenen Daten überprüfen lässt. Von großemVorteil ist jedoch, dass die Modellstruktur es er-laubt, in anderen Gebieten experimentell gewon-

nene Erkenntnisse über die Wechselwirkung derverschiedenen Abflussbildungsmechanismen indie Simulationen einfließen zu lassen.

In Abb. 5.2, S. 75 ist beispielhaft für ein kon-vektives und ein advektives Niederschlagsereignisdie Simulation zweier im Leingebiet aufgetrete-ner Hochwasser dargestellt.

Diese Darstellung dient als Referenz für die nach-folgenden hydrologischen Simulationen verschie-dener Landnutzungsszenarien, die ebenfalls fürdiese beiden Ereignisse graphisch aufbereitetwurden.

Ein auffälliges Merkmal des sommerlichenHochwasserereignisses vom Juni 1994 ist dessenZweigipfligkeit, die anhand des in Abb. 5.2, S. 75zusätzlich zur Ganglinie dargestellten Gebietsnie-derschlages nicht zu erklären ist. Die starke zeitli-

Abb. 5.1 Vom erweiterten hydrologischen Modell WaSiM-ETH simulierte Abflusskomponenten für das

Einzugsgebiet der Lein als gemittelte Reaktion auf fünf konvektive und sechs advektive Nieder-

schlagsereignisse mit Jährlichkeiten zwischen zwei und acht Jahren

Konvektive Niederschlagsereignisse

Infiltrationsüberschuss

Sättigungsüberschuss

Kanalentlastung

Advektive Niederschlagsereignisse

BasisabflussSchnelle unterirdische

Abflussreaktion


Sättigungsüberschuss

Kanalentlastung

BasisabflussSchnelle unterirdische

Abflussreaktion

Abb. 5.2 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Lein am Beispiel (a) eines konvektiven und

(b) eines advektiven Niederschlagsereignisses mit einer Jährlichkeit von etwa zwei Jahren

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Gemessener AbflussSimulierter AbflussNiederschlag

(a) 28. Juni 1994, Frankenbach/Lein (b) 16. Februar 1990, Frankenbach/Lein

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30


76

che Spreizung der Hochwasserganglinie rührtvon der länglichen Gestalt des Einzugsgebietesher (siehe z.B. Karte 3.3, S. 30). Die deutlicheTrennung in zwei Hochwasserscheitel ist jedocheine Folge der ungleichmäßigen Überregnungdes Gebietes mit Niederschlagsmaximum imoberen Gebietsteil sowie der Heterogenität derGebietseigenschaften. Der untere Einzugsge-bietsteil reagiert aufgrund der Versiegelung sehrrasch auf Niederschläge. Zu intensiver Abflussbil-dung neigt außerdem der Festgesteinsbereich imvorwiegend bewaldeten äußersten Südwesten desGebiets.

Die Jährlichkeit der beiden Hochwasserereig-nisse ist mit etwa zwei Jahren Wiederkehrintervalleher klein. Dies gilt jedoch nicht für die zugehö-rigen Niederschläge, deren Jährlichkeit anhanddes kostra-Atlanten des Deutschen Wetterdiens-tes (Bartels et al., 1997) ermittelt wurden. Derkostra-Atlas enthält regionalisierte Punktnieder-schläge verschiedener Dauern und Jährlichkei-ten, die bezogen auf Rasterflächen von 71,5 km²Größe angegeben werden.

Danach handelt es sich bei dem Gewitterre-gen vom 28. Juni 1994 (Abb. 5.2, S. 75) mit rund81 mm Niederschlag, die an einer der Messstatio-nen innerhalb von vier Stunden aufgezeichnetwurden, um ein mehr als 100-jährliches Nieder-schlagsereignis. Der kostra-Atlas weist währenddes Sommerhalbjahres für ein 100-jährliches Er-eignis von vier Stunden Dauer im Bereich desLeingebiets 62 mm regionalisierten Punktnieder-schlag aus. Mit 65 mm liegt jedoch sogar der vonwasim-eth interpolierte Gebietsniederschlag überdiesem Punktwert.

Das advektive Niederschlagsereignis, welchesder unmittelbare Auslöser für das etwa zweijährli-che Hochwasser am 16. Februar 1990 war(Abb. 5.2, S. 75), entspricht an der Station mitden höchsten gemessenen Niederschlägen eben-falls nicht etwa einem zweijährlichen, sondernmit 58 mm in 20 Stunden während des Winter-halbjahres ungefähr einem 30-jährlichen Nieder-schlagsereignis.

Dem in Tab. 5.1, S. 74 aufgeführten unge-fähr achtjährlichen Hochwasserereignis mitScheitel am 20. Dezember 1993 ging sogar ein ca.

70-jährlicher Niederschlag von etwa 30 StundenDauer voraus.

Diese drei Beispiele belegen, wie wenig die Jähr-lichkeiten von Niederschlägen und Hochwassernüber die Genese von Hochwassern aussagen.

Der Gewitterregen vom 28. Juni 1994 ist einextremes Beispiel für den Unterschied zwischenNiederschlagsjährlichkeit und Hochwasserjähr-lichkeit. In diesem Fall haben die trockene früh-sommerliche Witterung vor dem Ereignis und diebereits gut entwickelte Vegetation dafür gesorgt,dass die Böden im Gebiet aufnahmefähig fürNiederschlag waren.

Auch während des advektiven Hochwasserer-eignisses vom 16. Februar 1990 war eine Kombi-nation aus geringen Niederschlägen im Vorfeldund dem guten Speichervermögen des Gebietesdafür verantwortlich, dass aus dem ergiebigenauslösenden Niederschlag kein größeres Hoch-wasser wurde.

An der Lein haben in der Vergangenheit vorallem langanhaltende advektive Niederschläge mithoher Vorfeuchte zu extremen Hochwassern ge-führt. Dementsprechend ist auch die Hochwasser-statistik im Bereich größerer Jährlichkeiten vonsolchen advektiven Ereignissen und nicht von in-tensiven konvektiven Starkregen geprägt.

Die Diskrepanzen zwischen Niederschlags- undHochwasserjährlichkeit ergeben sich dement-sprechend vor allem aus vier Faktoren:

(1) Der Witterungsverlauf vor dem Niederschlags-ereignis, das dem Hochwasser unmittelbar vo-rausgeht, ist von entscheidender Bedeutungfür die Hochwasserentstehung.

(2) Die physiographischen Eigenschaften bestim-men maßgeblich, welche Typen von Nieder-schlägen in einem Gebiet zu großen Hoch-wassern führen können.

(3) Nicht nur hohe Punktwerte des Niederschla-ges sind für die Hochwasserentstehung wich-tig, sondern eine großflächige Überregnungweiter Teile des Einzugsgebiets.

(4) Alle bisher genannten Faktoren sind außer-dem abhängig von der Einzugsgebietsgröße.


77

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nd

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ng

en

5.1.2 Körsch


Im Vergleich zur Lein ist die Datenlage in Bezugauf tägliche Niederschlagsdaten für das Körsch-gebiet schlecht. Dies gilt um so mehr für zeitlichhochauflösende Niederschlagsdaten. Lediglichzwei Niederschlagsstationen befinden sich imGebiet selbst. Dementsprechend wurden für diehydrologische Modellierung etliche angrenzendeStationen hinzugezogen, unter denen sich auch

mehrere Stationen mit hoher zeitlicher Auflösungbefinden. Dieses Manko wirkt sich insbesondereauf die Modellierung räumlich sehr heterogenerund meist eng begrenzter konvektiver Nieder-schlagsereignisse aus, was sich an der im Ver-gleich zur Lein geringen Güte der hydrologischenSimulationen für derartige Ereignisse ablesenlässt (siehe Tab. 5.2, S. 77). Desweiteren zeigensich bei der Modellierung des stark verstädtertenKörschgebietes die Grenzen einer vereinfachtenRepräsentation versiegelter Bereiche mit An-schluss an die Kanalisation. Dies wirkt sich eben-

falls insbesondere auf die Simulation konvektiverEreignisse mit ihrer hohen zeitlichen und räumli-chen Dynamik und Heterogenität aus.

Neben den in Tab. 5.2, S. 77 dokumentiertenEreignissen wurden noch verschiedene andere imSommerhalbjahr aufgetretene Ereignisse model-liert, deren Niederschlagsgeschehen sich anhandder Daten nicht eindeutig einem bestimmtenWitterungstyp zuordnen ließ. Wie beim Leinge-biet wurde das hydrologische Modell getrennt fürkonvektive und advektive Ereignisse kalibriert,wobei jeweils für alle simulierten konvektivenbzw. advektiven Ereignisse dieselben Parameter-sätze Verwendung fanden.


Im betrachteten Zeitraum von 1980 bis 1996 sindan der Körsch keine bedeutenden Hochwasseraufgetreten. Dementsprechend decken die simu-

lierten Ereignisse auch nur ein kleines Spektrummöglicher Hochwasser ab.

Ein Vergleich der Abflusskomponenten, wiesie für verschiedene konvektive und advektive Er-eignisse simuliert wurden (Abb. 5.3, S. 78), bestä-tigt die Zusammenhänge, die bereits für die Ab-flussbildung im Einzugsgebiet der Lein genanntwurden. Infiltrationsüberschuss entsteht fast aus-schließlich während konvektiver Ereignisse, eineÜberlastung des Kanalnetzes tritt ebenfalls insbe-sondere während Ereignissen mit hohen Nieder-schlagsintensitäten auf.

Aufgrund der tendenziell größeren hydrauli-schen Leitfähigkeit der Böden sowie geringererNiederschlagsintensitäten während der beobach-teten konvektiven Niederschlagsereignisse ist dersimulierte Anteil dieser Prozesse am Hochwasser-volumen jedoch etwas geringer als im Leingebiet.Ein deutlicher Unterschied zwischen Lein undKörsch besteht in der Aufteilung der unterirdi-

Tab. 5.2 Güte der hydrologischen Simulationen für das Körschgebiet berechnet als Efficiency bezie-

hungsweise logarithmierte Efficiency nach Nash & Sutcliffe (1970)

Konvektive Ereignisse Advektive Ereignisse

Zeitpunkt Efficiency lg-Efficiency Zeitpunkt Efficiency lg-Efficiency

1983, August 0,66 0,68 1982, Dezember 0,88 0,79

1985, Juli 0,59 0,74 1983, Mai 0,71 0,80

1986, April 0,74 0,87 1988, März 0,72 0,86

1992, Juli 0,96 0,83 1990, Februar 0,92 0,79

1995, Juli 0,64 0,83 1993, Dezember 0,92 0,90

— — — 1994, April 0,91 0,84

Mittelwert 0,72 0,79 Mittelwert 0,84 0,83


78

schen Abflusskomponenten sowie im Auftretenvon Sättigungsüberschuss, welcher eng an die un-terirdische Abflussentstehung gekoppelt ist. DieAufteilung der unterirdischen Abflusskomponen-

ten durch das Modell wird jedoch stark von derzeitlichen Dynamik der Hochwasserreaktion be-stimmt, was nicht zwingend Rückschlüsse auf diebeteiligten Abflussbildungsprozesse zulässt.

Zur Illustration der Auswirkungen von Landnut-zungsänderungen auf die Hochwasserentstehungim Körschgebiet wurden aus den simulierten Er-eignissen zwei herausgegeriffen, die einerseitsvom Modell gut wiedergegeben werden und an-dererseits den grundsätzlichen Unterschied zwi-schen der Hochwasserentstehung infolge intensi-ver Gewitterregen sowie langanhaltender zyklo-naler Niederschläge veranschaulichen (siehe

Abb. 5.4, S. 78). Wie aus Tab. 5.2, S. 77 hervor-geht, wurde insbesondere das sommerliche Stark-regenereignis im Juli 1992 vom Modell deutlichbesser nachvollzogen als die anderen konvektivenEreignisse (siehe Kap. 5.1.2.1).

Anhand des kostra-Atlanten wurden, wie inKap. 5.1.2.2 bereits für das Leingebiet beschrie-ben, die Niederschlagsjährlichkeiten der ausge-


Einzugsgebiet der Körsch als gemittelte Reaktion auf fünf konvektive und sechs advektive Nie-

derschlagsereignisse mit Jährlichkeiten zwischen einem und vier Jahren

Konvektive Niederschlagsereignisse

InfiltrationsüberschussSättigungsüberschuss

Kanalentlastung

Advektive Niederschlagsereignisse

Basisabfluss

Schnelle unterirdischeAbflussreaktion

InfiltrationsüberschussSättigungsüberschuss

Kanalentlastung

Basisabfluss


Abb. 5.4 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Körsch am Beispiel (a) eines konvektiven und

(b) eines advektiven Niederschlagsereignisses mit einer Jährlichkeit von einem bis zwei Jahren

Zeit [h]

0 10 20 30

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

(a) 22. Juli 1992 (b) Dezember 1993, Denkendorf/Körsch

Zeit [h]

0 50 100 150 200 250

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30



79

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wählten Ereignisse bestimmt. Diese liegen imKörschgebiet aufgrund der starken Versiegelungund damit hoher Abflussbereitschaft wesentlichnäher an den Hochwasserjährlichkeiten von einembis zwei Jahren als an der Lein.

Der sommerliche Starkregen vom 22. Juli 1995entspricht mit 29 mm in einer Stunde an einerder Stationen im Gebiet dem kostra-Atlantenzufolge einem etwa fünfjährlichen Niederschlag.

Ebenfalls ein ungefähr fünfjährlicher Nieder-schlag hat mit 36 mm in 24 Stunden im Körsch-gebiet zu dem Hochwasser am 21. Dezember 1993beigetragen.

Dem Hochwasser vom 16. Februar 1990(Tab. 5.2, S. 77) ging ein etwa 20-jährlicher Nie-derschlag (51 mm in 24 Stunden) voraus. Den-noch resultierte hieraus nur ein ein- bis zweijähr-liches Hochwasserereignis. Wie im Leingebiet istdies auf geringe Niederschläge im Vorfeld zu-rückzuführen (siehe Kap. 5.1.1.2).

Daneben deuten die Niederschlagsjährlich-keiten im Körschgebiet darauf hin, dass das Aus-bleiben extremer Hochwasser während des be-trachteten Zeitraums auch auf ausbleibende Ex-tremniederschläge zurückzuführen ist.

5.1.3 Lenne


Das Niederschlagsgeschehen im Einzugsgebietder Lenne ist gut durch tägliche Niederschlagsda-

ten dokumentiert. Stündliche Daten liegen je-doch in digitaler Form nur an einer Station undfür einen kurzen Zeitraum vor. Dennoch wurdendie Simulationen für das Lenne-Gebiet im Stun-denzeitschritt durchgeführt, um eine Vergleich-barkeit mit den Simulationsergebnissen für dieanderen beiden Einzugsgebiete zu gewährleisten.Intensive sommerliche Starkniederschläge, diewegen ihrer starken Abflussbildungsdynamikzeitlich hochaufgelöste Niederschläge erfordern,sind an der Lenne dahingegen von untergeordne-ter Bedeutung. Hierfür wurden die täglichen Da-ten zeitlich disaggregiert (siehe Kap. 4.5). In demZeitraum, für den stündliche Daten vorlagen, ge-schah dies anhand der zeitlichen Verteilung die-ser stündlichen Daten. Im restlichen Zeitraumwurde mangels besserer Information eine einfa-che dreieckige Verteilung der Niederschläge überden Tag hinweg angenommen. Die Ableitung desMaximums dieser Dreiecksverteilung erfolgteebenfalls anhand der stündlichen Daten. Ein sol-ches Vorgehen erscheint insofern zulässig, als dassdie Hochwasserereignisse im betrachteten Zeit-raum ausnahmslos die Folge langanhaltenderadvektiver Regenfälle mit tendenziell kleinenNiederschlagsintensitäten waren. Von Schnee-schmelzprozessen dominierte Hochwasserereig-nisse wurden von den Berechnungen ausge-schlossen, da bei Vorhandensein einer mächtigenSchneedecke Aussagen über den Einfluss derLandnutzung auf die Infiltrationsbedingungenkaum möglich sind.

Tab. 5.3 Güte der hydrologischen Simulationen für das Lennegebiet berechnet als Efficiency bezie-

hungsweise logarithmierte Efficiency nach Nash & Sutcliffe (1970)

Zeitpunkt Efficiency lg-Efficiency

1988, Dezember 0,84 0,93

1990, Februar 0,64 0,82

1990, Dezember 0,79 0,82

1991, Dezember 0,75 0,81

1993, Januar 0,84 0,82

1993, Dezember 0,78 0,90

1994, März 0,79 0,88

Mittelwert 0,78 0,85


80

Wie Tab. 5.3, S. 79 zeigt, spiegelt sich die imVergleich zur Lein schlechtere Datenlage auch ineiner geringeren Güte der Hochwassersimulatio-nen wider. Die Niedrigwasserabflüsse werden derlogarithmierten Efficiency zufolge vom Modellvergleichsweise gut wiedergegeben.


Die innerhalb des Simulationszeitraums aufgetre-tenen mehrjährlichen Hochwasser im Einzugsge-biet der Lenne sind ausnahmslos auf langanhal-tende advektive Niederschlagsereignisse mit ho-

her Vorfeuchte zurückzuführen – teilweiseverbunden mit Schneeschmelze. Aufgrund dertendenziell geringen Niederschlagsintensitätenwährend solcher Ereignisse treten dabei die Infil-trationseigenschaften gegenüber den Eigenschaf-ten des Untergrundes in den Hintergrund.Abb. 5.5, S. 80 veranschaulicht, dass dieser Zu-sammenhang vom hydrologischen Modell gutwiedergegeben wird.

Da die Morphologie des Lennegebietes voneiner Kombination aus geringdurchlässigemTongestein, meist deutlich durchlässigerem peri-glazialen Hangschutt und geringmächtigen Bö-


Einzugsgebiet der Lenne als gemittelte Reaktion auf sieben advektive Niederschlagsereignisse

mit Jährlichkeiten zwischen zwei und acht Jahren

InfiltrationsüberschussSättigungsüberschussKanalentlastung

Basisabfluss


Abb. 5.6 Simulation von Hochwassern im Einzugsgebiet der Lenne am Beispiel eines advektiven Nieder-

schlagsereignisses mit einer Jährlichkeit von etwa zwei Jahren

Zeit [h]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20


Dezember 1988, Bamenohl/Lenne

Exemplarische Sensitivitätsstudien

81

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en

den bestimmt wird, dominieren rasche unterirdi-sche Abflussreaktionen (siehe Kap. 3.4.2). In-filtrationsüberschuss hingegen spielt denSimulationen zufolge aufgrund der guten Durch-lässigkeit der Böden und den geringen Nieder-schlagsintensitäten während der betrachteten Er-eignisse nahezu keine Rolle. Dementsprechendgering ist auch der Einfluss der Landoberflächeauf die Abflussbildung.

In Abb. 5.6, S. 80 ist beispielhaft die Simulati-on eines im Dezember 1988 an der Lenne aufge-tretenen Hochwassers dargestellt. Ergiebige Nie-derschläge im Vorfeld des Hochwasserereignissessorgten für eine sehr hohe Vorfeuchte im Gebiet,was eine starke Reaktion des Einzugsgebietes aufdie neuerlichen Niederschläge um den20. Dezember herum (nach etwa 650 Stunden)begünstigte. Dies erklärt auch den hohen Ab-flussbeiwert für dieses Ereignis von 0,63 (vgl.Tab. 3.5, S. 43). Dieses typische ›Weihnachts-hochwasser‹ war nur zu einem geringen Maßdurch Schneeschmelze in den höheren Lagen desGebietes beeinflusst.

Auch für das Lennegebiet wurden mit Hilfe deskostra-Atlanten des Deutschen Wetterdienstes(Erläuterung siehe Kap. 5.1.1.2) die Jährlichkei-

ten einiger Niederschlagsereignisse ermittelt, dieim betrachteten Zeitraum zu Hochwassern führ-ten.

Am Niederschlag vom 20. Dezember 1988(siehe Abb. 5.6, S. 80) zeigt sich, dass ein extre-mes Hochwasser an die Überregnung weiter Teiledes Einzugsgebietes gebunden ist. Am höchstenPunkt des Gebiets, dem Kahlen Asten, wurdeninnerhalb von 24 Stunden 97 mm Niederschlaggemessen, was im Winterhalbjahr ein mehr als100-jährliches Ereignis (entspricht 78 mm) dar-stellt. Im übrigen Gebiet wurden jedoch in der-selben Zeitspanne nur zwischen 20 und 50 mmregistriert, weswegen das zugehörige Hochwasserauch nur als etwa zweijährliches eingestuft wird.

Wie wenig der Niederschlag unmittelbar vordem Hochwasserscheitel über dessen Entstehungs-geschichte aussagt, zeigt das Ereignis vom 31. De-zember 1993 (siehe Tab. 5.3, S. 79). Im Zusam-menhang mit diesem Hochwasser wurden an ei-ner Station 48 mm Niederschlag in 20 Stundengemessen, was einem ungefähr 10-jährlichen Er-eignis entspricht. Dass daraus auch ein Hochwas-ser in ähnlicher Größenordnung wurde, liegt je-doch vor allem daran, dass im Dezember 1993insgesamt fast 400 mm Niederschlag auf das Len-negebiet fielen.

5.2 EXEMPLARISCHE SENSITIVITÄTSSTUDIEN

5.2.1 Versiegelung

In der öffentlichen Diskussion wird häufig diesteigende Versiegelung als eine der Hauptursa-chen für die Zunahme der Hochwasserentste-hung genannt. Um den Einfluss von Größe undLage versiegelter Flächen innerhalb eines Ein-zugsgebietes abschätzen zu können, muss geprüftwerden, inwieweit sich diese Abhängigkeitenüberhaupt mit dem hydrologischen Modell dar-stellen lassen. Als Eignungstest für das hydrologi-sche Modell bieten sich Sensitivitätsszenarien an,welche die Extreme ausloten und Lageabhängig-keiten untersuchen. Zu diesem Zweck wurdenvon Fritsch (in Bronstert et al., 2001) sechsBesiedlungssungszenarien für das Leingebiet ent-worfen (Karte 5.1, S. 82). Bei diesen Szenarien

wird zur Vereinfachung nicht zwischen Industrie-gebieten und Siedlung unterschieden, um denEinfluss der Bebauung leichter interpretierbar zumachen.

5.2.1.1 Szenarien

Als Referenz für die einzelnen in Karte 5.1, S. 82dargestellten Szenarien dient der Ist-Zustand (a).Ein Szenario ohne Besiedlung (keine Kartendar-stellung) gibt quantitativen Aufschluss über denVersiegelungseinfluss im Untersuchungsgebietinsgesamt. Ein entgegengesetztes Extremszenario(c) nimmt eine Verstädterung von über 25% derFläche an. Dieser Verstädterungsgrad entsprichtdem der Körsch und kann so für einen Vergleichder beiden Gebiete herangezogen werden.


82

Die Szenarien (d), (e) und (f) stellen als didakti-sche Szenarien den Einfluss der Lage einer fikti-ven Siedlung im Untersuchungsgebiet dar. Dies

wird ergänzt durch Szenario (b), das eine annä-hernde Gleichverteilung der Landnutzungen imGebiet zugrunde legt. Die Modellierungsergeb-

Karte 5.1 Sensitivitätsszenarien für die Bewertung des Siedlungseinflusses im Einzugsgebiet der Lein

km

N

10505

SiedlungAckerWeinObst

WieseParzellenstrukturLandwirtschaft/NaturLaubwald

MischwaldNatürliches GrünlandGewässernetz

Landnutzung

(f) Besiedlung im unteren Gebietsteil(e) Besiedlung im Bereich des Massenbachs

(d) Besiedlung im oberen Gebietsteil(c) Besiedlung auf 25% der Fläche

(b) Besiedlung zufällig verteilt(a) Ist-Zustand


83

Au

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gen

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an

dn

utz

un

gsä

nd

eru

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en

nisse in Kap. 5.2.1.3 zeigen, inwieweit Lageeffek-te für die Simulation der Hochwasserentstehungeine Rolle spielen.

5.2.1.2 Hydrologischer Einfluss der

Ausdehnung von Siedlungsflächen

Abb. 5.7, S. 83 zeigt die hydrologischen Auswir-kungen extremer Besiedlung, fehlender Besied-

lung sowie der Besiedlung im Jahr 1844 im Ver-gleich zur Simulation des Ist-Zustandes. Der Ver-siegelungsgrad von Siedlungspixeln und derenZustand der Kanalisation sind für alle Simulatio-nen identisch, wurden also für den Zustand imJahr 1844 nur flächenmäßig an die historischenVerhältnisse angepasst.

Die Simulationen zeigen zum einen die merk-liche Verschärfung von Hochwasserereignissen

bei einer Zunahme der Siedlungsfläche gegenü-ber dem fiktiven Zustand ohne Besiedlung. Zumanderen wir aber auch deutlich, dass diese Hoch-wasserverschärfung für sommerliche Starkrege-nereignisse hoher Intensität wesentlich ausge-prägter ist als für langanhaltende winterlicheNiederschlagsereignisse mit geringer Nieder-schlagsintensität und hoher Vorfeuchte. Diesebekannten Zusammenhänge werden vom Modellplausibel wiedergegeben.

Der Einfluss von Siedlungsflächen auf dieHochwasserentstehung beschränkt sich abernicht auf die tendenzielle Erhöhung von Abfluss-maximum und Abflussvolumen, sondern drücktsich auch in einer Verschiebung des Anteils derverschiedenen Abflussbildungsmechanismen ander Hochwasserentstehung aus. Abb. 5.8, S. 84

zeigt diese Veränderung anhand von Mittelwer-ten – wiederum getrennt für konvektive undadvektive Ereignisse. Gemeinsam ist beiden Er-eignistypen eine Zunahme der Direktabflusskom-ponente zuungunsten der unterirdischen Abfluss-komponenten, womit langfristig auch eine Verrin-gerung der Grundwasserneubildung einhergeht.Die Gründe für die Zunahme von Direktabflussliegen einerseits im Anwachsen der an die Kana-lisation angeschlossenen Fläche und damit ver-stärkter Mischwasserentlastung in den Vorfluter.Andererseits führen die innerhalb von Siedlungs-bereichen häufig verdichteten Böden zu verstärk-tem Infiltrationsüberschuss. Außerdem zeigt sich,wie sehr die Entstehung von Sättigungsflächenund Sättigungsoberflächenabfluss an das Vorhan-densein lateraler unterirdischer Abflusskomponen-

Abb. 5.7 Simulation der hydrologischen Auswirkung verschiedener Besiedlungsanteile im Einzugsgebiet

der Lein beispielhaft für (a) ein konvektives und (b) ein advektives Niederschlagsereignis; Anteil

der Siedlungsflächen am Einzugsgebiet 0,8% im Jahr 1844 und 7,4% (incl. Industrie) im Ist-

Zustand

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand25% SiedlungsflächeOhne BesiedlungZustand im Jahr 1844Niederschlag

(a) 28. Juni 1994, Frankenbach/Lein

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

(b) 16. Februar 1990, Frankenbach/Lein


84

ten gekoppelt ist, da Siedlungsflächen hier eben-falls einen Rückgang bewirken.

Bedingt durch die beschleunigte Abflusskonzen-tration im Bereich von Siedlungsflächen ver-schärft sich – ebenfalls für beide Ereignistypen –das Abflussmaximum stärker als das Hochwasser-volumen. Diese Verschärfung ist auch im Mittelfür konvektive Ereignisse erheblich stärker als füradvektive Ereignisse.

Ein anderer wichtiger Zusammenhang ergibtsich aus der Gegenüberstellung der betrachteten

advektiven Ereignisse. Werden die Ereignisse –wie in Tab. 5.4, S. 85 dargestellt – nach den Aus-wirkungen der Siedlungszunahme auf den Ab-fluss sortiert, so zeigt sich für die zur Verfügungstehenden Ereignisse unterhalb einer Jährlichkeitvon zehn Jahren:

(1) Es besteht eine starke Korrelation zwischenden Auswirkungen und der Ereignisdauer so-wie dem Basisabflussanteil des Hochwassers.Sowohl die Dauer als auch der Basisabflussan-

Abb. 5.8 Simulierte Auswirkung verschiedener Besiedlungsanteile auf die Anteile der Abflusskomponen-

ten im Einzugsgebiet der Lein an der Hochwasserentstehung für (a) fünf konvektive und (b)

sechs advektive Niederschlagsereignisse mit Jährlichkeiten zwischen zwei und acht Jahren

(a) Mittelwerte für konvektive Ereignisse

Direkt

abflu

ssInt

erflo

wBa

sisab

fluss

Ant

eil a

m G

esam

tabf

luss

volu

men

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Ohne BesiedlungIst-Zustand25% Siedlungsfläche

Abflus

smax

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Abflus

svolu

men

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Ist-

Zust

and

[%]

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160Ohne Besiedlung25% Siedlungsfläche

Inf.ü

bersc

huss

Sätt.

über

schu

ss

Kanale

ntlas

tung

Ant

eil a

m D

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abflu

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lum

en [%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

(b) Mittelwerte für advektive Ereignisse

Direkt

abflu

ssInt

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sisab

fluss

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luss

volu

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[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Ohne BesiedlungIst-Zustand25% Siedlungsfläche

Inf.ü

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ss

Kanale

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en [%

]

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10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Abflus

smax

imum

Abflus

svolu

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genü

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Ist-

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and

[%]

-40

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0

20

40

60

80

100

120

140

160Ohne Besiedlung25% Siedlungsfläche


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an

dn

utz

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nd

eru

ng

en

teil sind indirekte Indikatoren für eine ausge-dehnte Periode ergiebiger Niederschläge mitder Folge eines hohen Sättigungsgrades imEinzugsgebiet.

(2) Es existiert nahezu kein Zusammenhang zwi-schen den Auswirkungen und der Größe desAbflussmaximums bzw. der Ereignisjährlich-keit.

Letzteres zeigt sich beispielsweise beim Vergleichder beiden Ereignisse von 1988 und 1990. Das Er-eignis vom Februar 1990 unterscheidet sich mit10,0 m³/s im Abflussscheitel nur unwesentlichvon dem im Frühjahr 1988 mit 10,2 m³/s. Der si-mulierte Einfluss der Landnutzung (in diesem Fallder Siedlungszunahme) ist jedoch im einen Falldeutlich ausgeprägt und im anderen Fall ver-schwindend gering. Dies ist auf den unterschied-lichen Sättigungsgrad des Einzugsgebieteszurückzuführen, der sich sowohl aus der Vorge-schichte als auch aus den Niederschlagscharakteris-tika des Ereignisses selbst ergibt.

5.2.1.3 Hydrologischer Einfluss derLage von Siedlungsflächen

Abb. 5.9, S. 86 illustriert den Einfluss der Lagevon Siedlungsflächen im Gebiet sowohl auf denzeitlichen Verlauf eines Hochwasserereignisses als

auch auf die Abflussbildung. Die tatsächlicheräumliche Verteilung der Siedlungsflächen (Ist-Zustand plus 20% Siedlungsfläche) ist dabei ei-ner Konzentration der Siedlungsfläche im oberenTeil des Gebietes, in der Mitte des Gebiets sowieunten am Gebietsauslass gegenübergestellt (sieheSzenarien d, e und f in Karte 5.1, S. 82). ZumVergleich zeigt Abb. 5.10, S. 86, wie sich den Si-mulationen zufolge eine annähernde Gleichver-teilung der Siedlungen im Gebiet auf die Hoch-wassersituation auswirken würde.

Aufgrund der kurzen Dauer und hohen In-tensität des ausgewählten konvektiven Ereignis-ses ist der Zusammenhang zwischen veränderterSiedlungsverteilung und dem Hochwasserverlaufauch hier wieder deutlicher ausgeprägt als für dasadvektive Ereignis. Neben einer zeitlichen Verla-gerung und Verschärfung der Hochwasserspitzeführt eine Konzentration der Siedlungsfläche imoberen Teil des Einzugsgebietes aber auch zu ei-ner Zunahme des Abflussvolumens, wohingegensich das Abflussvolumen bei einer Konzentrationder Siedlungsflächen im mittleren oder unterenTeil kaum ändert. Dies hängt zum einen damitzusammen, dass sich das Zentrum des Gewitter-niederschlags beim ausgewählten Ereignis imoberen Teilgebiet befand. Zum anderen werdendurch eine fiktive Besiedlung im oberen Teilge-biet tendenziell durchlässigere Böden versiegelt

Tab. 5.4 Erhöhung von Hochwasservolumen und Abflussmaximum für die sechs ausgewählten advekti-

ven Ereignisse bei Zunahme der Siedlungsfläche auf 25 % der Einzugsgebietsfläche (sortiert

nach der Stärke der Abflussverschärfung) und deren Zusammenhang zu Basisabflussanteil,

Dauer und Wiederkehrintervall

Jahr, Monat

Erhöhung gegenüberdem Ist-Zustand

SimulierterBasisabfluss-

anteilam Volumen

[%]

Dauer[h]

Jährlichkeitca. [a]

Maximum[%]

Volumen[%]

1990, Februar 41 26 18 150 2

1993, Dezember 38 20 17 250 8

1997, Februar 27 19 18 150 7

1982, Dezember 18 12 26 225 3

1983, Mai 8 8 38 300 4

1988, März 3 0,9 50 650 3

Mittelwert 23 14 28 290 4,5


86

als in den beiden anderen Fällen, so dass sich hierdie negativen Auswirkungen der Versiegelung be-sonders stark bemerkbar machen. Dieser Zusam-menhang zeigt sich auch bei einer annäherndgleichmäßigen Verteilung der Siedlungspixelüber das Gebiet, weil dadurch im oberen Teil desEinzugsgebietes ebenfalls mehr Siedlungsfläche

entsteht als im Ist-Zustand (siehe Szenario (b) inKarte 5.1, S. 82).

5.2.2 Makroporendynamik

Die Unsicherheit, die der mathematischen Be-schreibung von Makroporen aufgrund der hohen

Abb. 5.9 Simulation der Auswirkungen verschiedener räumlicher Verteilungen der Siedlungsflächen im

Leingebiet beispielhaft für (a) ein konvektives und (b) ein advektives Niederschlagsereignis;

Anteil der Siedlungsflächen am Einzugsgebiet in allen vier Szenarien ca. 9%

Abb. 5.10 Simulation der Auswirkungen einer annähernden Gleichverteilung der Siedlungsflächen im

Leingebiet beispielhaft für (a) ein konvektives und (b) ein advektives Niederschlagsereignis;

Anteil der Siedlungsflächen am Einzugsgebiet ca. 6,5%

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

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30

VerteiltUntenMitteObenNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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[mm

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Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-ZustandZufällige Verteilungder SiedlungenNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

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0.3

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0.5

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Niederschlag [m

m/h]

0

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20

25

30



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Nichtlinearität der beteiligten Fließprozesse undmangelnder Daten zwangsläufig innewohnt,wurde bei der Dokumentation des Makroporen-moduls in Kap. 4.4.1 und dessen Parameterisie-rung in Kap. 4.4.6 diskutiert. Wie sich die Einbe-ziehung von Makroporen auf die Modellierungeines Einzugsgebietes auswirkt, wird im folgen-den anhand des Leingebietes gezeigt.

Die in Kap. 4.4.7 beschriebene Sensitivitätsa-nalyse für die Modellerweiterungen hat ergeben,dass der Parameter, der die Interaktion zwischenMakroporen und Bodenmatrix steuert, oberhalbeines Mindestvolumens aktiver Makroporen dasModellergebnis wesentlich stärker beeinflusst alsdie Parameter, die das Makroporenvolumen imBoden festlegen. Um dies zu demonstrieren, wur-de die Entleerungskonstante des Makroporen-speichers kSM, die zusammen mit der Boden-feuchte die Interaktion zwischen Makroporenund Bodenmatrix bestimmt, von dem durch Ka-librierung ermittelten Wert von 1,5 h einmal auf0,5 h erniedrigt und einmal auf 3 h erhöht. DieseVariationsbreite ist willkürlich. Je kleiner derWert für die Entleerungskonstante ist, destoschneller perkoliert das von den Makroporen auf-genommene Wasser in tiefere Bodenschichten,wo es bei geringer Bodenfeuchte aufgrund der Bo-denverhältnisse in weiten Teilen des Leingebietes

nur noch zu einem sehr geringen Teil zum Hoch-wasser beiträgt. Bei hoher Bodenfeuchte hingegendominiert das Sättigungsdefizit des Bodens dieGeschwindigkeit der Abgabe von Wasser aus denMakroporen an die Bodenmatrix. Im Extremfall,das heißt bei gesättigten Verhältnissen, füllen sichdie Makroporen aus dem Sättigungsüberschussdes umgebenden Feinbodens, worauf der Para-meter kSM keinen Einfluss hat. Deswegen ist derEinfluss der Interaktion zwischen Makroporenund Feinboden für das gezeigt advektive Ereignisauch so gering, dass die gepunktet dargestellteBandbreite sich mit bloßem Auge nicht von dereigentlichen Szenarioganglinie unterscheidenlässt. Erfreulicherweise ist dieser Zusammenhangkein Modellartefakt, sondern Ausdruck dessen,dass die starke Heterogenität innerhalb der Bo-denzone mit zunehmender Bodenfeuchte ausge-glichen wird.

Noch deutlicher wird die Wirkungsweise desMakroporenmoduls, wenn das Modul ganz abge-schaltet und der Infiltrationsvorgang dement-sprechend ausschließlich von den Eigenschaftender Bodenmatrix gesteuert wird:

Die Entstehung von Infiltrationsüberschusswird überbewertet (Abb. 5.11, S. 87), was vor al-lem beim dargestellten konvektiven Ereignis we-gen der hohen Niederschlagsintensitäten zu einer

Abb. 5.11 Simulation des Einflusses der Makroporendynamik im Leingebiet beispielhaft für (a) ein konvek-

tives und (b) ein advektives Niederschlagsereignis

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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0.0

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m/h]

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30

Mit MakroporenOhne MakroporenSensitivität derMakroporendynamikNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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2.0

Niederschlag [m

m/h]

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15

20

25

30


88

extremen Überschätzung des Hochwassers führt.In Modellen, die Makroporen nicht berücksichti-gen, wird dies durch willkürlich erhöhte hydrau-lische Leitfähigkeiten ausgeglichen. Wird, wiebeim ausgewählten advektiven Ereignis, die Infil-trationskapazität der Matrix nur geringfügigüberschritten, so ist der Einfluss des Makropo-renmoduls wesentlich geringer.

5.2.3 Niederschlagsverteilung

Auf die entscheidende Bedeutung der Eigen-schaften von Starkniederschlägen für die Hoch-wasserentstehung wurde bereits mehrfach hinge-wiesen. Hieraus ergibt sich, dass die Modellie-rung der Hochwasserentstehung eng an dieQualität der Niederschlagsdaten und ihre Verar-beitung durch das hydrologische Modell gekop-pelt ist.

Zwei wichtige Aspekte der Bedeutung desNiederschlages für die Modellierung des Einflus-ses der Landnutzung sind folgende:

(1) Wie gut geben die Daten bzw. das hydrologi-sche Modell die räumliche Verteilung derNiederschläge im Gebiet wieder?

(2) Welche zeitliche Auflösung der Nieder-schlagsdaten ist erforderlich, um die Prozess-dynamik der Hochwasserentstehung mit ei-nem hydrologischen Modell darstellen zukönnen?

Hierauf wird anhand von exemplarischen Mo-dellrechnungen für das Leingebiet eingegangen.Die sehr gute Ausstattung des Gebietes mit Nie-derschlagsstationen wurde bereits in Kap. 3.2.6.2beschrieben. Auch die Aufbereitung der Nieder-schlagsdaten für das Einzugsgebiet der Lein wur-de bereits erläutert (Kap. 4.5). Die Anordnungder Niederschlagsstationen im Leingebiet ist inKarte 3.5, S. 32 dargestellt.

5.2.3.1 Räumliche Verteilung

Die räumliche Verteilung des Niederschlageswird bei der Modellierung des Leingebietes mitHilfe der Daten aller neun verfügbaren Nieder-schlagsstationen interpoliert. Karte 5.2, S. 88zeigt beispielhaft, wie sehr sowohl die Wiederga-be von Intensität und Volumen eines Nieder-schlagsereignisses als auch dessen räumliche Ver-teilung von der Anzahl und Lage der Messstatio-

nen abhängen. Die fünf von der Landesanstaltfür Umweltschutz Baden-Württemberg (lfu) be-treuten Stationen entstammen einem kommuna-len Messnetz, das eigens für das Leingebiet er-

richtet wurde. Deshalb wurden die Standorte derStationen so gewählt, dass sie das Niederschlags-geschehen im Gebiet möglichst gut erfassen. Dievier Stationen des Deutschen Wetterdienstes

Karte 5.2 Einfluss der Lage und Anzahl von Niederschlagsstationen auf die räumliche Interpolation des

Niederschlages am Beispiel eines Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein

#

##

#

##

# #

#

40 50 60 70 80 90 1003020100Niederschlag [mm]

5 0 5 km10

N

23. Juli 1995, Einzugsgebiet der Lein

Vier DWD-Stationen Alle neun Stationen Fünf LfU-Stationen


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(dwd), die ebenfalls für die Modellierung ver-wendet wurden, liegen dahingegen außerhalb desGebietes an dessen westlichem, nördlichem undöstlichem Rand. Das Zentrum des räumlich engbegrenzten Sommergewitters vom 23. Juli 1995lag jedoch im Gebiet selbst, wie die Interpolationdes Niederschlages mit Hilfe aller neun Stationenin Karte 5.2, S. 88 deutlich zeigt. Entsprechendstark unterscheiden sich auch die simuliertenNiederschlagsintensitäten: Während an der Nie-derschlagsstation, die dem Zentrum des Gewit-ters am nächsten lag, bis zu 37 mm/h aufgezeich-net wurden, fielen an den dwd-Stationen außer-halb des Gebietes lediglich maximal 17 mm/h.Gleiches gilt für die Summen des Gebietsnieder-schlages für das gesamte Ereignis: 68 mm bei Be-rücksichtigung aller Stationen, 48 mm nur mitHilfe der dwd-Stationen und 79 mm anhand derlfu-Stationen.

Die für diese drei Varianten simuliertenHochwasserverläufe unterscheiden sich deswegenebenfalls erheblich. Abb. 5.12, S. 89 suggeriertsogar, dass die Variante ohne Berücksichtigungder dwd-Stationen dem tatsächlichen Nieder-schlagsgeschehen am nächsten kommt, da hierfürein besseres Modellierungsergebnis erzielt wirdals bei Verwendung aller Stationen. Dies kannaber ebenso ein Produkt der Struktur und Para-meterisierung des hydrologischen Modells und/

oder der Interpolationsmethode für die Nieder-schlagsdaten sein. Die extremen Unterschiede imSimulationsergebnis sind ein Indikator für dieUnsicherheit, die der hydrologischen Modellie-rung unabhängig vom verwendeten Modell be-reits aufgrund der Niederschlagsdaten innewohnt.Diese Unsicherheit ist für kleinräumige konvekti-ve Niederschläge wie dem dargestellten am größ-ten, deutlich kleiner jedoch für großräumigere zy-klonale Niederschläge.

5.2.3.2 Zeitliche Verteilung

Die Bedeutung der Niederschlagsintensität fürdie mathematische Simulation der Abflussbil-dungsdynamik soll anhand der zeitlichen Diskre-tisierung des Niederschlages verdeutlicht werden.Die zeitliche Diskretisierung ergibt sich zum ei-nen aus der zeitlichen Auflösung der verfügbarenNiederschlagsdaten. Zum anderen stellt sie einesubjektive Entscheidung des Modellierers dar, dievon der Fragestellung geleitet sein sollte, oft aberauch von praktischen Erwägungen wie der Re-chenzeit des Modells bestimmt wird.

Um den Einfluss der Niederschlagsintensität zuveranschaulichen, wurde das hydrologische Mo-dell mit ein-, sechs- und 24-stündigen Mittelwer-ten des Niederschlages betrieben. Der Modellie-rungszeitschritt betrug in allen drei Fällen eine

Abb. 5.12 Auswirkung der Lage und Anzahl von Niederschlagsstationen auf die hydrologische Modellie-rung am Beispiel eines Starkregenereignisses im Einzugsgebiet der Lein

23. Juli 1995, Frankenbach/Lein

Zeit [h]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4GemessenAlle StationenNur DWD-StationenNur LfU-Stationen


90

Stunde – genauso wie für alle anderen im Rah-men dieser Arbeit durchgeführten Simulationen.

Karte 5.3, S. 90 ist eine Momentaufnahme derSimulation eines konvektiven Niederschlags-ereignisses. Hierfür wurde der Zeitschritt mit denhöchsten einstündigen Mittelwerten des Nieder-schlages ausgewählt, da bei hohen Niederschlags-intensitäten die Abflussbildungsdynamik amgrößten ist. Der räumlichen Verteilung und In-tensität des simulierten Infiltrationsüberschussessowie der Kanalentlastung ist jeweils die dazuge-hörige Niederschlagsverteilung unterlegt. Infilt-rationsüberschuss entsteht ausschließlich bei Ver-wendung der einstündigen Mittelwerte, undauch hier nur in den Bereichen mit den höchstenNiederschlagsintensitäten. Ein Vergleich mit derLandnutzungsverteilung im Leingebiet machtaußerdem deutlich, dass die Entstehung von In-filtrationsüberschuss im gewählten Beispiel aufverdichtete Böden in Siedlungsgebieten und auf

landwirtschaftliche Flächen beschränkt ist. Beider Überlastung der Kanalisation in Siedlungsge-bieten findet eine stärkere Differenzierung statt.Doch auch hierfür ergeben die einstündigen Mit-telwerte einen weitaus größeren Einfluss derSiedlungen und Industriegebiete auf die Hoch-wasserentstehung als für stärker aggregierte Mit-telwerte.

Dies bestätigt sich auch bei Betrachtung derModellierungsergebnisse für den Pegel Franken-bach, die in Abb. 5.13, S. 91 dargestellt sind. DieNiederschlagsbalken zeigen, wie sehr der Charak-ter des sommerlichen Starkregenereignisses durchdie Aggregierung der Niederschlagsdaten verlo-ren geht.

Folgerichtig wird für die stärker aggregiertenNiederschlagswerte eine deutlich gedämpfte Ab-flussganglinie simuliert, da schlechte Infiltrati-onsbedingungen aufgrund der verringerten Nie-derschlagsintensität keinen limitierenden Faktor

Karte 5.3 Auswirkung der zeitlichen Diskretisierung des Niederschlages auf die hydrologische Modellie-

rung der Abflussbildung am Beispiel eines konvektiven Starkregenereignisses im Einzugsgebiet

der Lein

N

39363330272421181512963

≥1098765432≤1

0

5 0 5 km10

[mm/h]

Niederschlag [mm/h]

InfiltrationsüberschussKanalentlastung

1 Stunde 24 Stunden6 Stunden


Kanalentlastung

27. Juni 1994, 20 Uhr, Einzugsgebiet der Lein

Historische Landnutzung

91

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dn

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un

gsä

nd

eru

ng

en

mehr darstellen. Die Modellierungsergebnissebelegen, dass einstündige Mittelwerte gegenüberstärker aggregierten Mittelwerten bei der Be-schreibung rasch reagierender Abflussbildungs-prozesse deutlich überlegen sind.

Dennoch sind auch einstündige Mittelwertenur eine willkürliche Festlegung, die zu Fehlein-

schätzungen führen kann. Hinzu kommt, dassdie Parameterisierung des Modells aufgrund derNicht-Linearität der simulierten Prozesse nichtunabhängig von der Festlegung der zeitlichenDiskretisierung der meteorologischen Daten ist,was ein großes Manko jeglicher Modellierungdarstellt.

5.3 HISTORISCHE LANDNUTZUNG

5.3.1 Lein

5.3.1.1 Landnutzung im Jahr 1844

Als Datengrundlage für einen historischen Zu-stand des Leingebiets dienen die im Topographi-sche Atlas über das Grossherzogtum Baden imMaßstab 1 :50000 verzeichneten Landnutzungenaus dem Jahre 1844. Die Differenzierungsmög-lichkeiten der verschiedenen Landnutzungen be-schränken sich auf die Kategorien Siedlung,Acker, Wein, Wiese, Kleingärten und Wald. Die-se wurden digitalisiert und auf 100 × 100 m Pi-xelgröße gerastert. Ein Vergleich zwischen der

historischen Landnutzungskarte und dem aktuel-len Landnutzungsmuster der Lein zeigt eine an-nähernd unveränderte Verteilung von Acker undWaldbestand, begründet durch die hohe Boden-fruchtbarkeit in diesem Gebiet. Lediglich einetwa 100 bis 150 m breiter Uferrandstreifen ent-lang des Flusslaufs unterscheidet sich von derheutigen Ackerfläche. Die heutigen Siedlungenexistierten als kleine Dörfer in der direktenNachbarschaft des Flusslaufs schon zum Zeit-punkt der historischen Aufnahme. Im Gegensatzzu heute unterschieden die Siedlungen sich un-tereinander kaum in der Größe. Ihr Flächenanteilam gesamten Einzugsgebiet lag 1844 bei 0,76%.

Abb. 5.13 Auswirkung der zeitlichen Diskretisierung des Niederschlages auf das Ergebnis der hydrologi-schen Modellierung am Beispiel eines konvektiven Starkregenereignisses im Einzugsgebiet derLein

28. Juni 1994, Frankenbach/Lein

Zeit [h]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

1 h6 h24 h1 h6 h24 h


92

5.3.1.2 Hydrologische Simulation

Das Ergebnis der hydrologischen Modellierungfür den Zustand des Gebietes im Jahr 1844 wurdein Kap. 5.2.1.2 im Zusammenhang mit den Sen-sitivitätsszenarien zum Einfluss der räumlichenAusdehnung von Siedlungsflächen dargestellt.

5.3.2 Körsch


Hierfür wurden die erkennbaren Landnutzungender Topographischen Karte von dem KönigreicheWürttemberg aus dem Jahre 1836 im Maßstab1: 50000 digitalisiert und auf 100 m Pixelgrößegerastert. Die historische Situation zeigt, vergli-chen mit den heutigen Bedingungen, ein ähnli-ches Landnutzungsmuster von Acker- und Wald-

fläche. Die Siedlungsfläche hingegen nahm da-mals nur 1,3% der Einzugsgebietsfläche ein undbestand aus kleinen Dörfern, von denen aus dieumliegenden Äcker bewirtschaftet wurden.


Die Entwicklung der Landnutzung im Körschge-biet seit 1836 ist vor allem von einer massiven Zu-nahme der Siedlungsfläche gekennzeichnet, dievon 1,3% der Einzugsgebietsfläche im Jahr 1836auf ungefähr 25% angewachsen ist. Hinzu kom-men 4%, die vom Stuttgarter Flughafen bzw. vonIndustrie eingenommen werden. Abb. 5.14, S. 92zeigt deutlich, wie sehr die Verstädterung imKörschgebiet zu einer Abflussverschärfung imBereich häufig auftretender konvektiver Ereignis-se – hier im Juli 1992 – geführt hat. Gerade kurzeund intensive Gewitterniederschläge sind prädes-

tiniert für eine Überschreitung der Transportka-pazität der Kanalisation und damit für eine »Ent-lastung« in ein nahegelegenes Fließgewässer, wel-che im Ist-Zustand für das gezeigte Ereignis fastdie Hälfte des Hochwasservolumens ausmacht.

Der abflussverschärfende Einfluss der Sied-lungsflächen ist aber auch für advektive Ereignis-se, wie das im Dezember 1993 aufgetretene, deut-lich zu erkennen: Vor Erreichen des Hochwasser-

scheitels übt die Kanalisation im Ist-Zustandeinen geringfügig hochwasserdämpfenden Ein-fluss aus. Dafür wird jedoch ein um etwa 25% er-höhtes Hochwassermaximum simuliert – wieder-um als Folge der Entlastung der Kanalisation indas Gewässernetz. Für langanhaltende advektiveEreignisse mit größerer Jährlichkeit und hoherVorfeuchte verliert dieser Effekt an Bedeutungfür das Hochwasservolumen, da dann die Abflus-

Abb. 5.14 Simulation zweier etwa einjährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebiet der Körsch für den

Ist-Zustand und einen historischen Zustand aus dem Jahr 1836

Zeit [h]

0 10 20 30

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30


Zeit [h]

0 50 100 150 200 250

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-ZustandZustand im Jahr 1836Niederschlag

Historische Landnutzung

93

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sentstehung in unversiegelten Bereichen zu-nimmt.

5.3.3 Lenne


Die Topographische Karte vom Rheinland undWestfalen (1 :80000) aus dem Jahr 1841 dient alsDatengrundlage für die Simulation eines histori-schen Zustandes im Lennegebiet. Dazu wurden,wie schon in Kap. 5.3.1.1 beschrieben, die ver-zeichneten Landnutzungen Siedlung, Acker,Wiese, Parzellen und Wald digitalisiert. Ein Ver-gleich zwischen der aktuellen und der histori-

schen Nutzung zeigt, ähnlich wie im Leingebiet,bis auf die Siedlungen keine grundsätzliche Ver-änderung der Landnutungsverhältnisse. Derüberbaute Anteil des Einzugsgebiets lag 1841 beinur 0,8%.


Ebenso wie für die Simulationen der historischenZustände an Lein und Körsch wurden auch fürdas Lennegebiet lediglich die damalige Ausdeh-nung und Verteilung der Siedlungen berücksich-tigt, die 1841 ungefähr 0,8% der Einzugsgebiets-fläche einnahmen (gegenüber 4,8% im Ist-Zu-stand). Die Parameter zur Beschreibung von

Versiegelungsgrad und Ausbaugrad der Kanalisa-tion wurden nicht an die Situation im Jahr 1841angepasst.

Abb. 5.15, S. 93 vergleicht die Simulationendes Ist-Zustandes und der historischen Situationfür ein im Januar 1993 aufgetretenes Hochwasser.Der Abflussbeiwert für dieses Ereignis ist mit0,56 etwas kleiner als für das oben gezeigte Hoch-wasser vom Dezember 1988 (Abb. 5.20, S. 99),was vor allem auf die geringeren Niederschläge

im Vorfeld des Hochwassers und damit auf einetendenziell geringere Bodenfeuchte zurückzufüh-ren ist. Dennoch zeigt die Modellierung einennur sehr geringen hochwasserverschärfendenEinfluss der heutigen Besiedlung, der für das ge-zeigte Ereignis bezogen auf das Abflussmaximumkaum über 3% beträgt und im Mittel für alle si-mulierten Ereignisse sogar noch darunter liegt.Die Gründe für dieses Verhalten wurden bereitsin Kap. 5.2.1.2 für die Lein diskutiert.

Abb. 5.15 Simulation eines etwa zweijährlichen Hochwasserereignisses im Einzugsgebiet der Lenne für

den Ist-Zustand und die Landnutzung im Jahr 1841

Zeit [h]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

Ist-ZustandZustand im Jahr 1841Niederschlag

Januar 1993, Bamenohl/Lenne


94

5.4 VERSTÄDTERUNG

Die im folgenden dargestellten Landnutzungs-szenarien zu Verstädterung, Flächenstilllegung,Aufforstung und Sturmschäden wurden vonFritsch anhand des Landnutzungsmodells luckerstellt, dessen Grundprinzipien in Kap. 2.5 er-läutert sind. Da das Szenariomodell parallel zur

vorliegenden Arbeit entstand, konnte es optimalauf den Datenbedarf von rasterbasierten Model-len wie wasim-eth abgestimmt werden. Ergebnisder räumlichen Umsetzung von prozentualen An-gaben zur Änderung der Landnutzung sind dem-entsprechend veränderte Rasterkarten, die eben-

so wie die Karten für den Ist-Zustand direkt vonwasim-eth eingelesen werden können. Eine aus-führliche Dokumentation der von Fritsch ent-wickelten Szenariotechnik findet sich in einemProjektbericht von Bronstert et al. (2001), derauch die Basis der vorliegenden Arbeit darstellt.

5.4.1 Lein

5.4.1.1 Szenarien

Siedlungsgebiete haben sich in Deutschland,trotz der Einbrüche durch die beiden Weltkriege,kontinuierlich ausgedehnt. Im stark landwirt-schaftlich geprägten Leingebiet besitzen sie einendörflichen Charakter. Durch die Nähe zur pros-perierenden Industriestadt Heilbronn und dernachlassenden Bedeutung der Landwirtschaftunterliegt dieses Gebiet, wie schon in Kap. 3.2.4

erwähnt, einem anhaltenden Siedlungszuwachs.Ein Verstädterungsszenario für das Untersu-chungsgebiet der Lein mit dem Szenarioziel von50 % Zuwachs von den bestehenden 7,4% auf11,1% Siedlungs- und Industriefläche erscheintdeshalb realistisch (siehe Karte 5.4, S. 94). Damitwird etwa der bundesdeutsche Durchschnitt von11,8% erreicht (Dosch & Beckmann, 1999).

5.4.1.2 Hydrologische Auswirkungen

Die Sensitivitätsszenarien aus Kap. 5.2 mit bis zu25% Siedlungsfläche im Leingebiet stellen Extre-me für die Siedlungsentwicklung dar, die in nä-herer Zukunft nicht zu erwarten sind. Im folgen-den werden deshalb mit einer Zunahme von 10%beziehungsweise 50% (siehe Karte 5.4, S. 94) dieAuswirkungen eines realistischeren Wachstumssimuliert.

Karte 5.4 Verstädterungsszenario für das Leingebiet mit einer Zunahme der Siedlungsfläche um 50%;

simuliert von Fritsch mit dem Landnutzungsmodell Luck (in Bronstert et al., 2001)

2 0 2 4 6

N

8 10 km

Wein

Obst

Wiese

Parzellenstruktur

Landwirtschaft/Natur

Laubwald

Mischwald

Gewässernetz

Siedlung

Industrie

Acker

Brache

Landnutzung

Zunahme der Siedlungsfläche um 50%Ist-Zustand

Verstädterung

95

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en

Um die Bedeutung einer differenzierten Behand-lung von Siedlungsflächen bei der hydrologi-schen Modellierung zu demonstrieren, sind denErgebnissen des erweiterten wasim-eth inAbb. 5.17, S. 95 zum Vergleich Berechnungser-gebnisse für die Version von wasim-eth mit

Richards-Gleichung gegenübergestellt (Abb. 5.16,S. 95). Die Unterschiede sind frappierend undzeigen deutlich, dass die Näherung des bisherigenModells, Siedlungspixel komplett als Flächen mitgeringdurchlässigem Boden zu betrachten, zu ei-ner starken Überschätzung der Auswirkungen

Abb. 5.16 Simulation zweier etwa 3-jährlicher Hochwasserereignisse im Einzugsgebiet der Lein für den Ist-

Zustand und ein Verstädterungsszenario mit der Version von WaSiM-ETH mit Richards-

Gleichung

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand+10% SiedlungsflächeNiederschlag

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50A

bflu

ss [m

m/h

]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30



Zustand und zwei Verstädterungsszenarien mit der erweiterten Version von WaSiM-ETH

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand+10% Siedlungsfläche+50% SiedlungsflächeNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30



96

von Siedlungsflächen auf die Hochwasserentste-hung führt. Außerdem findet keine ausreichendeDifferenzierung zwischen den unterschiedlichenRandbedingungen von konvektiven und advekti-ven Ereignissen statt.

Die Simulation mit dem erweiterten wasim-eth in Abb. 5.17, S. 95 bestätigt die mit den Sen-sitivitätsszenarien gemachte Erfahrung, dass dienegativen Auswirkungen von Versiegelung aufdie Hochwasserentstehung für konvektive Er-eignisse (abhängig von der Vorfeuchte) wesent-lich ausgeprägter sind als für advektive. WieAbb. 5.18, S. 96 zeigt, gilt dieser Zusammenhangauch im Mittel für alle Ereignisse.

Die Bandbreite für die Zunahme des Abfluss-maximums infolge einer Zunahme der Siedlungs-flächen um 50% liegt dabei für die konvektivenEreignisse zwischen etwa 20 und knapp 30% so-wie für die advektiven Ereignisse zwischen 0 undungefähr 5%.

Der starke negative Einfluss von Siedlungsflä-chen auf die Hochwasserentstehung bei hohenNiederschlagsintensitäten wird jedoch nochdeutlicher, wenn die Zunahme von Abflussmaxi-mum und -volumen dem Flächenanteil der zu-sätzlich versiegelten Bereiche an der Einzugsge-bietsfläche gegenübergestellt werden. Der Versie-

gelungsgrad im Leingebiet wird wegen desländlichen Charakters der Siedlungen für die hy-drologische Modellierung auf 0,35 geschätzt. Dasbedeutet, dass 35% eines jeden Siedlungspixelsim Leingebiet als undurchlässig angesehen werdenund als an die Kanalisation angeschlossen gelten.Bei einem Wachstum der Siedlungsflächen um50% steigt der Anteil der Siedlungs- und Indus-trieflächen an der Einzugsgebietsfläche um 3,7%(von 7,4 auf 11,1%). Dies wiederum entsprichtbei einem Versiegelungsgrad von 0,35 einem An-teil zusätzlich versiegelter Flächen an der Einzugs-gebietsfläche von lediglich 1,3%.

5.4.2 Körsch

5.4.2.1 Szenarien

Das Einzugsgebiet der Körsch besitzt mit derNähe zur Großstadt Stuttgart eine produktiveKeimzelle für stetig ansteigende Wohn- und In-dustriebebauung. Exemplarisch wird für diesesEinzugsgebiet eine drastische Siedlungsentwick-lung angenommen. Die Wohnbebauung wächstdabei um 50% von 27% auf 40% der Einzusge-bietsfläche an. Die Industrie, die in den letztenJahren immer größere Flächen beansprucht hat,

Abb. 5.18 Simulierte Änderung von Abflussmaximum und Abflussvolumen im Einzugsgebiet der Lein als

Reaktion auf zwei Verstädterungsszenarien und gemittelt für (a) fünf konvektive und (b) sechs

advektive Niederschlagsereignisse mit Jährlichkeiten zwischen 2 und 8 Jahren

Abflus

smax

imum

Abflus

svolu

men

Änd

erun

g ge

genü

ber

Ist-

Zust

and

[%]

0

5

10

15

20

25

30

(a) Konvektive Ereignisse

Abflus

smax

imum

Abflus

svolu

men

Änd

erun

g ge

genü

ber

Ist-

Zust

and

[%]

0

5

10

15

20

25

30+ 10% Siedlungsfläche+ 50% Siedlungsfläche

(b) Advektive Ereignisse

Verstädterung

97

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en

erfährt in diesem Szenario einen Zuwachs vongut 2% auf etwa 5% der Einzugsgebietsfläche.


Die Mechanismen, die bereits in Kap. 5.2.1.2 fürden Vergleich des Ist-Zustandes mit einem histo-

rischen Zustand geringerer Versiegelung be-schrieben wurden, gelten genauso auch für in dieZukunft gerichtete Verstädterungsszenarien.

Abb. 5.19, S. 97 illustriert sowohl die starkeVerschärfung das Hochwassermaximums für dasexemplarisch dargestellte konvektive Nieder-schlagsereignis wie auch eine merkliche Scheitel-

Karte 5.5 Verstädterungsszenario für das Körschgebiet mit einer Zunahme der Siedlungsfläche um 50%;


2 0 2 4 6

N

8 10 km

Acker

Obst

Wiese

Parzellenstruktur


Laubwald

Nadelwald

Mischwald

Wald-Strauch-Übergang

Gewässernetz

Siedlung

Industrie

Flughafen

Städtische Grünanlage

Sportanlage

Landnutzung



Ist-Zustand und zwei Verstädterungsszenarien

Zeit [h]

0 10 20 30

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30


Zeit [h]

0 50 100 150 200 250

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand+10% Siedlungsfläche+50% SiedlungsflächeNiederschlag


98

erhöhung für das durch zyklonale Niederschlägeausgelöste Hochwasser. Die Erhöhungen desHochwasserscheitels bewegen sich bei einer 50%-igen Zunahme der Siedlungsflächen zwischenetwa 30 und fast 60% für konvektive sowie rund15 bis knapp 25% für advektive Ereignisse.

5.4.3 Lenne

5.4.3.1 Szenarien

Das Einzugsgebiet der Lenne unterscheidet sichaufgrund der rückläufigen Bevölkerungsentwick-lung und der abgeschiedenen Lage in seinerLandnutzungsdynamik von Lein und Körsch.

Dennoch wird das Siedlungswachstum auch un-ter diesen Umständen anhalten, weil zum einendie landschaftliche Attraktivität für einen Sied-lungszuwachs sorgt und zum anderen das Gewer-be im Allgemeinen immer flächenintensiver wird(Dosch & Beckmann, 1999). Dabei kommt eszur Bereitstellung von mehr Siedlungs- und In-frastrukturfläche für weniger Einwohner.

Karte 5.6, S. 98 zeigt eine Landnutzungssi-mulation, bei der – wie für die anderen beidenGebiete – von einer Zunahme der überbautenFläche von 50% ausgegangen wurde. Der simu-lierte Versiegelungsanteil entspricht mit 7% derEinzugsgebietsfläche dem des Einzugsgebiets derLein.


Der Einfluss der zusätzlichen Flächenversiege-lung auf das bereits beschriebene Hochwasservom Dezember 1988 ist anhand eines optischenVergleichs der für beide Gebietszustände simu-lierten Hochwasserganglinien (Abb. 5.20, S. 99)kaum auszumachen. Sowohl die simulierte Erhö-hung des Abflussmaximums als auch des Abfluss-volumens bewegt sich für alle untersuchten Er-eignisse unter 2%. Angesichs der geomorphologi-schen Verhältnisse im Lennegebiet und den

Eigenschaften von Niederschlagsereignissen, diedort zu Hochwassern führen, ist dieses Ergebnisplausibel.

Ob der gefallene Niederschlag allerdings ver-sickert und dort bei hoher Vorsättigung desUntergrundes eine rasche unterirdische Abflussre-aktion begünstigt oder aus einer überlastetenSiedlungsentwässerung an einen nahegelegenenVorfluter abgegeben wird, ist bei derart langan-dauernden Niederschlägen für den Hochwasser-verlauf zweitrangig. Diese Aussage gilt jedochnicht für die Wasserqualität während eines Hoch-

Karte 5.6 Verstädterungsszenario für das Lennegebiet mit einer Zunahme der Siedlungsfläche um 50%;


5 0 5 10 15

N

20 km

Parzellenstruktur


Laubwald

Nadelwald

Mischwald

Wald-Strauch-Übergang

Gewässernetz

Siedlung

Abbaufläche

Acker

Wiese

Landnutzung


Flächenstilllegung

99

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n L

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un

gsä

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wasserereignisses, die durch die Abgabe von ver-schmutztem Wasser aus versiegelten Gebieten an

nahegelegene Fließgewässer erheblich beeinträch-tigt werden kann.

5.5 FLÄCHENSTILLLEGUNG

5.5.1 Lein

5.5.1.1 Szenario

Im Rahmen der ›Agenda 2000‹ der Europäi-schen Union (1998) werden die Subventionsleis-tungen der eu-Kommission an eine obligatori-sche Stilllegungsquote von 10% der landwirt-schaftlich genutzten Fläche gekoppelt. Aufgrunddieses finanziellen Drucks wird sich die Forde-rung nach Flächenstilllegung weitgehend durch-setzen. Darüber hinaus können freiwillig bis ma-ximal 33% der Fläche stillgelegt werden.Für das Stilllegungsszenario wurden die Grenz-ertragsstandorte innerhalb des Einzugsgebiets ge-wählt. Die niedrigen Etragspotenziale entlang desFlusslaufs konzentrieren die Stilllegungsflächenin diesem Bereich. Dies ist durch die ungünstigenEigenschaften der Auenböden hinsichtlich desWasserpotenzials und des Bearbeitungspotenzialszu erklären. Das Szenario von 33% Stilllegung istfür dieses fruchtbare und thermisch begünstigte

Gebiet sehr unwahrscheinlich und dient nur alshypothetisches Szenario. Eine Kartendarstellungdieses von Fritsch erstellten Stilllegungsszena-rios findet sich in Bronstert et al. (2001).


Temporär stillgelegte Flächen können verschie-den ausgeprägt sein, da die ›Agenda 2000‹ aufdiesen Flächen sowohl Grünland als auch denAnbau nachwachsender Rohstoffe wie Raps ge-stattet. Bei der Parameterisierung wurde von ei-nem gegenüber der Ackernutzung etwas geringe-ren Vegetationsbedeckungsgrad ausgegangen(siehe Parameterisierung des Vegetationsbede-ckungsgrades für Brache in Tab. 4.1, S. 48). Die-ser geringere Vegetationsbedeckungsgrad begüns-tigt die Entstehung von Infiltrationsüberschuss.

Die modellierten Auswirkungen der Flächen-stilllegung sind für das advektive Hochwasser mitgeringen Niederschlagsintensitäten erwartungs-gemäß marginal (Abb. 5.21, S. 100). Da sich die


den Ist-Zustand und ein Verstädterungsszenario

Zeit [h]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

Ist-Zustand+50% SiedlungsflächeNiederschlag

Dezember 1988, Bamenohl/Lenne


100

Vegetationsbedeckungsgrade für die stillgelegtenFlächen im Sommer jedoch nur wenig unter-scheiden, wird auch für die konvektiven Hoch-wasserereignisse mit zwischen 3 und ungefähr5% nur eine geringfügige Zunahme der Abfluss-spitzen simuliert.

5.5.2 Körsch

5.5.2.1 Szenarien

Für das Einzugsgebiet der Körsch spielt die Land-wirtschaft in der Beschäftigungsstruktur eine un-

tergeordnete Rolle. Dennoch wird angestrebt,Flächen in der Bewirtschaftung zu halten, um das

Landschaftsbild in dieser ursprünglich landwirt-schaftlich orientierten Gegend zu sichern und ein


Zustand und ein Szenario zur möglichen Stilllegung von Ackerfläche

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand10% FlächenstilllegungNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30



Ist-Zustand und zwei Szenarien zur möglichen Stilllegung von Ackerfläche

Zeit [h]

0 10 20 30

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30


Zeit [h]

0 50 100 150 200 250

Abf

luss

[mm

/h]

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Niederschlag [m

m/h]

0

5

10

15

20

25

30

Ist-Zustand10% Flächenstilllegung33% FlächenstilllegungNiederschlag

Aufforstung

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bundesweites Angebot an Agrarprodukten zu ge-währleisten. Deshalb wird auch in diesem Gebietweiterhin landwirtschaftlich gewirtschaftet wer-den, obwohl es als wirtschaftlicher Faktor keinetreibende Kraft darstellt. Dementsprechend wer-den sich auch in diesem Gebiet die Maßnahmender ›Agenda 2000‹ bemerkbar machen.


Die Parameterisierung stillgelegter Flächen wur-de bereits in Kap. 5.5.1.2 am Beispiel des Lein-

einzugsgebiets erläutert. Für das in Abb. 5.22,S. 100 dargestellte Gewitterereignis beträgt der si-mulierte Anteil von Infiltrationsüberschuss amGesamtabfluss im Ist-Zustand nur rund 5%. Fürden ergiebigen zyklonalen Niederschlag vom De-zember 1993 wird aufgrund der geringen Nieder-schlagsintensitäten keinerlei Infiltrationsüber-schuss simuliert.

Da aber Infiltrationsüberschuss für die be-trachteten Ereignisse insgesamt von untergeord-neter Bedeutung ist, wirkt sich die Flächenstillle-gung kaum abflussverschärfend aus.

5.6 AUFFORSTUNG

5.6.1 Szenario für das Körschgebiet

Der Wald übernimmt wichtige Aufgaben wiezum Beispiel als Rohstoffquelle, zur Erhaltungdes Landschaftsbildes und als Kohlendioxidsenkezur möglichen Minderung des Treibhauseffekts.Im stark anthropogen überprägten Einzugsgebietder Körsch liegt der Waldanteil bei nur etwa12%, weil die intensive Landwirtschaft und derBesiedlungsdruck des Ballungsraums Stuttgartdie Landschaft stark beanspruchen. Gerade in

solchen Gebieten sollten nach Stichmann(2000) gezielte Aufforstung betrieben werden,um den Naturhaushalt des Kulturraums zu ent-lasten.

Das Szenario schließt die Neuanpflanzungenan bestehende Waldflächen an und nutzt dabeibevorzugt landwirtschaftliche Grenzertragsflä-chen. Der Waldanteil im Körschgebiet wurde da-bei um 50% von 12% auf 18% der Einzugsge-bietsfläche erhöht. Der meiste Waldzuwachswurde für den Unterlauf Unterlauf der Körsch si-


Ist-Zustand und eine Aufforstung des Gebietes um 50% relativ zur bestehenden Waldfläche

Zeit [h]

0 10 20 30

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0.4

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Niederschlag [m

m/h]

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25

30

Ist-Zustand50% AufforstungNiederschlag


102

muliert, weil der Wald dort überwiegend anAckerfläche angrenzt und diese aufgrund größe-rer Hangneigungen niedrigere Ertragspotenzialeerreichen. Auf den Fildern gibt es kaum Wald, sodass dort der Zuwachs sehr gering ist. Dies spie-gelt sich auch schon in den historischen Bedin-gungen wieder und wird deshalb als realistischangesehen (Fritsch in Bronstert et al., 2001).

5.6.2 Hydrologische Auswirkungen

Aufforstung erfolgt im Szenario auf stillgelegtenlandwirtschaftlichen Flächen. Dies hat gegenüberdem Ist-Zustand – einen ausgewachsenen Wald-bestand vorausgesetzt – eine höhere Interzep-tionsspeicherkapazität zur Folge. Darüber hinauswird bei der Parameterisierung der verändertenNutzung davon ausgegangen, dass Waldbödenaufgrund der geringeren Bearbeitungsintensität

meist eine bessere Aggregatstruktur und einenhöheren Anteil an Makroporen aufweisen, waseine Verbesserung der Infiltrationsbedingungenmit sich bringt.

Dennoch wirkt sich die modellierte Auffors-tung selbst bei kleinen Hochwassern wie den inAbb. 5.23, S. 101 gezeigten kaum auf die Hoch-wasserentstehung aus. Die Gründe hierfür sind,wie schon in Kap. 5.5.2.2 für die Flächenstillle-gungen beschrieben, im geringen Einfluss derveränderten Infiltrationsbedingungen auf dieHochwasserentstehung während der betrachtetenEreignisse zu suchen. Da die Infiltrationskapazi-tät der Böden außerhalb versiegelter Bereiche fürdiese Ereignisse keinen bzw. kaum einen limitie-renden Faktor für den Rückhalt von Nieder-schlagswasser darstellt, sind die Auswirkungenvon moderaten Veränderungen hier auch ent-sprechend gering.

5.7 STURMSCHÄDEN

5.7.1 Szenario für das Lennegebiet

Das Einzugsgebiet der Lenne hat aufgrund seinerstrukturschwachen Mittelgebirgslage eine sehrstatische Landnutzungsstruktur. Diese wird au-ßer durch den permanenten Siedlungsbau imWesentlichen nur durch natürliche Extremereig-nisse wie z.B. extreme Witterungserscheinungenbeeinflusst. Da in jüngster Vergangenheit Sturm-schäden in Teilen Deutschlands zu erheblichenWaldverlusten geführt haben, wurde ein Szenarioüber einen Schaden von 5% der Waldfläche ange-nommen.

Die windexponierten und flachgründigenStandorte im oberen Teil des Einzugsgebiets wur-den vom Landnutzungsmodell als besonderswindwurfgefährdet eingestuft (Fritsch inBronstert et al., 2001). Laub-, Misch- und Na-delwald wurden nicht unterschieden. Dennochergab die Szenariorechnung deutliche Unter-schiede in der Gefährdung der drei Waldformen.Die Simulation des Windwurfs hat zu 85% Na-delwald, zu 11% Laubwald und nur zu 4%Mischwald als gefährdet eingestuft. Der überwie-gende Anteil der Nadelwaldgefährdung erscheint

realistisch, weil Nadelmonokulturen in der Ver-gangenheit häufig als zwar nicht standortgerechteaber wirtschaftlich rentable Aufforstung ge-pflanzt wurden. Große Pflanzdichten, wie siez.B. bei Fichtenbeständen häufig vorkommen,lassen Jungbestände zudem relativ instabil undstressanfällig aufwachsen (Huss, 2000).


Im verwendeten Szenario sind 5% der Waldflä-che in exponierter Lage von Windwurf betroffen.Als Folgenutzung für den Wald wurden Wiesen-flächen angenommen. Wesentliche Unterschiedein der Parameterisierung von Wiese gegenüberden verschiedenen Waldarten liegen im Hinblickauf die Abflussbildung vor allem bei einer etwasgeringer gewählten Makroporosität und einer ge-ringeren Interzeptionsspeicherung.

Zur Illustration der Auswirkungen vonWindwurf auf die Hochwasserentstehung inAbb. 5.24, S. 103 dient das bereits in Kap. 5.3.3.2beschriebene Hochwasserereignis vom Januar1993. Auch für dieses Szenario ist aufgrund dergeomorphologischen Beschaffenheit des Gebietes

Mulchsaatszenario

103

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optisch kein Unterschied zwischen der Simulati-on des Ist-Zustandes und des durch Sturm ge-schädigten Waldbestandes auszumachen. Die

Abflusserhöhung beträgt sowohl für den Hoch-wasserscheitel als auch für das Hochwasservolu-men weniger als 1%.

Da die Infiltrationskapazität der Böden bei denbetrachteten Ereignissen bedingt durch die gerin-gen Niederschlagsintensitäten jedoch nahezukein limitierender Faktor ist, ändert die verrin-gerte Makroporosität nur sehr wenig am Abfluss-geschehen. Die Interzeptionsspeicherkapazität be-trägt für die verwendeten Werte des Blattflächen-index abhängig von der Jahreszeit rund 1 bis2 mm für Wiese und 2 bis 5 mm für Mischwaldbzw. 4 bis 6 mm für Nadelwald. Dies hätte aufden von Windwurf betroffenen Flächen entspre-chend eine Verringerung der Interzeptionsspei-cherkapazität von im Winter maximal rund3 mm zur Folge. Angesichts einer Niederschlags-menge von etwa 100 mm bis zum Hochwasser-

scheitel und 230 mm für den gesamten inAbb. 5.24, S. 103 gezeigten Zeitraum ist es des-halb plausibel, dass sich die Hochwassersituationinfolge des simulierten Sturmschäden nur unwe-sentlich ändert.

Dass dieses Modellierungsergebnis trotz derUnsicherheiten in der Parameterisierung keines-wegs ein Artefakt der Modellkonzeption ist, son-dern sich auch mit den Erkenntnissen aktuellerempirischer Untersuchungen deckt, wurde be-reits in Kap. 2.4.5 belegt. Dies muss betont wer-den, da Wald in der Vergangenheit häufig sehrundifferenziert und dementsprechend fahrlässigals Lösung jeglicher Hochwasserprobleme geprie-sen wurde.

5.8 MULCHSAATSZENARIO

5.8.1 Szenario für das Leingebiet

Das Belassen von Ernterückständen auf dem Feldund dessen Bedeckung mit Stroh oder Fremdma-terialien wird in der landwirtschaftlichen Praxis

als Mulchung bezeichnet. Unter anderem dientMulchen dazu, den Boden während Phasen ge-ringer Vegetationsbedeckung vor Verschläm-mung und Erosion zu schützen und gleichzeitigdie Infiltrationseigenschaften zu verbessern. Wei-


den Ist-Zustand und Windwurf auf 5% der Waldfläche

Zeit [h]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

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luss

[mm

/h]

0.0

0.2

0.4

0.6

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1.2

Niederschlag [m

m/h]

0

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Ist-Zustand5% WindwurfNiederschlag

Januar 1993, Bamenohl/Lenne


104

tere Vorteile des Mulchens sind eine Düngungdes Bodens sowie eine Steigerung der Bioaktivitätim Boden (siehe Kap. 2.4.2.1). Da das Mulchma-terial aber auch einem Pilzbefall der Kulturpflan-zen Vorschub leistet, ist die Anwendung dieserTechnik meist mit verstärktem Fungizideinsatzverbunden und deren Nutzen daher insgesamtumstritten.

Nach einer für das Leingebiet zur Verfügungstehenden klassifizierten Landsat-TM-Szene wer-den auf etwa 23% der Einzugsgebietsfläche Blatt-früchte angebaut, die durch ihren geringen Bo-denbedeckungsgrad bis ins späte Frühjahr hineinfür Verschlämmung disponiert sind. Für dasMulchszenario wird deshalb angenommen, dassdie gesamte von Blattfrüchten bestandene Flächeeiner Mulchung unterzogen wird, was bei einerUntersuchung von Leichtfuss & Kivumbi(1995) zu einer Steigerung der Makroporositätum 50% und einer Zunahme der hydraulischeLeitfähigkeit um 20% geführt hat. Diese Werteflossen direkt in die Parameterisierung des Mo-

dells ein. Außerdem wurde der Bodenbede-ckungsgrad für die Blattfruchtflächen im Wintervon 5% auf 50% erhöht.


Die eher geringen simulierten Auswirkungen derMulchsaat auf die Hochwasserentstehung inAbb. 5.25, S. 104 scheinen den Ergebnissen vonBeregnungsversuchen zu widersprechen, diemeist eine deutliche Reduktion der Entstehungvon Infiltrationsüberschuss zeigen. In der Regelwerden diese Versuche jedoch mit extrem hohenNiederschlagsintensitäten und -dauern durchge-führt, wie sie im gesamten Zeitraum, für den ander Lein stündliche Niederschlagsmessungenvorliegen, an keiner der fünf Stationen aufge-zeichnet wurden. Beispiele für Versuche, die imKraichgau auf Löss durchgeführt wurden, enthältein Artikel von Pfeil (1998). In einem Versuchwurde über zwei Stunden lang mit mehr als50 mm/h beregnet, um Infiltrationsüberschuss zu

erzeugen. Ein ebenfalls zitierter Infiltrationsver-such weist für den schlechtesten Standort eineVersickerungsrate von 5 mm/min aus, was300 mm/h entspricht. Demgegenüber wurdenim Zeitraum von 1982 bis 1997 im Leingebiet nurwährend 5 Stunden Niederschlagssummen von

mehr als 30 mm/h gemessen, der Höchstwert be-trug 44 mm/h. Ein weiterer wichtiger Unter-schied zwischen lokal durchgeführten Bereg-nungsversuchen und der Reaktion eines Einzugs-gebietes auf ein Starkregenereignis besteht darin,dass die Experimente nichts über den weiteren


Zustand und ein Mulchsaatszenario für die 23% der Einzugsgebietsfläche mit Blattfruchtanbau

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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Niederschlag [m

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Ist-ZustandMulch-SzenarioNiederschlag


Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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Niederschlag [m

m/h]

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30

Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten

105

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Weg des Wassers aussagen, das am unteren Randder Beregnungsanlage als Infiltrationsüberschussaufgefangen wird (siehe Kap. 2.2 zu den Skalenvon Abflussprozessen). Außerdem sind Konvek-tivzellen, die Niederschläge hoher Intensität be-wirken, in der Regel auf eine Fläche von wenigenQuadratkilometern begrenzt, so dass größereEinzugsgebiete nur äußerst selten flächendeckendmit hoher Intensität überregnet werden (sieheKap. 2.3 zu den Skalen von Niederschlägen).

Fast alle der im Leingebiet zwischen 1982 und1997 aufgetretenen hochwasserrelevanten kon-vektiven Starkregenereignisse fanden in Zeitenmit hoher Bodenbedeckung statt, so dass das inKap. 4.4.2 beschriebene neue Verschlämmungs-modul für wasim-eth nicht systematisch getestetwerden konnte. Ein Ereignis im September 1987,das nach der Getreideernte stattgefunden habenmuss, zeigt jedoch bei der Simulation trotz mut-maßlich geringer Bodenbedeckung auf den abge-ernteten Feldern eine nur geringfügig andere Ab-

flussbildungsdynamik als die anderen Ereignisse.Werden zur Parameterisierung der durch Ver-schlämmung reduzierten hydraulischen Leitfä-higkeit der Bodenoberfläche Daten von Bereg-nungsversuchen herangezogen, so wird das ge-messene Hochwasser vom Modell um einVielfaches überschätzt. Wird das Verschläm-mungsmodul dahingegen generell deaktiviert, soresultiert für das September-Ereignis nur eine ge-ringfügige Unterschätzung der gemessenenGanglinie. Auch dies ist ein Indiz dafür, wie we-nig unter extremen Bedingungen und auf kleinenFlächen durchgeführte Beregnungsversuche zurQuantifizierung der Hochwasserentstehung imEinzugsgebietsmaßstab beitragen können.

Die Modellierungsergebnisse ändern jedochnichts daran, dass Verschlämmung lokal die Ent-stehung von Oberflächenabfluss und damit Ero-sion begünstigt. Dies stellt im Kraichgau ein rea-les Problem dar, welches durch Mulchsaat ver-mindert werden kann.

5.9 NIEDERSCHLAGSVERSICKERUNG IN SIEDLUNGSGEBIETEN

5.9.1 Szenario für das Leingebiet

Nach dem Aktionsplan Hochwasser der Interna-tionalen Kommission zum Schutze desRheins (1998) sollen im Zeitraum von 1998 bis2020 etwa 2500 km² oder 1,3% der Einzugsge-bietsfläche des Rheins von rund 190000 km² ent-siegelt werden. Übertragen auf das Einzugsgebietder Lein bedeutet dies, dass dort das Nieder-schlagswasser von rund 54% der versiegelten Flä-che in den Siedlungsgebieten gespeichert oder ver-sickert werden müsste, um die Wirkung der ge-forderten Entsiegelung zu erzielen. Dieser hoheWert ergibt sich daraus, dass der Anteil der Sied-lungsfläche an der Einzugsgebietsfläche im Lein-gebiet deutlich unter dem Durchschnitt für diealten Bundesländer liegt (siehe Kap. 2.4.1).

Bei der Modellierung der Wirksamkeit von Versi-ckerungsmaßnahmen werden zwei Szenarien be-trachtet:

(1) Die Maßnahmen zur Versickerung werdengleichmäßig auf alle Siedlungsflächen im Ge-biet verteilt. Dies entspricht einer Verringe-rung des bei der Modellierung verwendetenVersiegelungsgrades der Siedlungsflächen um54% von 0,35 auf 0,16.

(2) Die 25% der Siedlungsflächen, die potenziellgrundwassernahe Standorte darstellen, werdenvon der Versickerung ausgeschlossen. Um aufden verbleibenden 75% der Siedlungsflächendas gleiche Entsiegelungsäquivalent zu erzie-len wie bei einer Einbeziehung aller Sied-lungsflächen, wird dort der Versiegelungsgradum 74% von 0,35 auf 0,09 gesenkt und dieMuldenspeicherung auf den zugehörigenFreiflächen entsprechend intensiviert. EinAnschluss von 74% der geeigneten versiegel-ten Fläche an Versickerungsmulden entspre-chenden Ausmaßes würde allerdings mit gro-ßer Wahrscheinlichkeit an der Verfügbarkeitvon Freiflächen scheitern.


106

Als Kriterium für potenziell geringe Grundwas-serflurabstände wird vereinfachend der topogra-phische Index verwendet. Auf eine Einbeziehungder digitalen Bodendaten in eine Eignungsbewer-tung wird verzichtet, da diese in Siedlungsgebie-ten aufgrund der starken und heterogenen an-thropogenen Überprägung nur sehr einge-schränkte Gültigkeit besitzen. Das Resultat derBewertung ist in Karte 5.7, S. 106 dargestellt.

Andere Eignungskriterien für die Anwend-barkeit von Versickerungsmaßnahmen wie bei-spielsweise das Relief, das Vorkommen von Alt-

lasten, die Bebauungs- und Entwässerungsstruk-tur oder die generelle Verfügbarkeit vonGrünflächen (Demuth et al., 1998) wurden fürdie Modellierung nicht berücksichtigt, da zur Er-fassung dieser Parameter detaillierte Untersu-chungen vor Ort vonnöten wären.

An Standorten mit gut durchlässigen Bödenreicht für die Niederschlagsversickerung häufigeine einfache Versickerungsmulde aus. Mäßigdurchlässige Böden erfordern zusätzlichen Spei-cherraum, der beispielsweise in Form eines Kies-betts unter der Versickerungsmulde bereitgestellt

Karte 5.7 Versickerungspotenzial im Einzugsgebiet der Lein bei Ausschluss der 25% der Siedlungsflächen

mit den höchsten Werten für den topographischen Index als Kriterium für potenziell geringe

Grundwasserflurabstände

2 0 2 4 6 8 10 km

N

Siedlung (grundwassernah)SiedlungIndustrieWintergetreideBracheHackfrüchteSommergetreideWeinObstWieseParzellenstrukturLandwirtschaft und NaturLaubwaldMischwaldGewässernetz

Landnutzung

Abb. 5.26 Bausteine eines Mulden-Rigolen-Elements (nach Sieker, 1995)

Filterkies

Mulde

Drainagerohr

ÜberlaufKontrollschacht

Rigole

Boden

Boden


107

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werden kann. In ungünstigen Fällen ist zusätzlichein Anschluss an die Kanalisation nötig, um einÜberlaufen der Mulde zu verhindern (sieheAbb. 5.26, S. 106). Diese Maximalvariante be-deutet allerdings einen erheblich größeren Inves-titionsaufwand bei vergleichsweise geringemWirkungsgrad.

Die Speicherleistung von Versickerungsmul-den kann, bezogen auf die angeschlossene versie-gelte Fläche, mit rund 40 mm angesetzt werden(übliche Werte liegen nach Sieker, mündlicheAuskunft, zwischen 30 und 50 mm). Bedingtdurch den allgemein gehaltenen Aufbau des neuentwickelten Modellteils zur Berücksichtigungversiegelter Flächen (siehe Abb. 4.5, S. 57) wirddieses Speichervolumen gemittelt über den gan-zen unversiegelten Bereich eines Siedlungspixelsals dezentraler Rückhalt (siehe Kap. 4.4.4) bereit-gestellt. Im Unterschied zur tatsächlichen Funk-tionsweise von Versickerungsmulden füllt sichder dezentrale Rückhalt im Modell aber erst ent-weder bei Überschreitung der Infiltrationskapazi-tät des Bodens oder bei dessen Sättigung. Dies

hat tendenziell eine Überschätzung der Wirksam-keit von Versickerungsmaßnahmen für dieDämpfung des Abflussmaximums zur Folge. Obdahingegen bei einer Überlastung der Versicke-rungsmulde ein Anschluss an die Kanalisationbesteht oder die Mulde einfach überläuft, spieltfür die Modellierung nur eine untergeordneteRolle, da das überlaufende Wasser in beiden Fäl-len mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Direktab-fluss beiträgt.


Die Wirkung der oben beschriebenen Versicke-rungsmaßnahmen zeigt Abb. 5.27, S. 107. DerUnterschied zwischen der gleichverteilten Vari-ante und der optimierten Variante unter Aus-schluss der grundwassernahen Standorte fällt ge-ring aus und ist anhand der Hochwasserganglini-en kaum erkennbar.

Da im Sommer aufgrund der geringeren Bo-denfeuchte die Neigung zur Bildung von Sätti-gungsflächen ohnehin gering ist, überrascht der

schwache Einfluss der optimierten Variante aufdie Hochwasserdämpfung des konvektiven Ereig-nisses nicht. In Bezug auf die sehr geringen Aus-wirkungen der optimierten Variante auf das

advektive Ereignis ist davon auszugehen, dassaufgrund der hohen Vorfeuchte die Speicherka-pazität des Bodens für Niederschlagswasser insge-samt gering war. Dies hat zur Folge, dass in wei-


Zustand und zwei Szenarien zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten bei Anschluss

von 1,3% der Einzugsgebietsfläche

Zeit [h]

0 10 20 30 40 50

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Ist-ZustandVersickerungOptimierte VersickerungNiederschlag


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0 10 20 30 40 50

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Niederschlag [m

m/h]

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30



108

ten Teilen der an Versickerungsanlagen ange-schlossenen Siedlungsfläche vor allem dasoberirdische Speichervolumen der Mulde undweniger deren Versickerungsleistung zur Hoch-wasserdämpfung beiträgt.

Die in Abb. 5.28, S. 108 wiedergegebene mitt-lere Wirksamkeit der simulierten Versickerungs-maßnahmen dokumentiert, dass konvektive Er-eignisse aufgrund geringerer Vorfeuchte und ten-

denziell kleinerer Niederschlagsmengen deutlichstärker abgemindert werden als advektive. Diemodellierte Bandbreite der Wirksamkeit liegt fürdie konvektiven Ereignisse in Bezug auf das Ab-flussmaximum zwischen 15 und knapp 25% undfür die advektiven zwischen 0 und 8%. Zu diesenWerten muss allerdings angemerkt werden, dassdie im Aktionsplan Hochwasser genannten Ziel-vorgaben ausgesprochen ehrgeizig sind.

Rückschlüsse auf die Wirksamkeit von Versicke-rungsmulden lassen sich außerdem anhand einesVergleichs mit dem Szenario eines 50%-igenWachstums der Siedlungsfläche ziehen. DiesesVerstädterungsszenario bildet sozusagen das Ge-genstück zum Versickerungsszenario, da im einenFall 1,3% der Einzugsgebietsfläche zusätzlich ver-siegelt und im anderen Fall 1,3% versiegelter Ein-zugsgebietsfläche weitestgehend von der Kanali-sation abgekoppelt werden. Abb. 5.18, S. 96 undAbb. 5.28, S. 108 bieten hierzu eine quantitativeGegenüberstellung.

Eine Betrachtung der Veränderungen für som-merliche Starkregenereignisse zeigt, dass auch beioptimierter Standortwahl die Versiegelung des

Bodens nicht ungeschehen gemacht wird. Zu-mindest liegt die Verminderung des Hochwasser-volumens durch Versickerungsmaßnahmen aberfür diese Ereignisse in derselben Größenordnungwie die Zunahme des Hochwasservolumens beizusätzlicher Versiegelung.

Auch die Auswirkungen von Versiegelung be-ziehungsweise Versickerungsmaßnahmen als Re-aktion auf zyklonale Niederschlagsereignisse liegenin derselben Größenordnung. Hier sind jedochdie Versickerungsmulden insofern im Vorteil, alsdass sie bei gesättigtem Boden noch Speicher-raum an der Bodenoberfläche zur Verfügung stel-len, der zu einer Reduktion des Hochwasservolu-mens beiträgt.

Abb. 5.28 Simulierte Änderung von Abflussmaximum und Abflussvolumen im Einzugsgebiet der Lein als

Reaktion auf zwei Szenarien zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten und gemittelt

für (a) fünf konvektive und (b) sechs advektive Niederschlagsereignisse mit Jährlichkeiten zwi-

schen 2 und 8 Jahren

Abflus

smax

imum

Abflus

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men

Änd

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g ge

genü

ber

Ist-

Zust

and

[%]

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0

(a) Konvektive Ereignisse

Abflus

smax

imum

Abflus

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genü

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Ist-

Zust

and

[%]

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-25

-20

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-10

-5

0

VersickerungOptimierte Versickerung

(b) Advektive Ereignisse


109

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Wie bereits für das extreme Verstädterungsszena-rio anhand von Tab. 5.4, S. 85 erläutert, variiertauch die Wirksamkeit von Versickerungsmaß-nahmen insbesondere für die einzelnen advekti-ven Ereignisse stark (siehe Tab. 5.5, S. 109).

Die simulierte Verminderung der Abflusssum-me schwankt für die advektiven Ereignisse je nachVorfeuchte und Ereignischarakteristika zwischen0,5% und 5,4%. Diese Beobachtung unter-streicht die Tatsache, dass Pauschalaussagen zurWirksamkeit von Versickerungsmaßnahmennicht möglich sind. Dies gilt um so mehr, als dassdie zur Verfügung stehenden, durch hochaufge-löste Daten dokumentierten Hochwasserereig-

nisse nur ein kleines Spektrum möglicher Hoch-wasser widerspiegeln. Dennoch werden zwarHochwasser mit großen Wiederkehrintervallen vonder Datengrundlage nicht abgedeckt, extremeNiederschläge mit hohen Jährlichkeiten sind jedochdurchaus in der betrachteten Sichprobe enthalten(siehe Kap. 5.1.1.2).

Tab. 5.5, S. 109 zeigt jedoch deutlich, dassvor allem bei zunehmender Niederschlagsmengeim Vorfeld des eigentlichen Ereignisses, also beihoher Vorfeuchte, der Einfluss der Muldenspei-cherung an Bedeutung verliert. Dies gilt im Rah-men der betrachteten Ereignisse nahezu unab-hängig von deren Jährlichkeit.

Tab. 5.5 Verminderung von Hochwasservolumen und Abflussmaximum für sechs advektive Ereignisse

bei einer Anwendung von Versickerungsmaßnahmen auf 54 % der versiegelten Fläche (opti-

mierte Variante sortiert nach der Wirksamkeit) und deren Zusammenhang zu Basisabflussanteil,

Dauer und Wiederkehrintervall

Jahr, Monat

Verminderung gegenüberdem Ist-Zustand

SimulierterBasisabfluss-

anteilam Volumen

[%]

Dauer[h]

Jährlichkeitca. [a]

Maximum[%]

Volumen[%]

1990, Februar 3,4 5,4 21 150 2

1993, Dezember 8,2 4,7 19 250 8

1997, Februar 6,0 4,1 20 150 7

1982, Dezember 4,6 3,5 28 225 3

1983, Mai 1,4 1,4 40 300 4

1988, März 0,7 0,5 52 650 3

Mittelwert 4,0 3,3 30 290 4,5


110

111

Kap

itel

6


6.1 ÜBERTRAGUNG DER ERGEBNISSE AUF ANDERE GEBIETE

Die in Kap. 5 beschriebenen hydrologischen Si-mulationen für die drei ausgewählten Untersu-chungsgebiete haben bestätigt, dass nicht alleinder Anteil der verschiedenen Landnutzungen ander Einzugsgebietsfläche über die Auswirkungenvon Landnutzungsänderungen auf Hochwasserentscheidet. Die Landnutzungseinflüsse werdenvielmehr durch all jene klimatischen und physio-graphischen Randbedingungen modifiziert, die be-reits in Kap. 2.1 genannt wurden. Hierfür ist dieLage der einzelnen Landnutzungen von Bedeu-

tung, da sie die Voraussetzung für die Verknüp-fung einer Landnutzung mit den zugehörigenRandbedingungen darstellt. Eine Übertragungder Ergebnisse auf andere Gebiete nur auf der Ba-sis einer vergleichbaren Landnutzungsverteilungist dementsprechend nicht möglich. Deshalb las-sen sich die Aussagen, die für die drei untersuch-ten Gebiete getroffen wurden, streng genommenauch nur auf Gebiete mit vergleichbarer physio-graphischer Ausstattung und ähnlichen hochwasser-auslösenden Niederschlägen ausdehnen.

Dennoch lässt sich aus den Gebietseigenschaftenauch ohne detaillierte hydrologische Modellierungbereits ablesen, unter welchen Umständen und inwelcher Weise Landnutzungsänderungen die

Hochwassersituation eines Gebietes verbessernoder verschlechtern können.

Abb. 6.1, S. 111 verknüpft die maßgeblichenRandbedingungen der Hochwasserentstehung zu

Abb. 6.1 Abflussentstehung in Abhängigkeit von den Infiltrationseigenschaften und den meteorologi-schen Randbedingungen

Infiltrationseigenschaften

Niederschlagsintensität hoch

hoch

gering

geringBodenfeuchte/Niederschlagsvolumen

gutschlecht

Oberfläche UntergrundBeide UntergrundUrsache rascher Abflussbildung


112

einem Entscheidungsbaum, anhand dessen mög-liche Veränderungen infolge von Landnutzungs-änderungen abgeprüft werden können. Der Ent-scheidungsbaum bezieht sich – wie auch die fol-genden Ausführungen – auf Hochwasser, dienicht maßgeblich durch Schneeschmelze beein-flusst sind.

Landnutzungsänderungen sind für die Hoch-wasserentstehung vor allem dann von Be-deutung, wenn sie die Infiltrationseigenschaftenbeeinflussen bzw. im Extremfall Infiltration ver-hindern. Verschlechtert sich das Infiltrationsver-mögen beispielsweise durch Verdichtung desOberbodens, dann entscheidet die Nieder-schlagsintensität darüber, wie sehr die Infiltrationhierdurch im Einzelfall beeinträchtigt wird. In-tensive Niederschläge führen in diesem Fall, wiein Abb. 6.1, S. 111 dargestellt, zu mehr Oberflä-chenabfluss und damit tendenziell zu einerHochwasserverschärfung.

Dementsprechend sind Niederschlagstyp, Infil-trationseigenschaften und die Eigenschaften des Un-tergrundes auch die wichtigsten Indikatoren fürden potenziellen Einfluss von Landnutzungsän-derungen auf die Hochwassersituation in einemmesoskaligen Gebiet. Deren Rolle wurde in denvorangegangenen Kapiteln eingehend beschrie-ben. Gleiches gilt für die detaillierte hydrologi-sche Modellierung in der Mesoskala. Die folgen-de schematische Übersicht über die drei Einfluss-faktoren beschränkt sich daher auf die Ableitungrelevanter Information aus räumlichen Daten so-wie meteorologischen und hydrologischen Zeit-reihen:

Niederschlagstyp

Welche Typen von Regenfällen führen im Gebietzu Hochwassern?

(1) Kurze konvektive Niederschläge tendenziellhoher Intensität oder

(2) langanhaltende advektive Niederschläge ten-denziell geringer Intensität.

Wichtige Informationen hierzu sind bereits inAbflussdaten enthalten, die eine integrale Sichtauf die Vorgänge im Einzugsgebiet bieten.

Besteht z.B. ein starker Zusammenhang zwi-schen dem Abflussregime eines Gebietes und der

jahreszeitlichen Verteilung der Hochwasser, sogeht daraus in Mitteleuropa eine enge Kopplungan ergiebige zyklonale Niederschläge hervor –unter Umständen in Verbindung mit Schnee-schmelze (Blöschl & Sivapalan, 1997). DiesesVerhalten ist meist mit hohen Basisabflüssen vordem eigentlichen Ereignis und langen Ereignis-dauern verbunden. Der potenzielle Einfluss vonLandnutzungsänderungen auf die Hochwasser-entstehung ist für diesen Fall gering.

Treten Hochwasser das ganze Jahr über auf, soist die Variabilität der Abflussbildung im Gebietgrößer als bei ausgeprägter Saisonalität der Ereig-nisse – und damit auch der mögliche Einfluss vonLandnutzungsänderungen. In diesem Fall sindzeitlich hochaufgelöste Niederschlagsdaten nötig,um Aussagen über den verursachenden Nieder-schlagstyp und die möglicherweise beteiligtenAbflussbildungsprozesse treffen zu können. Ne-ben Niederschlagsdaten können auch Daten zurGroßwetterlage Aufschluss über den Nieder-schlagstyp geben.

Infiltrationseigenschaften

Wie gut ist das Infiltrationsvermögen der Bödenim Gebiet relativ zur Niederschlagsintensität?

(1) Höher als die Intensität eines hochwasserrele-vanten Niederschlagsereignisses oder

(2) geringer als die Intensität eines hochwasserre-levanten Niederschlagsereignisses.

Als erster Hinweis auf die Art der Hochwasser-entstehung bietet sich die Berechnung des Ab-flussbeiwerts einzelner Hochwasser an – also desAnteils am Niederschlag, der unmittelbar zumHochwasserabfluss beiträgt. Insbesondere bei ra-scher Abflussreaktion auf kurze intensive Nieder-schläge ist ein Vergleich dieses Abflussbeiwertsmit der Niederschlagsmenge hilfreich, die aufmutmaßlich versiegelte oder extrem geringdurch-lässige Flächen gefallen ist. Ist das Hochwasservo-lumen höher als dieser Anteil, dann sind entwe-der unterirdische Abflussbildungsprozesse bzw.Sättigungsflächen oder Infiltrationsüberschussanderer Flächen maßgeblich an der Hochwasse-rentstehung beteiligt. Daten zur hydraulischenLeitfähigkeit sind als Informationsquelle nurdann verlässlich, wenn sie die Böden im Gebiet

Übertragung der Ergebnisse auf die Makroskala

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aufgrund ihres groben Substrats als sehr gutdurchlässig ausweisen. Die tatsächliche Durchläs-sigkeit strukturierter Böden mit höheremSchluff- und Tongehalt weicht jedoch aufgrundvon Aggregatbildung, Rissen, Wurzelkanälenund Tiergängen einerseits sowie Verdichtung undVerschlämmung andererseits oft erheblich vonder im Labor bestimmten hydraulischen Leitfä-higkeit ab. Im Gebiet beobachtete Bodenerosionhingegen ist zwar ein untrügliches Indiz fürOberflächenabfluss, aber kein quantitatives Maßfür dessen Beitrag zur Hochwasserentstehung.

Beschaffenheit des Untergrundes

Wie groß ist das unterirdische Speichervermögendes Gebiets?

(1) Geringes Speichervermögen infolge gering-mächtiger Böden und undurchlässigem Fest-gestein oder

(2) großes Speichervermögen infolge mächtigerBöden und gut durchlässigem Lockergestein.

Daneben gibt es natürlich weitere Kombinatio-nen aus Boden- und Gesteinseigenschaften, dieeine Mittelstellung zwischen diesen beiden Extre-men einnehmen.

Die Beschäftigung mit den unterirdischenVerhältnissen kommt bei der hydrologischenModellierung oft zu kurz, da viele der gebräuch-lichen Modelle nur Bodendaten und keine Datenzu den geologischen Verhältnissen verarbeiten.Informationen zu Geomorphologie und Ge-steinsuntergrund sind in diesen Modellen nur in-direkt enthalten – als Auslaufkoeffizienten unterir-

discher Speicher, die anhand des zeitlichen Ver-laufs gemessener Abflussganglinien ermitteltwerden. Rückschlüsse auf die unterirdischeHochwasserentstehung sind daraus aufgrund derdynamikorientierten Herangehensweise konzep-tioneller hydrologischer Modelle nur bedingtmöglich (siehe Kap. 2.1). Karten und Hinter-grundinformationen der geologischen Verhält-nisse sind daher unerlässlich, um die Simulationder unterirdischen Abflussreaktion auf ihre Plau-sibilität hin überprüfen zu können.

Beispiele für Gebietstyp (1) mit geringmächti-gen Böden und geringdurchlässigem Festgesteinfinden sich in Deutschland vor allem in den Mit-telgebirgsregionen. Das Gebiet der Oberen Len-ne kann als Vertreter dieses Typs angesehen wer-den (siehe Kap. 3.4.2). Das Leingebiet mit seinermächtigen Lössdecke entspricht eher dem zwei-ten Typ (siehe Kap. 3.2.2). Hier wirkt sich z.B.Verstädterung unter anderem deshalb stärker aus,weil durch die Versiegelung mehr unterirdischerSpeicherraum vom Wasserkreislauf abgeschnittenwird als an der Lenne.

Als Basis für eine Klassifizierung von Regionenim Hinblick auf ihr Hochwasserverhalten bietensich deshalb vor allem die geomorphologischen undgeologischen Verhältnisse an.

Die Landnutzung ist demgegenüber als Basisfür eine solche Klassifikation weniger geeignet,da beispielsweise ein Kiefernbestand einerGrundmoränenlandschaft im Hinblick auf dieHochwasserentstehung wesentlich mehr mit ei-nem Spargelfeld auf märkischem Sand gemein-sam hat als mit einem Fichtenbestand imSchwarzwald.

6.2 ÜBERTRAGUNG DER ERGEBNISSE AUF DIE MAKROSKALA

In den großen Flussgebieten Mitteleuropas ent-stehen Hochwasser vor allem als Folge langanhal-tender advektiver Niederschläge – unter Umstän-den in Verbindung mit Schneeschmelze. Untersolchen Bedingungen stellen nur geringdurchläs-sige, versiegelte oder gesättigte Böden eine Barri-ere für versickerndes Niederschlagswasser dar. Imweiteren entscheiden die hydrogeologischen Merk-male darüber, auf welche Weise ein Gebiet auf in-

filtrierenden Niederschlag reagiert. Außerdemgewinnen mit steigender Gebietsgröße die Fließ-prozesse im Gewässernetz an Bedeutung.

Prinzipiell ist eine Ausdehnung der in dieserArbeit für die Mesoskala verwendeten Vorge-hensweise auf makroskalige Flussgebiete mit ei-ner Fläche von mehreren 10000 km² möglich.Dabei ist zu beachten, dass die Güte der hydrolo-gischen Simulation oberhalb einer Gitterweite


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von 1000 m × 1000 m drastisch abnimmt(Schulla, 1997). Allerdings wird für große Ge-biete das Verhältnis zwischen Aufwand und Nut-zen einer scheinbar detaillierten hydrologischenModellierung unter anderem aus folgendenGründen immer ungünstiger:

(1) Die Datenbasis wird in der Regel schlechterund aufgrund unterschiedlicher Arten derDatenerhebung und -klassifizierung meist in-homogener.

(2) Durch die notwendige räumliche Aggregierungwerden die in den einzelnen Rasterzellen ent-stehenden Boden- und Landnutzungskombi-nationen immer willkürlicher.

(3) Die Verwendung des Sättigungsflächen-Ansat-zes ist für Rasterzellen mit 1000 m Seitenlängephysikalisch nicht mehr begründbar.

(4) Die Kalibrierung des Modells kann nicht mitderselben Sorgfalt erfolgen wie für kleine Ge-biete, für die meist zahlreiche qualitative Hin-tergrundinformationen vorliegen. Dadurchwird es immer schwieriger, die zahlreichen Pa-rameter des Modells mit Bedeutung zu füllenund Modellergebnisse zu interpretieren.

Deswegen sollte sich die hydrologische Modellie-rung von Hochwassern in der Makroskala auf diewesentlichsten Aspekte konzentrieren:

(1) Ursachen des HochwassersZeitliche und räumliche Abfolge der Überreg-nung, Vorfeuchte bzw. Witterung vor demHochwasserereignis, Schneedecke.

(2) Dynamik variabel beitragender FlächenGeringdurchlässige Flächen, versiegelte Flä-chen, Sättigungsflächen.

(3) Unterirdische AbflussbildungMächtigkeit der Böden, Durchlässigkeit undSpeicherfähigkeit des Gesteinsuntergrundes.

(4) Fließprozesse im GewässernetzÜberlagerung der einzelnen Hochwasserwel-len aus den Teilgebieten, Retention im undam Gewässernetz.

Die folgenden Abschnitte beschäftigen sich da-mit, wie diesen Aspekten auch bei der Modellie-rung makroskaliger Gebiete Rechnung getragenwerden kann. Dem Thema der Arbeit entspre-

chend liegt dabei der Schwerpunkt auf der Dyna-mik variabel beitragender Flächen, da Landnut-zungsänderungen insbesondere hierauf Einflussnehmen. Auf die Fließprozesse im Gewässernetzwird hingegen aus demselben Grund nicht nähereingegangen.

6.2.1 Zeitliche Disaggregierung des Niederschlages

In Kap. 5.2.3.2 wurde demonstriert, welch gro-ßen Einfluss die zeitliche Verteilung des Nieder-schlages auf die hydrologische Modellierung derAbflussbildung bei Hochwasser hat. Für makro-skalige Einzugsgebiete stehen flächendeckend je-doch meist nur tägliche Niederschlagsdaten zurVerfügung. Diese reichen für die Beschreibungder zeitlich stark variablen Infiltrationsdynamiknicht aus.

Bei der notwendigen zeitlichen Disaggregie-rung der täglichen Niederschlagssummen behilftman sich im einfachsten Fall mit jahreszeitlichunterschiedlichen Verteilungen des Niederschla-ges auf die Zeitschritte innerhalb eines Tages.

Eine bessere indirekte Informationsquelle zurinnertäglichen Variabilität des Witterungsgesche-hens stellen Angaben zur Großwetterlage dar, dievom Deutschen Wetterdienst als Zeitreihen mittäglicher Auflösung geführt werden. Den ver-schiedenen Großwetterlagen können charakteris-tische Niederschlagseigenschaften zugeordnet wer-den (Bárdossy & Plate, 1992). Dies geschiehtanhand zeitlich hochaufgelöster Niederschlagsda-ten einzelner Stationen im Gebiet, die nichtzwingend den Untersuchungszeitraum abdeckenmüssen. Grenzen der Methode liegen in denGroßwetterlagen selbst, da sie lediglich einen An-haltspunkt für das tatsächliche Witterungsge-schehen in einem Einzugsgebiet geben können.

Verfahren für die zeitliche Disaggregierungvon Niederschlägen wurden beispielsweise vonBárdossy (1998), Connolly et al. (1998) oderOlsson (1998) entwickelt. Deren Parameter kön-nen entweder mittels zeitlich hochaufgelösterNiederschlagsdaten bestimmt oder im Falle derMethode von Bárdossy (1998) direkt aus dencharakteristischen Niederschlagseigenschaften abge-leitet werden, die für die einzelnen Großwetterla-gen ermittelt wurden.


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6.2.2 Makroskalige Modellierung der Infiltrationsdynamik

Landnutzungsänderungen, die für die Hochwas-serentstehung relevant sind, nehmen in erster Li-nie auf die Infiltrationseigenschaften Einfluss.Die extremste Änderung der Infiltrationseigen-schaften entsteht bei Versiegelung der Boden-oberfläche. Dementsprechend sollte sie auch inder Makroskala berücksichtigt werden.

Wie dies realisiert werden könnte, soll amBeispiel des gerade für makroskalige Anwendun-gen weit verbreiteten hydrologischen Modellshbv (Bergström, 1995; Lindström et al. 1997)erläutert werden. Dabei werden auch die Gren-zen deutlich, denen eine solche Vorgehensweiseunterliegt.

Die Abflussbildung erfolgt in hbv ausschließ-lich in Abhängigkeit von Bodenfeuchte und Spei-cherkapazität des Bodens, und zwar nach folgen-dem Ansatz (Bergström, 1995):

(6.1)

Q Abfluss [mm]P Niederschlag [mm]Ssm Wassergehalt des Bodens [mm]FC Feldkapazität des Bodens [mm]β Exponent, der die Aufteilung zwischen [–]

Bodenwasser und Abfluss bestimmt

Der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens hinge-gen wird in hbv (siehe Gl. 6.1, S. 115) kein direk-ter Einfluss auf die Abflussbildung eingeräumt.

Eine Aufteilung des entstandenen Abflusses inverschieden schnell reagierende Abflusskompo-nenten erfolgt erst nach Übergabe an die zweiunterirdischen Speicher, die in Gl. 6.5, S. 116 auf-geführt sind. Gl. 6.1, S. 115 beschreibt daher imp-lizit die Entstehung gesättigter Flächen und derenBeitrag zu einer raschen Abflussreaktion in Formvon Sättigungsoberflächenabfluss oder subsurfacestormflow, genauso aber auch Tiefensickerung,Grundwasserneubildung und Basisabfluss.

Nach Gl. 6.1, S. 115 kann auch vor Erreichender als Feldkapazität FC bezeichneten Speicherfä-higkeit des Bodens bereits Abfluss entstehen.

Dies ist jedoch nur scheinbar ein Widerspruch.Vielmehr soll mit diesem Verhalten des Berech-nungsansatzes der kleinskaligen Heterogenität derBodeneigenschaften sowie der Variabilität der Bo-denfeuchte Rechnung getragen werden (Berg-ström, 1995).


Infiltrationsüberschuss kann mit Gl. 6.1, S. 115nicht berücksichtigt werden, was in makroskali-gen Einzugsgebieten Mitteleuropas aufgrund derEigenschaften großflächiger Niederschläge ver-tretbar sein kann. Ist Infiltrationsüberschuss unddamit Hortonscher Oberflächenabfluss aller-dings von Bedeutung, dann muss das Modell umeinen Infiltrationsansatz erweitert werden. DieserAnsatz kann im einfachsten Fall ein Schwellen-wert der Niederschlagsintensität sein, oberhalb de-rer der auf unversiegelte Flächen fallende Nieder-schlag direkt zum Abfluss beiträgt:

(6.2)

QINXS Direktabfluss infolge von [mm]Infiltrationsüberschuss

P Niederschlag auf unversiegelte Flächen [mm]PINXS Schwellenwert des Niederschlages [mm]

für Infiltrationsüberschuss (Niederschlagsintensität)ψ Versiegelungsgrad [–]

Solch ein Schwellenwert ist beispielsweise imnorwegischen nordic hbv bereits enthalten(Sælthun, 1996). Eine Übersetzung der Eigen-schaften verschiedener Landnutzungen und Bö-den in Schwellenwerte des Niederschlages ist al-lerdings mit großen Unsicherheiten verbunden.

Komplexere Infiltrationsgleichungen stellenhierzu nur bedingt eine Alternative dar. DerenParameter lassen sich zwar leichter den verschie-denen Landnutzungs- und Bodeneigenschaftenzuordnen, die Bedeutung dieser Eigenschaftenfür die Abflussbildung in der Makroskala ist je-doch ebenfalls sehr unsicher.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, an-stelle eines festen Niederschlagsschwellenwertesdie räumliche Variabilität des Niederschlages mit-einzubeziehen. Diese Variabilität müsste bei der

Q∆ PSsm

FC--------

� �� ⋅∆

β=

QINXS∆ 1 ψ–( ) P∆ P∆ INXS–( )⋅=

für P P∆ INXS>∆


116

Niederschlagsinterpolation für jeden Zeitschrittbestimmt werden.

Versiegelte Flächen

Versiegelte Flächen tragen bei Starkniederschlägenüberproportional zu einer schnellen Abflussreak-tion bei. Ausgehend von der entsprechenden Mo-dellerweiterung für wasim-eth (siehe Kap. 4.4.3)könnte ein vereinfachter Abflussbildungsansatzfür versiegelte und an die Kanalisation angeschlosse-ne Bereiche so aussehen, dass der auf diese Berei-che fallende Niederschlag unmittelbar zum Ab-fluss kommt. Als Maß hierfür kann der Versiege-lungsgrad im Sinne von Gl. 4.9, S. 58 dienen:

(6.3)

QSEAL Direktabfluss von versiegelten Flächen [mm]P Niederschlag [mm]PSEAL Schwellenwert des Niederschlages [mm]

für Kanalentlastung (Niederschlagsintensität)ψ Versiegelungsgrad [–]

Dieses Konzept wurde in Anlehnung an die Mo-dellerweiterung für wasim-eth bereits von Thei-sen (in Bronstert et al., 2000) auf makroskaligeTeilgebiete des Rheins angewandt. Da der hoch-wasserverschärfende Einfluss versiegelter Flächenan die Niederschlagsintensität gekoppelt ist,könnte der starre Abflussbeiwert versiegelter Flä-chen durch die Einführung einer Grenznieder-schlagsintensität modifiziert werden, oberhalb de-rer Gl. 6.3, S. 116 zur Anwendung kommt – fallsAbschätzungen hierzu möglich sind.

Die Verbindung der ursprünglichen Gl. 6.1,S. 115 mit dem Ansatz für versiegelte Flächen ausGl. 6.3, S. 116 trägt auch der Erkenntnis Rech-nung, dass der hochwasserverschärfende Einflussversiegelter Flächen bei langanhaltenden Nieder-schlägen abnimmt. Dies ist dadurch gewährleis-tet, dass der Beitrag unversiegelter Flächen zumAbfluss mit zunehmender Bodenfeuchte steigt,der Direktabfluss von versiegelten Flächen hinge-gen konstant bleibt.

Kombination der Ansätze zur Abflussbildung

Sollen die Ansätze für Infiltrationsüberschuss(Gl. 6.2, S. 115) sowie für versiegelte Teilflächen

(Gl. 6.3, S. 116) mit dem bisherigen Abflussbil-dungsansatz für hbv kombiniert werden, dannmuss Gl. 6.1, S. 115 dementsprechend so modifi-ziert werden, dass anstelle des Gesamtnieder-schlages ∆P der Anteil des Niederschlages ∆Inueingesetzt wird, der nach Gl. 6.2, S. 115 in denunversiegelten Bereichen infiltriert. Dieser Anteilergibt sich wie folgt:

(6.4)

Inu Infiltrierender Anteil des Niederschlages [mm]auf unversiegelte Teilflächen

P Niederschlag [mm]PINXS Schwellenwert des Niederschlages [mm]

für Infiltrationsüberschuss (Niederschlagsintensität)ψ Versiegelungsgrad [–]

An das Kanalnetz angeschlossene versiegelte Teil-flächen werden auf diese Weise vom Bodenspei-cher aus Gl. 6.1, S. 115 abgekoppelt.

6.2.3 Berücksichtigung der unterirdischen Abflussbildung

Ein großer Schwachpunkt konzeptioneller hy-drologischer Modelle, wie sie in der Makroskalaeingesetzt werden, liegt in der Beschreibung derunterirdischen Abflussbildung. Meist wird derUntergrund in Form von Speichern repräsentiert,deren Parameter im Normalfall an gemessenenAbflussganglinien kalibriert werden müssen.

In hbv-96 (Lindström et al., 1997) sind dieszwei Speicher – ein nicht-linearer für schnelleAbflussreaktionen und ein linearer für verzögertreagierenden Basisabfluss:

(6.5)

UZ Speicherinhalt der oberen Zone [mm]LZ Speicherinhalt der unteren Zone [mm]Q Abfluss aus dem jeweiligen Speicher [mm]k Auslaufkonstante des jeweiligen Speichers [–]α Konstante zur Festlegung des nichtlinearen [–]

Auslaufverhaltens der oberen Zone

QSEAL∆ ψ P∆⋅= für P P∆ SEAL>∆

Inu∆ P∆ INXS= für P P∆ INXS>∆

Inu∆ 1 ψ–( ) P∆⋅= für P P∆ INXS≤∆

QUZ kUZ UZ1 α+( )⋅=

QLZ kLZ LZ ⋅=


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Die Tiefenperkolation vom oberen zum unterenunterirdischen Speicher wird in hbv über einekonstante Sickerungsrate PERC gesteuert. Ein wei-terer Parameter namens MAXBAS bewirkt zusätz-lich eine Transformation der gesamten Abflussre-aktion aus den beiden unterirdischen Speichernund dient zur Berücksichtigung der Gerinnere-tention im Gewässernetz eines Teileinzugsge-biets.

Im Original passiert jeglicher Abfluss zumin-dest einen der beiden Speicher aus Gl. 6.5, S. 116.Im Sinne einer prozessorientierten Trennung vonInfiltrationsdynamik und unterirdischer Abfluss-reaktion sollten der Infiltrationsüberschuss QINXSaus Gl. 6.2, S. 115 sowie der Direktabfluss versie-gelter Flächen QSEAL aus Gl. 6.3, S. 116 jedochhiervon ausgenommen werden.

Die vier Parameter kUZ, kLZ, α und PERC wer-den oft ausschließlich anhand der Ähnlichkeitvon simulierter und gemessener Abflussgangliniebestimmt, wobei statistische Gütemaße und opti-sche Vergleiche meist die alleinigen Kriterien fürdie Qualität der Modellierung sind. Hieraus er-geben sich in der Regel zahlreiche Parameter-kombinationen, die zu ähnlichen Ergebnissenführen.

Wichtig wäre deshalb, anhand von morpholo-gischen und geologischen Kennwerten plausibleGrenzen für den Wertebereich der Parameter fürdie unterirdische Abflussreaktion festzulegen.Dies könnte im Zusammenhang mit einer Klassi-fizierung von Regionen im Hinblick auf ihrHochwasserverhalten geschehen, wie sie bereitsin Kap. 6.1 angesprochen wurde.


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119

Kap

itel

7


7.1 DISKUSSION DER ERGEBNISSE

Bei der Weiterentwicklung des hydrologischenModells wasim-eth ist auf eine detaillierte Be-schreibung und Parameterisierung des Einflussesder Landnutzung auf die Bodenzone großer Wertgelegt worden. Dies wurde mit einer Zunahmeder Modellunsicherheit erkauft, die exemplarischfür das Makroporenmodul dargestellt wurde.Diese Modellunsicherheit ist ein Spiegelbild derWissenslücken, die aufgrund der Datenverfüg-barkeit sowie der Heterogenität der Bodeneigen-schaften und der Variabilität der Feuchtebedin-gungen in der Bodenzone die Forschung auf die-sem Gebiet auch in Zukunft begleiten werden.

Die Erfassung der Randbedingungen vonHochwassern setzt neben einer realistischen Bo-denfeuchtesimulation auch eine angemessene Be-schreibung der Grundwasserverhältnisse voraus,die in den meisten Modellen – einschließlich derverwendeten Version von wasim-eth – nur be-dingt gegeben ist. Dies ist insbesondere dannproblematisch, wenn die Hochwasserentstehung,wie beispielsweise im Fall der Lenne, von unterir-dischen Fließprozessen dominiert wird. Aller-dings ist dann auch der Einfluss der Landnut-zung von untergeordneter Bedeutung.

Ein großer Fortschritt für die Bearbeitung derFragestellung ist die Berücksichtigung der räum-lichen Verteilung der Landnutzung und derenVeränderungen sowohl bei der Erstellung derLandnutzungsszenarien als auch bei der hydrolo-gischen Modellierung.

Starkniederschläge sind die Ursache sämtli-cher hier betrachteten Hochwasser. Die Erfas-

sung der raumzeitlichen Niederschlagsdynamikspielt daher eine entscheidende Rolle für dieQualität der hydrologischen Modellierung. Sieist im Prinzip durch die Interpolation des Nieder-schlages für jede einzelne Rasterzelle gewährleis-tet, hängt aber wesentlich von der Dichte undGüte des Niederschlagsmessnetzes ab.

Exemplarische Ergebnisse der hydrologischenModellierung für die drei Untersuchungsgebietesind folgende:

(1) Am Beispiel der Lein konnte gezeigt werden,welch große Bedeutung die lagegetreue Dar-stellung der Landnutzung im hydrologischenModell insbesondere bei kleinräumig auftre-tenden Niederschlägen z.B. aus Gewitterzel-len hat. Die Lage eines fiktiven Siedlungszen-trums hatte bei der Modellierung einen er-heblichen Einfluss sowohl auf die Höhe derHochwasserspitze als auch auf die Gestalt derHochwasserganglinie.

(2) Eine Zunahme der Siedlungsflächen im Ein-zugsgebiet der Lein um 50% hätte den Simu-lationen zufolge je nach Rahmenbedingungensehr unterschiedliche Auswirkungen: selbstbei gleichem Wiederkehrintervall des Hoch-wassers von etwa drei Jahren schwankt danachdie Zunahme des Hochwassermaximums zwi-schen 0% für ein langanhaltendes zyklonalesNiederschlagsereignis mit hoher Vorfeuchteund beinahe 30% für einen intensiven Gewit-terregen bei geringer Vorfeuchte.


120

(3) Die im Leingebiet in den Jahren 1983, 1988und 1990 infolge zyklonaler Niederschlägeaufgetretenen Hochwasser haben alle zuHochwassern im Rhein beigetragen. Der Ein-fluss einer Zunahme der Siedlungsflächen um50%, der für diese Ereignisse simuliert wurde,variiert zwischen 0% und etwa 4% Erhöhungdes Hochwasserscheitels. Dies zeigt, dass dieArgumentationskette »großes Hochwasser imRhein – Böden gesättigt – Landnutzung spieltkeine Rolle« nicht zwangsläufig zutrifft.

(4) Wie das Beispiel des Lennegebietes illustriert,ist Waldbestand entgegen der nach wie vorweit verbreiteten Meinung kein Indiz für ei-nen per se geringen Beitrag zur Hochwasser-entstehung. Richtig ist, dass ein natürlicherWald bessere Speichereigenschaften (Interzep-tion, Streuspeicher) aufweist als andere Land-nutzungen und dass Waldböden oft gute In-filtrationseigenschaften besitzen. Da aberWälder in Mittelgebirgen häufig auf gering-mächtigen Böden stocken, sind Waldflächeninsbesondere in Kombination mit gering-durchlässigem Festgestein prädestiniert fürrasche unterirdische Abflussbildung.

(5) Die Anwendung eines Mulchsaatszenarios fürdie Lein hat ergeben, dass die Unsicherheit derModellierung von Makroporendynamik wäh-rend konvektiver Ereignisse mit hohen Nie-derschlagsintensitätenweit größer ist als dermutmaßliche Einfluss des Mulchsaatverfah-rens auf die Hochwasserentstehung in der Me-soskala. Inwieweit dies ein Artefakt des Mo-dellansatzes ist, bedarf, soweit möglich, derexperimentellen Überprüfung.

(6) Die starke hochwasserverschärfende Wirkungvon Versiegelung bei kurzen und intensiven Ge-witterniederschlägen kleiner Jährlichkeit konn-te beispielsweise für das Einzugsgebiet derKörsch demonstriert werden. Dort wäre denSimulationen zufolge das Abflussmaximumeines im Jahr 1992 aufgetretenen konvektivenEreignisses im Siedlungszustand des Jahres1836 (1,3% Siedlungsfläche) nur rund einSechstel so groß gewesen wie im Ist-Zustand(25% Siedlungsfläche).

(7) Prinzipiell unterliegen gezielt eingesetzte Ver-sickerungsmaßnahmen für versiegelte Flächen inSiedlungsgebieten denselben Einschränkun-

gen, wie sie für die Auswirkungen des Einflus-ses der Versiegelung selbst formuliert wordensind. Dies haben Simulationen für das Lein-gebiet gezeigt. Deren Nutzen ist dementspre-chend groß während intensiver konvektiverNiederschläge mit geringer Vorfeuchte, deut-lich kleiner aber hingegen für langanhaltendeadvektive Niederschläge mit hoher Vorfeuch-te, da dann die Aufnahmefähigkeit sowohl desnatürlichen Bodens als auch der Versicke-rungsanlage zurückgeht.

Die anhand der hydrologischen Modellierung ge-wonnenen Erkenntnisse sind jedoch nicht auf dieEinzugsgebiete von Lein, Körsch und Lenne be-schränkt, sondern lassen auch die Ableitung all-gemein gültiger Zusammenhänge zu:

(1) Bedeutung der Niederschlagscharakteristika:(a) Niederschlagsintensität

Der Einfluss der Landoberfläche ist fürkonvektive Ereignisse mit hohen Nieder-schlagsintensitäten größer als für advektiveEreignisse mit meist deutlich geringerenNiederschlagsintensitäten.

(b) NiederschlagsvolumenJe größer das Niederschlagsvolumen, destogeringer ist der Einfluss der Landoberflä-che auf die Hochwasserentstehung.

(2) Bedeutung der Anfangsbedingungen:Je trockener das Gebiet zu Beginn des Ereig-nisses, desto größer ist der Einfluss derLandoberfläche auf die Hochwasser.

(3) Bedeutung der Infiltrationsbedingungen:Liegt die Durchlässigkeit der Bodenoberflä-che in derselben Größenordnung wie die Nie-derschlagsintensität, dann ist der Einfluss vonÄnderungen der Landoberfläche für dieHochwasserentstehung am größten.

(4) Bedeutung von Morphologie und Geologie:Stellt die Durchlässigkeit der Bodenoberflä-che keine Begrenzung für die Infiltration dar,so ist der Gesteinsuntergrund der entscheiden-de Faktor für die Hochwasserentstehung. DieLandnutzung übt dann nur einen sehr gerin-gen Einfluss auf die Abflussbildung aus.

(5) Bedeutung der Ereignisgröße:(a) Die Jährlichkeit eines Hochwassers als Maß

für die Größe eines Hochwasserereignisses

Ausblick

121

Dis

kuss

ion

un

d A

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ist ein nur bedingt tauglicher Indikator fürdie Stärke des Einflusses der Landnutzungauf die Hochwasserentstehung. Die Hoch-wasserjährlichkeit sagt weder etwas überdie meteorologischen Randbedingungeneines Hochwassers aus noch über dieräumliche Verteilung der Hochwasserent-stehung im Gebiet.

(b) Die Jährlichkeit des Niederschlages ist alsMaß für den Einfluss der Landnutzungauf Hochwasser noch ungeeigneter, da sieim Gegensatz zur Hochwasserjährlichkeitnur zu geringen Teilen gebietsspezifischist. Sowohl die Gebietseigenschaften alsauch die Vorfeuchte entscheiden jedochdarüber, welche Arten von Extremnieder-schlägen in einem Gebiet extreme Hoch-wasser auslösen können.

(6) Bedeutung der zeitlichen Abfolge:Katastrophale Hochwasserereignisse in gro-

ßen Einzugsgebieten sind nicht zwingend dieFolge katastrophaler Hochwasser in verschie-denen Gebietsteilen, sondern können sichauch aus der ungünstigen Überlagerung un-spektakulärer kleiner Hochwasser in einergroßen Zahl der Teileinzugsgebiete ergeben.

(7) Bedeutung der Raum- und Zeit-Skalen:In Gebieten von bis zu mehreren hundertQuadratkilometern können sowohl konvekti-ve als auch advektive Niederschlagsereignissezu Hochwassern führen.In den großen Flussgebieten Mitteleuropasentstehen Hochwasser hingegen vor allem alsFolge großräumiger und langanhaltender zy-klonaler Regenfälle mit großem Nieder-schlagsvolumen – unter Umständen in Kom-bination mit Schneeschmelze. Für diese Artvon Ereignissen ist der Einfluss der Landober-fläche geringer als für konvektive Starknieder-schläge.

7.2 AUSBLICK

Landschafts- und GewässerschutzDas große Interesse der Öffentlichkeit an spekta-kulären Hochwasserkatastrophen hat in der jün-geren Vergangenheit dazu beigetragen, wichtigenBelangen Gehör zu verschaffen, die auf andereWeise kein Echo gefunden hätten. Zu diesen Be-langen zählen Landschafts- und Gewässerschutz,deren Erfolge für den Laien oft kaum ersichtlichsind und sich daher politisch nur schlecht ver-markten lassen.

Den Simulationen zufolge hat Flächenversie-gelung je nach Ereignischarakteristika einen sehrunterschiedlichen Einfluss auf Hochwasser. Ge-rade bei konvektiven Niederschlägen mit hoherIntensität ist aber nicht nur eine drastische lokaleHochwasserverschärfung die Folge, sondern aucheine Verschlechterung der Wasserqualität. Diese er-gibt sich bei Überlastung der Kanalisation aus derAbgabe eines Gemisches aus ungeklärtem Abwas-ser und verschmutztem Regenwasser an ein nahe-gelegenes Fließgewässer mit den entsprechendennegativen Folgen für das Ökosystem.

Infiltrationsüberschuss auf landwirtschaftli-chen Flächen führt in der Mesoskala bedingt

durch Re-Infiltration hangabwärts nicht zwangs-läufig zu verstärkter Hochwasserentstehung. Ver-schlämmung und Bodenerosion sind jedoch nichtnur Merkmale des Auftretens von Infiltrations-überschuss auf unbewachsenen Flächen, sondernbedingen zudem an der Bodenoberfläche eineVerschlechterung des Luft- und Wasserhaushal-tes, erhöhten Nähr- und Schadstoffaustrag sowieBodendegradation. Diese Folgen einer unange-passten Bewirtschaftungsweise sollten auch un-abhängig von Belangen des Hochwasserschutzesvermieden werden, da sie sowohl den Bodenselbst als auch die Qualität des abfließenden Was-sers beeinträchtigen.

Abflussbildung und deren Modellierung

Die Einbeziehung räumlicher Daten zu Topogra-phie, Landnutzung und Böden hat sich mittler-weile als Standard für prozessorientierte hydrolo-gische Forschung etabliert. Demgegenüber ist derGesteinsuntergrund in den meisten hydrologi-schen Modellen vergleichsweise schlecht reprä-sentiert. Gerade für die Simulation von Hoch-wasserereignissen in den großen Flussgebieten


122

Mitteleuropas, deren Genese nicht in erster Linieauf der Entstehung von Infiltrationsüberschussberuht, würde eine verbesserte Beschreibung derunterirdischen Abflussbildung aber einen erhebli-chen Erkenntnisgewinn bedeuten. Inwieweit sichdiese mit den Mitteln der Systemhydrologie er-zielen lässt, bei der die Reaktionszeit und nichtdie Entstehungsart des Abflusses im Vordergrundsteht, ist nach wie vor ungeklärt.

Das Wissen über die Abflussbildung auf land-wirtschaftlichen Flächen stützt sich bislang vor al-lem auf Beregnungsversuche, die im Rahmen derErosionsforschung auf kleinen Flächen und mitextrem hohen Niederschlagsintensitäten durch-geführt wurden. Deren Nutzen für die Modellie-rung der Auswirkung von Landnutzungsände-rung in großen Flussgebieten ist dementspre-chend gering. Dennoch werden die Ergebnissederartiger Versuche auch von Wissenschaftlernundifferenziert zitiert, um sich beispielsweise inder Diskussion um die Rheinhochwasser der ver-gangenen Jahre zu profilieren. Hilfreicher wärenin diesem Zusammenhang großflächigere Unter-suchungen, die mit realistischen Niederschlagsin-tensitäten arbeiten und das Phänomen der Re-In-filtration von Infiltrationsüberschuss näher be-leuchten.

Die große Bedeutung von Makroporen für dieAbflussbildung wurde bereits vor langer Zeit er-kannt. Bisher finden Makroporen dennoch nurin wenigen hydrologischen Modellen Berück-sichtigung, da eine Bestimmung der Makropo-rendynamik bereits in der Hangskala mit großenUnsicherheiten verbunden ist. Hieran wird sichzwar aufgrund der extremen Variabilität der da-mit verbundenen Fließprozesse auch in naherZukunft nichts ändern. Trotzdem sollte in Zu-kunft einem systematischen Umgang mit dieserUnsicherheit der Vorzug gegeben werden vor derNichtbeachtung des Einflusses von Makroporenauf die Abflussbildung.

Versiegelte Flächen werden in der vorliegendenArbeit im Vergleich zu vielen anderen hydrologi-schen Modellen sehr differenziert berücksichtigt.Eine Schwachstelle des entwickelten Ansatzesliegt darin, dass sich die Reaktionszeit versiegelterFlächen nicht von der des Oberflächenabflussesaus unversiegelten Flächen unterscheidet. Tat-

sächlich reagieren versiegelte Flächen jedoch auf-grund der dafür geschaffenen Infrastruktur deut-lich rascher. Desweiteren wird der Anteil desWassers, der durch die Kanalisation in die Klär-anlage gelangt, dem Basisabfluss zugeschlagen.Dies ist ebenfalls nicht realistisch, da die tatsäch-liche Abflussdämpfung durch Kläranlagen weit-aus geringer ist. Eine Verbesserung des Ansatzesfür den Einfluss von Kläranlagen macht aller-dings nur dann Sinn, wenn Angaben zu derenAbleitungsstruktur vorliegen, da die Abgabe vongeklärtem Wasser auch einzugsgebietsübergrei-fend oder unterhalb des betrachteten Gebietsaus-lasses erfolgen kann.

Die vorliegende Arbeit zeichnet sich nichtdurch eine systematische Betrachtung der Mo-dellunsicherheit aus. Dies ist ein wesentlicherKritikpunkt, der auf nahezu alle bisherigen Un-tersuchungen zu den Auswirkungen von Land-nutzungsänderungen auf den Wasserkreislauf zu-trifft. Aufgrund der Komplexität der Modelle, diesich aus der Komplexität der relevanten Prozesseergeben, müssen dafür neue Ansätze entwickeltwerden, die nicht auf eine hohe Anzahl von Si-mulationen angewiesen sind.

Einfluss der Randbedingungen

Wie die Diskussion der hydrologischen Model-lierungsergebnisse (Kap. 7.1) zeigt, sind pauscha-le Aussagen zum Einfluss der Landnutzung aufdie Hochwasserentstehung aufgrund der ent-scheidenden Bedeutung der Randbedingungenunzulässig. Zu diesen Randbedingungen zählenin erster Linie Gebiets- und Ereigniseigenschaf-ten sowie die Witterung vor dem Ereignis, aberauch der räumliche und zeitliche Maßstab, fürden Aussagen getroffen werden. Neben der pro-zessorientierten Erweiterung des hydrologischenModells ist es eine wesentliche Leistung dieserArbeit, die Randbedingungen im Gegensatz zuvielen anderen Studien konsequent zu berück-sichtigen. Würden diese Randbedingungen wiez.B. die Entwicklung der Witterung auch in dieHochwasserstatistik einbezogen, so könnten inZukunft Fehleinschätzungen vermieden werden,die sich aus der mangelnden Aussagekraft derJährlichkeit von Hochwassern und Niederschlä-gen für die vorliegende Fragestellung ergeben.

123

Lite

ratu

r

Literatur

Abbott, M.B., Bathurst, J.C., Cunge, J.A.,O’Connell, P.E. & Rasmussen, J. (1986a): An in-troduction to the European Hydrological System– Système Hydrologique Européen, “ SHE” , 1:History and philosophy of a physically-based,distributed modelling system. Journal of Hydro-logy, 87, 45– 59.

Abbott, M.B., Bathurst, J.C., Cunge, J.A.,O’Connell, P.E. & Rasmussen, J. (1986b): An in-troduction to the European Hydrological System– Système Hydrologique Européen, “ SHE” , 2:Structure of a physically-based, distributed mo-delling system. Journal of Hydrology, 87, 61– 77.

Abbott, M.B. & Refsgaard, J.C. (Eds.) (1996):Distributed hydrological modelling. Kluwer Aca-demic Publishers, Dordrecht.

Abwassertechnische Vereinigung e.V. (Ed.)(1992): Richtlinien für die Bemessung und Ge-staltung von Regenentlastungsanlagen in Misch-wasserkanälen (ATV Arbeitsblatt A 128). St. Au-gustin.

Ambroise, B., Beven, K.J. & Freer, J. (1996): To-ward a generalisation of the TOPMODEL con-cepts: Topographic indices of hydrological simi-larity. Water Resources Research, 32(7), 2135–2145.

Anderson, G.M. & Burt, T.P. (1990): Subsurfacerunoff. In: Anderson, G.M. & Burt, T.P. (Eds.):Process studies in hillslope hydrology, John Wiley& Sons, New York, 365– 400.

Auerswald, K. (1993): Bodeneigenschaften undBodenerosion (Relief, Boden, Paläoklima, 8).Stuttgart.

Baade, J. (1994): Geländeexperiment zur Vermin-derung des Schwebstoffaufkommens in landwirt-schaftlichen Einzugsgebieten (Heidelberger Geo-graphische Arbeiten, 95). Heidelberg.

Bachmann-Erdt, G. (1994): HausgemachteÜberschwemmungen: Maßnahmenvorschlägezur Vorsorge gegen zukünftige Hochwasserschä-den (Umweltbundesamt, Texte 21/94). Berlin.

Bárdossy, A. (1998): Generating precipitationtime series using simulated annealing. Water Re-sources Research, 34(7), 1737– 1744.

Bárdossy, A. & Plate, E.J. (1992): Space-time mo-del for daily rainfall using atmospheric circula-tion patterns. Water Resources Research, 28,1247– 1259.

Bartels, H., Malitz, G., Asmus, S., Albrecht,F.M., Dietzer, B., Günther, T. & Ertel, H. (1997):Starkniederschlagshöhen für Deutschland –KOSTRA (Koordinierte Starkniederschlags-Re-gionalisierungs-Auswertungen, Deutscher Wet-terdienst). Offenbach am Main.

Bathurst, J.C. (1986): Physically-based distri-buted modelling of an upland catchment usingthe Système Hydrologique Européen. Journal ofHydrology, 87, 79– 102.

Literatur

124

Bathurst, J.C. & O’Connell, P.E. (1992): Futureof distributed modelling - the Système Hydrolo-gique Européen. Hydrological Processes, 6, 265–277.

Bathurst, J.C., Wicks, J.M. & O’Connell, P.E.(1995): The SHE/SHESED basin scale water flowand sediment transport modelling system. In:Singh, V.P. (Ed.): Computer models of watershedhydrology, Water Resources Publications, High-lands Ranch, Colorado, 563–594 .

Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft(Ed.) (1998): Spektrum Wasser I – Hochwasser.München.

Becker, A. (1975): EGMO-Einzugsgebietsmo-delle zur Abflußberechnung, -vorhersage und -si-mulation. Wasserwirtschaft Wassertechnik, 25(9),316– 322.

Becker, A. (1986): Neue Anforderungen und Lö-sungen bei der großflächigen hydrologischenModellierung. Wasserwirtschaft – Wassertech-nik, 26(7), 150– 152.

Becker, A. (1992): Methodische Aspekte der Regi-onalisierung. In: Kleeberg, H.-B. (Ed.): Re-gionalisierung in der Hydrologie, VCH, Wein-heim, 16– 32.

Becker, A., Güntner, A. & Katzenmaier, D.(1999): Required integrated approach to under-stand runoff generation and flow path dynamicsin catchments. In: Leibundgut, C., McDonnell,J. & Schultz, G. (Eds.): Integrated methods incatchment hydrology – tracer, remote sensingand new hydrometric techniques (IAHS Publica-tion no. 258), Wallingford, 3– 9.

Beisecker, R. (1994): Einfluß langjährig unter-schiedlicher Bodenbearbeitungssysteme auf dasBodengefüge, die Wasserinfiltration und dieStoffverlagerung eines Löß- und eines Sandbo-dens (Institut für Ökologie, Technische Universi-tät Berlin; Bodenökologie und Bodengenese,Heft 12). Berlin.

Bergström, S. (1972): Utveckling och tillämpningav en digital avrinningsmodell (SMHI, Notiseroch preliminära rapporter, serie Hydrologi, No.22). Norrköping.

Bergström, S. (1995): The HBV Model. In:Singh, V.P. (Ed.): Computer models of watershedhydrology, Water Resources Publications, High-lands Ranch, Colorado, 443– 476.

Berkenhagen, J. (1998): Die Morphologie vonOberflächenverschlämmungen bei variiertenEntstehungsbedingungen und ihre Bestimmungmit Hilfe der Röntgen-Computertomographie(Technische Universität Berlin, Bodenökologieund Bodengenese, Heft 30). Berlin.

Beschta, R.L., Pyles, M.R., Skaugset, A.E. & Sur-fleet, C.G. (2000): Peakflow responses to forestpractices in the western cascades of Oregon,USA. Journal of Hydrology, 233, 102– 120.

Beven, K.J. (1989a): Changing ideas in hydrology– the case of physically-based models. Journal ofHydrology, 105, 157– 172.

Beven, K.J. (1989b): Interflow. In: Morel-Sey-toux, H.J. (Ed.): Unsaturated flow in hydrologicmodeling – Theory and practice, Kluwer Acade-mic Publishers, Dordrecht.

Beven, K.J. (1991a): Infiltration, soil moistureand unsaturated flow. In: Bowles, D.S. &O’Connell, P.E. (Eds.): Recent advances in themodeling of hydrologic systems, Kluwer Acade-mic Publishers, Dordrecht, 137– 151.

Beven, K.J. (1991b): Scale considerations. In:Bowles, D.S. & O’Connell, P.E. (Eds.): Recentadvances in the modeling of hydrologic systems,Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 357–371.

Beven, K.J. (1993): Estimating transport parame-ters at the grid scale - on the value of a singlemeasurement. Journal of Hydrology, 143, 109–123.

125

Lite

ratu

r

Beven, K.J. (1996a): A discussion of distributedhydrological modelling. In: Abbott, M.B. &Refsgaard, J.C. (Eds.): Distributed hydrologicalmodelling, Kluwer Academic Publishers, Dor-drecht, 255– 278.

Beven, K.J. (1996b): Response to comments on ‘Adiscussion of distributed hydrological modelling’by J.C.Refsgaard et al. In: Abbott, M.B. & Refs-gaard, J.C. (Eds.): Distributed hydrological mo-delling, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,289– 295.

Beven, K.J. (2001): How far can we go in distri-buted hydrological modelling? Hydrology andEarth System Sciences, 5(1), 1– 12.

Beven, K.J. & Germann, P. (1982): Macroporesand water flow in soils. Water Resources Re-search, 18, 1311– 1325.

Beven, K.J. & Kirkby, M.J. (1979): A physicallybased, variable contributing area model of basinhydrology. Hydrological Sciences Bulletin, 24,43– 69.

Beven, K.J., Lamb, R., Quinn, P., Romanowicz,R. & Freer, J. (1995): TOPMODEL. In: Singh,V.P. (Ed.): Computer models of watershed hydro-logy, Water Resources Publications, HighlandsRanch, Colorado, 627– 668.

Bischof, W. (1993): Abwassertechnik. Teubner,Stuttgart.

Bismuth, C., Garber, W.-D. & Merz, R. (Eds.)(1998): Ursachen der Hochwasserentstehung undihre anthropogene Beeinflussung (Umweltbun-desamt, Texte 18/98). Berlin.

Blöschl, G. (1996): Prozeßnahe Niederschlag-Ab-fluß-Modellierung. Österreichische Wasser- undAbfallwirtschaft, 48, 156– 164.

Blöschl, G. & Sivapalan, M. (1995): Scale issuesin hydrological modelling: a review. HydrologicalProcesses, 9, 312– 329.

Blöschl, G. & Sivapalan, M. (1997): Process con-trols on regional flood frequency: coefficient ofvariation and basin scale. Water Resources Re-search, 33(12), 2967– 2980.

Bonell, M. (1993): Progress in the understandingof runoff generation dynamics in forests. Journalof Hydrology, 150, 217– 275.

Bonell, M. (1998): Selected challenges in runoffgeneration research in forests from the hillslopeto headwater drainage basin scale. Journal of theAmerican Water Resources Association, 34(4),765– 785.

Bork, H.-R., Dalchow, C., Kächele, H., Piorr,H.-P. & Wenkel, K.-O. (1995): Agrarlandschafts-wandel in Nordostdeutschland unter verändertenRahmenbedingungen: ökologische und ökono-mische Konsequenzen. Ernst und Sohn, Berlin.

Bouma, J., Belmans, C.F. & Dekker, L.W. (1982):Water infiltration and redistribution in a siltloam subsoil with vertical worm channels. SoilScience Society of America Journal, 46, 917– 921.

Brasington, J. & Richards, K. (1998): Interactionsbetween model predictions, parameters andDTM scales for TOPMODEL. Computers &Geosciences, 24(4), 299– 314.

Bronstert, A. (1994): Modellierung der Abfluß-bildung und der Bodenwasserdynamik von Hän-gen (Institut für Hydrologie und Wasserwirt-schaft, Universität Karlsruhe, Heft 46). Karls-ruhe.

Bronstert, A. (1999): Capabilities and limitationsof detailed hillslope hydrological modelling. Hy-drological Processes, 13, 21– 48.

Bronstert, A., Buiteveld, H., Disse, M., Fritsch,U., Katzenmaier, D., Lammersen, R. & Theisen,H.-W. (2000): Quantifizierung des Einflusses derLandoberfläche und der Ausbaumaßnahmen amGewässer auf die Hochwasserbedingungen imRheingebiet unter besonderer Berücksichtigungvon Landbedeckung und möglichen Klimaände-rungen (Zwischenbericht für das Projekt LA-

Literatur

126

HoR). URL: http://www.pik-potsdam.de/mantle/lahor.

Bronstert, A., Fritsch, U. & Katzenmaier, D.(2001): Quantifizierung des Einflusses der Land-nutzung und -bedeckung auf den Hochwasserab-fluss in Flussgebieten unter Berücksichtigung deraktuellen Bodenbearbeitung, des Zustandes derVegetationsdecke und möglicher Klimaänderun-gen (Abschlussbericht eines Projektes im Auftragdes Umweltbundesamtes, Förderkennzeichen297 24 508). Potsdam.

Bronstert, A., Seiert, S. & Oberholzer, G. (1993):Maßnahmen der Flurbereinigung und ihre Wir-kungen auf das Abflußverhalten ländlicher Ge-biete (Schriftenreihe des Landesamtes für Flur-neuordnung und Landentwicklung Baden-Württemberg, Heft 3). Stuttgart.

Bronstert, A., Vollmer, S. & Ihringer, J. (1995):Die Bedeutung von Flurbereinigungsmaßnah-men für das Abflußverhalten von Starknieder-schlägen in ländlichen Gebieten. Wasser und Bo-den, 47(9), 29– 46.

Bultot, F., Dupriez, G.L. & Gellens, D. (1990):Simulation of land use changes and impacts onthe water balance – a case study for Belgium.Journal of Hydrology, 114, 327– 348.

Bundesministerium für Ernährung, Landwirt-schaft und Forsten (BMELF) (1996a): Zur Neu-orientierung der Landnutzung in Deutschland(Schriftenreihe des BML, Reihe A: AngewandteWissenschaft, Heft 453). Bonn.

Bundesministerium für Ernährung, Land-wirtschaft und Forsten (BMELF) (1996b): Alter-nativen zur landwirtschaftlichen Flächennutzungauf Grenzstandorten in den neuen Bundeslän-dern (Schriftenreihe des BML, Reihe A: Ange-wandte Wissenschaft, Heft 457). Bonn.

Burt, T.P. (1989): Storm runoff generation insmall catchments in relation to the flood responseof large basins. In: Beven, K.J. & Carling, P.

(Eds.): Floods: Hydrological, sedimentologicaland geomorphological implications, John Wiley& Sons, Chichester, 11– 35.

Burt, T.P. & Butcher, D.P. (1985): Topographiccontrols of soil moisture distributions. Journal ofSoil Science, 36, 469– 486.

Burt, T.P. & Slattery, M.C. (1996): Time-depen-dent changes in soil properties and surface runoffgeneration. In: Anderson, M.G. & Brooks, S.M.(Eds.): Advances in hillslope processes, John Wi-ley & Sons, Chichester.

Buttle, J.M. (1994): Isotope hydrograph separati-ons and rapid delivery of pre-event water fromdrainage basins. Progress in Physical Geography,18(1), 16– 41.

Calder, I.R. (1992): Hydrologic effects of land-use change. In: Maidment, D.R. (Ed.): Hand-book of hydrology, McGraw-Hill, New York,13.1– 13.50.

Calver, A. & Wood, W.L. (1995): The Institute ofHydrology Distributed Model. In: Singh, V.P.(Ed.): Computer models of watershed hydrology,Water Resources Publications, Highlands Ranch,Colorado, 595– 626.

Caspary, H.J. & Bardossy, A. (1995): Markierendie Winterhochwasser 1990 und 1993 das Endeder Stationarität in der Hochwasserhydrologieinfolge von Klimaänderungen? Wasser & Boden,47(3), 18– 24.

Chen, C. & Wagenet, R.J. (1992): Simulation ofwater and chemicals in macropores. Part 1: Rep-resentation of the equivalent macropore influ-ence and its effect on soil water flow. Journal ofHydrology, 130, 105– 126.

Clausen, C.-D., von Kamp, H., Müller, H.,Thünkler, M., Vogler, H. & Lusznat, M. (1985):Geologische Karte von Nordrhein-Westfalen1: 100000 (Erläuterungen zu Blatt C5114 Siegen).Krefeld.

127

Lite

ratu

r

Connolly, R.D., Schirmer, J. & Dunn, P.K.(1998): A daily rainfall disaggregation model. Ag-ricultural and Forest Meteorology, 92, 105– 117.

Cryer, S.A. & Havens, P.L. (1999): Regional sen-sitivity analysis using a fractional factorial me-thod for the USDA model GLEAMS. Environ-mental Modelling & Software, 14, 613– 624.

Grabs, W. (Ed.) (1997): Impact of climate changeon hydrological regimes and water resource ma-nagement in the Rhine basin (InternationalCommission for the Hydrology of the Rhine Ba-sin, CHR-Report no. I-16. Lelystad.

de Vries, J.J. & Hromadka, T.V. (1992): Compu-ter models for surface water. In: Maidment, D.R.(Ed.): Handbook of hydrology, McGraw-Hill,New York.

Demuth, N., Meuser, A., Burghardt, W., Bädjer,N., Dornauf, C., Steinberg, O., Terhorst, S.,Twer, D. & Winzig, G. (1998): Leitfaden Flä-chenhafte Niederschlagsversickerung (Landesamtfür Wasserwirtschaft Rheinland-Pfalz). Mainz.

Deutsches Institut für Normung (DIN) (Ed.)(1985): DIN 4045: Abwassertechnik – Begriffe.Beuth, Berlin.

Deutsches Institut für Normung (DIN) (Ed.)(1994): DIN 4049: Hydrologie – Begriffe, quan-titativ. Beuth, Berlin.

Diercke Weltatlas (1991): Diercke Weltatlas. Wes-termann, Braunschweig.

Dikau, R. (1983): Der Einfluß von Niederschlag,Vegetationsbedeckung und Hanglänge auf Ober-flächenabfluß und Bodenabtrag von Meßparzel-len. Geomethodica, 8, 149– 177.

Dooge, J.C.I. (1986): Looking for hydrologiclaws. Water Resources Research, 22, 46S– 58S.

Dosch, F. & Beckmann, G. (1999): Siedlungsflä-chenentwicklung in Deutschland – auf Zuwachsprogrammiert. In: Bundesamt für Bauwesen und

Raumordnung (Ed.): Steuerung der Flächennut-zung, 8, 493– 510.

Dunne, T. (1978): Field studies of hillslope flowprocesses. In: Kirkby, M.J. (Ed.): Hillslope hy-drology, John Wiley & Sons, New York, 227– 293.

Dunne, T. & Black, R.D. (1970): An experimen-tal investigation of runoff production in perme-able soils. Water Resources Research, 6, 478– 490.

Dyck, S. (1997): Wasser in Extremen (Vortrag,gehalten am 29.1.1997 an der Universität Frei-burg). Freiburg.

Dyck, S. & Peschke, G. (1995): Grundlagen derHydrologie. Verlag für Bauwesen, Berlin.

Ellenberg, H. (1996): Die Vegetation Mitteleuro-pas mit den Alpen in ökologischer Sicht. Ulmer,Stuttgart.

Europäische Union (1998): Agenda 2000 - Land-wirtschaft. http://www.europa.eu.imt/en/comm/dg06/ag2000/text/text_de.htm.

Faeh, A. (1997): Understanding the processes ofdischarge formation under extreme precipitation– a study based on the numerical simulation ofhillslope experiments (Dissertation an der ETHZürich). Zürich.

Feldwisch, N. (1999): Einflüsse land- und forst-wirtschaftlicher Maßnahmen auf den Hochwas-serabfluß – Wissensstand, Skalenprobleme, Mo-dellansätze (DVWK Materialien, 7/99). Bonn.

Fenner, S. (1997): Langjährige Verdichtungswir-kung durch unterschiedliche Achslasten auf ei-nem Löß-Ackerstandort. Zeitschrift für Pflan-zenernährung und Bodenkunde, 160, 157– 164.

Fennessy, M.J. & Xue, Y. (1997): Impact ofUSGS vegetation map on GCM simulations overthe united states. Ecological Applications, 7(1),22– 33.

Finch, J.W. (1998): Estimating direct groundwa-ter recharge using a simple water balance model –

Literatur

128

sensitivity to land surface parameters. Journal ofHydrology, 211, 112 - 125.

Franks, S.W., Gineste, P., Beven, K.J. & Merot, P.(1998): On constraining the predictions of a dis-tributed model: the incorporation of fuzzy esti-mates of saturated areas into the calibration pro-cess. Water Resources Research, 34(4), 787– 797.

Frede, H.-G., Beisecker, R., Lütkemöller, D. &Gäth, S. (1994): Auswirkungen langfristig diffe-renzierter Bodenbearbeitung auf die Porenraum-struktur und den Wasser- und Stofftransport ei-nes Löß- und eines Sand-Bodens. In: Tebrügge,F. & Dreier, M. (Eds.): Beurteilung von Boden-bearbeitungssystemen hinsichtlich ihrer Arbeits-effekte und ihren langfristigen Auswirkungen aufden Boden, Wissenschaftlicher Fachverlag Dr.Fleck, Gießen, 91– 115.

Frede, H.-G., Gäth, S., Lütkemöller, D. & Beise-cker, R. (1992): Differenzierte Porensysteme inihrer Auswirkung auf den Luft- und Wasserhaus-halt. In: Friebe, B. (Ed.): Wechselwirkungen voBodenbearbeitungsmassnahmen auf das Ökosys-tem Boden (Beiträge zum 3. Symposium in Gie-ßen, Institut für Landtechnik), Niederkleen, 97–106.

Freer, J., McDonnell, J., Beven, K.J., Brammer,D., Burns, D., Hooper, R.P. & Kendal, C. (1997):Topographic controls on subsurface storm flow atthe hillslope scale for two hydrologically distinctsmall catchments. Hydrological Processes, 11,1347– 1352.

Fritsch, U., Katzenmaier, D. & Bronstert, A.(2000): Land-use and land-cover scenarios forflood risk analysis and river basin management.In: Bronstert, A., Bismuth, C. & Menzel, L.(Eds.): European conference on advances in floodresearch (PIK Report No. 65), Potsdam, 266- 275.

Germann, P.F. (1981): Untersuchungen über denBodenwasserhaushalt im hydrologischen Ein-zugsgebiet Rietholzbach (Mitteilungen des Insti-tuts für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie,Nr. 51, ETH Zürich). Zürich.

Germann, P.F. (1990): Macropores and hydrolo-gic hillslope processes. In: Anderson, G.M. &Burt, T.P. (Eds.): Process studies in hillslope hy-drology, John Wiley & Sons, New York, 327– 363.

Geyer, O.F. & Gwinner, M.P. (1991): Geologievon Baden-Württemberg. Schweizerbart, Stutt-gart.

Geyger, E. (1977): Leaf area productivity in grass-lands. In: Krause, W. (Ed.): Application of vege-tation science to grassland husbandry, Dr. W.Junk Publishers, the Hague.

Grayson, R.B., Blöschl, G. & Moore, I.D. (1995):Distributed parameter hydrologic modellingusing vector elevation data: THALES andTAPES-C. In: Singh, V.P. (Ed.): Computer mo-dels of watershed hydrology, Water Resources Pu-blications, Highlands Ranch, Colorado, 669–696.

Grayson, R.B., Moore, I.D. & McMahon, T.A.(1992): Physically based hydrologic modeling, 2.Is the concept realistic? Water Resources Re-search, 28, 2659– 2666.

Green, W.H. & Ampt, G.A. (1911): Studies onsoil physics: I. The flow of air and water throughsoils. Journal of Agricultural Sciences, 4, 1– 24.

Güntner, A., Uhlenbrook, S., Seibert, J. & Lei-bundgut, C. (1999): Multi-criterial validation ofTOPMODEL in a mountainous catchment. Hy-drological Processes, 13, 1603– 1620.

Gutknecht, D. (1996): Abflußentstehung anHängen - Beobachtungen und Konzeptionen.Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 48,134– 144.

Hach, G. & Höltl, W. (1989): Maßnahmen zurErhaltung und Verbesserung der Wasserrück-halte-, Wasserreinhalte- und Speicherfähigkeit inder Landwirtschaft. Zeitschrift für Kulturtechnikund Landentwicklung, 30, 8– 21.

Harms, R.W. (1986): Auswirkungen der Urbani-sierung auf den Hochwasserabfluß kleiner Ein-

129

Lite

ratu

r

zugsgebiete - Verfahren zur quantitativen Ab-schätzung (DVWK-Schriften, 75). Hamburg,Berlin.

Hartge, K.H. & Horn, R. (1991): Einführung indie Bodenphysik. Enke, Stuttgart.

Helming, K. (1992): Die Bedeutung des Mikrore-liefs für die Regentropfenerosion (Bodenökologieund Bodengenese, Band 7). Berlin.

Helming, K., Roth, C. & Bohl, H. (1995): Dyna-mische Eigenschaften der Bodenoberfläche undihre Bedeutung für die Bildung von Oberflä-chenabfluß und Erosion – Ergebnisse aus Laborund Felduntersuchungen. In: Kuratorium fürTechnik und Bauwesen in der Landwirtschafte.V. (Ed.): Einführung von Verfahren der Kon-servierenden Bodenbearbeitung in der Praxis,Bundesministerium für Ernährung, Landwirt-schaft und Forsten, Darmstadt, 114– 130.

Hendl, M. (1995): Klima. In: Liedtke, H. & Mar-cinek, L. (Eds.): Physische Geographie Deutsch-lands. Klett-Perthes, Gotha.

Herrmann, A. (1992): Abflussbildung in Oberflä-chengewässern. In: Kleeberg, H.-B. (Ed.): Regio-nalisierung in der Hydrologie, VCH, Weinheim,291– 303.

Hewlett, J.D. (1982): Principles of forest hydro-logy. Athens (Georgia).

Hewlett, J.D. & Hibbert, A.R. (1967): Factors af-fecting the response of small watersheds to preci-pitation in humid areas. In: Sopper, W.E. & Lull,H.W. (Eds.): Proceedings of the InternationalSymposium of Forest Hydrology, Norwich, 275–290.

Horton, R.E. (1933): The role of infiltration inthe hydrological cycle. Transactions of the Ameri-can Geophysical Society, 14, 446– 460.

Hough, M.N. (1990): Agrometeorologicalaspects of crops in the United Kingdom and Ire-land. Bracknell, UK.

Hoyningen-Huene, J.v. (1983): Die Interzeptiondes Niederschlages in landwirtschaftlichen Pflan-zenbeständen. In: Hoyningen-Huene, J.v.,Wohlrab, B., Sokollek, V., Süssmann, W., Lehn-hardt, F., Brechtel, H.M. & Boness, M. (Eds.):Einfluß der Landnutzung auf den Gebietswasser-haushalt (DVWK Schriften, 57), Hamburg, Ber-lin, 1– 53.

Huss, J. (2000): Waldvermehrung als waldbauli-ches Aufgabenfeld. In: Stiftung Wald in Not(Ed.): Wir brauchen mehr Wald – Leitfaden zurWaldvermehrung, Band 10, Bonn, 12 - 30.

Internationale Kommission zum Schutze desRheins (IKSR) (Ed.) (1998): Aktionsplan Hoch-wasser. Koblenz.

Internationale Kommission zum Schutze desRheins (IKSR) (Ed.) (1999): Wirkungsabschät-zung von Wasserrückhalt im Einzugsgebiet desRheins. Koblenz.

Jerome, J.K. (1900): Three men on the bummel.London.

Jones, J.A.A. (1971): Soil piping and stream chan-nel initiation. Water Resources Research, 7, 602–610.

Joschko, M. & Brunotte, J. (1992): Mulchsaat zuZuckerrüben und die Entwicklung der Regen-wurmdichte. In: Einführung von Verfahren derkonservierenden Bodenbearbeitung in die Praxis,4. Zwischenbericht.

Kim, S. & Delleur, J.W. (1997): Sensitivity analy-sis of extended TOPMODEL for agriculturalwatersheds equipped with tile drains. Hydrologi-cal Processes, 11(9), 1243– 1261.

Kirkby, M.J. & Chorley, R.J. (1967): Through-flow, overland flow and erosion. Bulletin of theInternational Association of Scientific Hydro-logy, 12, 5– 21.

Kleeberg, H.-B. (Ed.) (1992): Regionalisierung inder Hydrologie (Deutsche Forschungsgemein-

Literatur

130

schaft, Mitteilung XI der Senatskommission fürWasserforschung). VCH, Weinheim.

Kleeberg, H.-B. & Cemus, J. (1992): Regionali-sierung hydrologischer Daten. In: Kleeberg, H.-B. (Ed.): Regionalisierung in der Hydrologie,VCH, Weinheim, 1– 15.

Kleeberg, H.-B. & Rother, K.-H. (1996): Hoch-wasserflächenmanagement in Flußeinzugsgebie-ten. Wasser & Boden, 48(2), 24– 32.

Klemeš, V. (1986): Operational testing of hydro-logical simulation models. Hydrological SciencesJournal, 31, 13– 24.

Klink, H.J. (1995): Vegetation. In: Liedtke, H.&Marcinek, L. (Eds.): Physische GeographieDeutschlands. Klett-Perthes, Gotha.

Klöcking, B. (1999): Handbuch zu ARC/EGMO. unveröffentlicht.

Koehler, G. (1993): Auswirkungen verschiedeneranthropogener Veränderungen auf die Hochwas-serabflüsse im Oberrheingebiet (Materialien zumHochwasserschutz am Rhein, Ministerium fürUmwelt, Rheinland-Pfalz). Mainz.

Koehler, G. (1996): Hochwasser – hausgemacht?Der Bürger im Staat, 46(1), 55– 59.

Kölla, E. (1986): Zur Abschätzung von Hochwas-sern in Fliessgewässern an Stellen ohne Direkt-messung (Mitteilungen der Versuchsanstalt fürWasserbau, Hydrologie und Glaziologie, 87). Zü-rich.

Kuchment, L.S. (1989): Evaluation and predic-tion of possible man-induced changes in the hy-drological cycle. In: Kavvas, M.L. (Ed.): New di-rections for surface water modeling (IAHS Publi-cation 181), Wallingford, 53– 61.

Kuczera, G. & Mroczkowski, M. (1998): Assess-ment of hydrologic parameter uncertainty andthe worth of data. Water Resources Research,34(6), 1481– 1489.

Kundzewicz, Z. (1982): Parameteruntersuchun-gen zur Berechnung des Hochwasserablaufs inGerinnen (Mitteilungen des Instituts für Wasser-bau iii, Universität Karlsruhe, Heft 23), Karls-ruhe.

Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) (Ed.)(1995): Leitlinien für einen zukunftsweisendenHochwasserschutz. Stuttgart.

Leavesley, G.H., Lichty, R.W., Troutman, B.M.& Saindon, L.G. (1983): Precipitation-RunoffModeling System – User's manual (U.S. Geologi-cal Survey Water-Resources Investigations Re-port 83-4238). Denver.

Leavesley, G.H. & Stannard, L.G. (1995): ThePrecipitation-Runoff Modeling System PRMS.In: Singh, V.P. (Ed.): Computer models of wa-tershed hydrology, Water Resources Publications,Highlands Ranch, Colorado, 281– 310.

Leichtfuss, A. & Kivumbi, D. (1995): Quantifi-zierung von Vermeidungs- und Ausgleichsmaß-nahmen (Institut für Wasserbau und Wasserwirt-schaft der TU Darmstadt). Darmstadt.

Liebscher, H.-J., Wilke, K., Krahe, P., Schultz,G., Schumann, A., Su, Z., Hamme, B., Funke,R., Hornbogen, M., Ott, M., Bardossy, A. &Plate, E. (1995): Entwicklung eines mathemati-schen Modells zur Untersuchung des Einflussesvon Klima- und Landnutzungsänderungen aufden Hochwasser- und Niedrigwasserabfluß imEinzugsgebiet der Mosel sowie Echtzeitvorher-sage unter Verwendung von Fernerkundungs-techniken (UBA Forschungsbericht Wasser 10201 304). Berlin.

Lindström, G., Johansson, B., Persson, M., Gar-delin, M. & Bergström, S. (1997): Developmentand test of the distributed HBV-96 hydrologicalmodel. Journal of Hydrology, 201, 272– 288.

Luft, G. & Morgenschweis, G. (1984): Zur Pro-blematik großterrassierter Flurbereinigung imWeinbaugebiet des Kaiserstuhls. ZKF, 25, 138–148.

131

Lite

ratu

r

Meijering, M.P.D. (1995): Hochwasserrückfüh-rung im Gelstertal – Schlußfolgerungen aus einerEinzugsgebietsanalyse. In: Tönsmann, F. (Ed.):Hochwasserschutz – Kasseler Wasserwirtschaftli-ches Symposium 1994 (Kasseler Wasserbau-Mit-teilungen, 2/1995), Kassel, 195– 202.

Mendel, H.G. (2000): Elemente des Wasserkreis-laufs – Eine kommentierte Bibliographie zur Ab-flußbildung. Analytica Verlagsgesellschaft, Ber-lin.

Mendel, H.G., Fischer, P. & Herrmann, A.(1997): Hochwasser – Gedanken über Ursachenund Vorsorge aus hydrologischer Sicht (Bundes-anstalt für Gewässerkunde, BfG– 1022). Koblenz.

Menzel, L. (1997): Modellierung der Evapotrans-piration im System Boden-Pflanze-Atmosphäre(Zürcher Geographische Schriften, Heft 67). Zü-rich.

Meuser, H., Wessolek, G. & Renger, M. (1990):Der Einfluß unterschiedlicher Düngung (mine-ralisch, organisch) auf Sproßwachstum, Transpi-ration, Evapotranspiration und Interzeption inGetreidebeständen. Agribiological Research, 43,244– 252.

Morris, E.M. (1980): Forecasting flood flows ingrassy and forested basins using a deterministicdistributed mathematical model (IAHS Publica-tion no. 129). Wallingford.

Moore, I.D., O’Loughlin, E.M. & Burch, G.J.(1988): A contour-based topographic model forhydrological and ecological applications. EarthSurface Processes and Landforms, 13, 305– 320.

Mroczkowski, M., Raper, G.P. & Kuczera, G.(1997): The quest for more powerful validation ofconceptual catchment models. Water ResourcesResearch, 33(10), 2325– 2335.

Münch, A. (1993): AKWA-M – Programmdoku-mentation (Institut für Hydrologie und Meteoro-logie, Technische Universität Dresden). Dresden.

Muñoz-Carpena, R., Parsons, J.E. & Gilliam,J.W. (1999): Modeling hydrology and sedimenttransport in vegetative filter strips. Journal of Hy-drology, 214, 111– 129.

O’Connell, P.E. & Todini, E. (1996): Modellingof rainfall, flow and mass transport in hydrologi-cal systems: an overview. Journal of Hydrology,175, 3– 16.

Olsson, J. (1998): Evaluation of a cascade modelfor temporal rainfall disaggregation. Hydrologyand Earth System Sciences, 2, 19– 30.

Pearce, A.J., Stewart, M.K. & Sklash, M.G.(1986): Storm runoff generation in humid head-water catchments – 1. Where does the water comefrom? Water Resources Research, 22(8), 1263–1273.

Pfaff, M. (1984): Messung und Simulation derAbflussbildung bei der Feldberegnung (Akade-mie der Landwirtschaftswissenschaften der Deut-schen Demokratischen Republik). Müncheberg.

Pfeil, J.D. (1998): Fleißig gepflügt und dann„ Land unter“ . Landwirtschaft ohne Pflug, 3, 9–10.

Plate, E.J. (1992): Skalen in der Hydrologie: ZurDefinition von Begriffen. In: Kleeberg, H.-B.(Ed.): Regionalisierung in der Hydrologie, VCH,Weinheim, 33– 43.

Rausch, R., Simon, T., Swoboda, F.D. & Koloko-tronis, V. (1995): Hydrogeologische Karte von Ba-den-Württemberg – Heilbronner Mulde (Geolo-gisches Landesamt Baden-Württemberg, Landes-anstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg).Freiburg.

Rawls, W.J., Ahuja, L.R., Brakensiek, D.L. &Shirmohammadi, A. (1992): Infiltration and soilwater movement. In: Maidment, D.R. (Ed.):Handbook of hydrology, McGraw-Hill, NewYork, 5.1– 5.51.

Rawls, W.J. & Brakensiek, D.L. (1989): Estima-tion of soil water retention and hydraulic proper-

Literatur

132

ties. In: Morel-Seytoux, H.J. (Ed.): Unsaturatedflow in hydrologic modeling – Theory andpractice, Kluwer Academic Publishers, Dor-drecht, 275– 300.

Refsgaard, J.C., Storm, B. & Abbott, M.B.(1996): Comment on ‘A discussion of distributedhydrological modelling’ by K.J. Beven. In: Ab-bott, M.B. & Refsgaard, J.C. (Eds.): Distributedhydrological modelling, Kluwer Academic Pub-lishers, Dordrecht, 279– 287.

Regierungspräsident Arnsberg (1989): Gebiets-entwicklungsplan – Regierungsbezirk Arnsberg.Arnsberg.

Regionalverband Franken (1988): Landschafts-rahmenplan – Landschaftsanalyse und Freiraum-bewertung. Heilbronn.

Regionalverband Mittlerer Neckar (1986): Mate-rialien zur Entwicklung der Agrarstruktur in derRegion Mittlerer Neckar. Stuttgart.

Richter, K. (1987): Zur Erfassung der Interzep-tion landwirtschaflicher Kulturpflanzen und desMakroporeneinflusses auf die Bodenwasserbewe-gung (Technische Universität Dresden, Institutfür Hydrologie und Wasserwesen). Dresden.

Robinson, M. (1990): Impact of improved landdrainage on river flows (Institute of Hydrology,Wallingford, Report 113). Wallingford.

Römkens, M.J.M., Luk, S.H., Poesen, J.W.A. &Mermut, A.R. (1995): Rain infiltration into loesssoils from different geographic regions. Catena,25, 21– 32.

Roth, C.H. & Joschko, M. (1989): A note on thereduction of runoff from crusted soils byearthworm burrows and artificial channels. Zeit-schrift für Pflanzenernährung Bodenkunde, 154,101– 105.

Roth, C.H., Helming, K. & Fohrer, N. (1995):Oberflächenverschlämmung und Abflußbildungauf Böden aus Löß und pleistozänen Sedimen-

ten. Zeitschrift für Pflanzenernährung und Bo-denkunde, 158, 43– 53.

Schachtschabel, P., Blume, H.-P., Brümmer, G.,Hartge, K.-H. & Schwertmann, U. (1992):Scheffer/Schachtschabel – Lehrbuch der Boden-kunde. Enke, Stuttgart.

Sælthun, N.R. (1996): The “ Nordic” HBV Mo-del – Description and documentation of the mo-del version developed for the project ClimateChange and Energy Production (NVE Publica-tion 7, Norwegian Water Resources and EnergyAdministration). Oslo.

Schiffler, G.R. (1992): Experimentelle Erfassungund Modellierung der Infiltration stärkerer Nie-derschläge unter realen Feldbedingungen (Insti-tut für Hydrologie und Wasserwirtschaft, Uni-versität Karlsruhe, Heft 40). Karlsruhe.

Schröder, R. (2000): Modellierung von Ver-schlämmung und Infiltration in landwirtschaft-lich genutzten Einzugsgebieten (Bonner Geogra-phische Abhandlungen, 101). Bonn.

Schrödter, H. (1985): Verdunstung – Anwen-dungsorientierte Meßverfahren und Bestim-mungsmethoden. Springer, Berlin.

Schulla, J. (1997): Hydrologische Modellierungvon Flussgebieten zur Abschätzung der Folgenvon Klimaänderungen (Zürcher GeographischeSchriften, Heft 69). Zürich.

Schulla, J. & Jasper, K. (1999): Modellbeschrei-bung WaSiM-ETH. Zürich.

Seibert, J., Bishop, K.H. & Nyberg, L. (1997): Atest of TOPMODEL’s ability to predict spatiallydistributed groundwater levels. HydrologicalProcesses, 11, 1131– 1144.

Semmel, H. & Horn, R. (1995): Auswirkungenkonventioneller und konservierender Bodenbe-arbeitung auf das Druckfortpflanzungsverhaltenund physikalisch-mechanische Kenngößen vonAckerböden. In: Kuratorium für Technik undBauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL)

133

Lite

ratu

r

(Ed.): Einführung von Verfahren der konser-viernden Bodenbearbeitung in die Praxis, Darm-stadt, 205– 211.

Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Um-weltschutz und Technologie (1997): UmweltatlasBerlin, Band 1. Berlin.

Siegrist, S., Schaub, D., Pfiffer, L. & Mäder, P.(1998): Does organic agriculture reduce soil ero-dibility? The results of a long term field study onloess in Switzerland. Agriculture, Ecosystems &Environment, 69, 253 - 264.

Sieker, F. (1995): Schriftliche Stellungnahme zurAnhörung des Bundestagsausschusses für Um-welt, Naturschutz und Reaktorsicherheit am 15.Mai 1995. In: Deutscher Bundestag (Ed.): Hoch-wasserkatastrophe – Hilfen und Möglichkeit vor-beugender Maßnahmen, Bonn, Teil I, 105– 117.

Sieker, F., Bandermann, S., Holz, E., Lilienthal,A., Sieker, H., Stauss, M. & Zimmerman, U.(1999): Innovative Hochwasserreduzierung durchdezentrale Maßnahmen am Beispiel der Saar –Zwischenbericht (Deutsche Bundesstiftung Um-welt, DBU, Projekt AZ 07147). Osnabrück.

Simunek, J., Vogel, T. & van Genuchten, M.T.(1992): The SWMS– 2D code for simulating wa-ter flow and solute transport in two-dimensionalvariably saturated media (US Salinity Laboratory,Research Report No. 126). Riverside, California.

Singh, V.P. (Ed.) (1995): Computer models of wa-tershed hydrology. Water Resources Publications,Highlands Ranch, Colorado.

Sklash, M.G. & Farvolden, R.N. (1979): The roleof groundwater in storm runoff. Journal of Hy-drology, 43, 45– 65.

Sklash, M.G., Stewart, M.K. & Pearce, A.J.(1986): Storm runoff generation in humid head-water catchments. 2. A case study of hillslope andlow-order stream response. Water Resources Re-search, 22(8), 1273– 1282.

Smith, R.E., Goodrich, D.R., Woolhiser, D.A. &Simanton, J.R. (1994): Comments on ‘Physicallybased hydrologic modeling, 2. Is the concept rea-listic?’ by R.B. Grayson, I.D. Moore and T.A.McMahon. Water Resources Research, 30, 851–854.

Sorooshian, S. & Gupta, V.K. (1995): Model cali-bration. In: Singh, V.P. (Ed.): Computer modelsof watershed hydrology, Water Resources Publi-cations, Highlands Ranch, Colorado, 23– 68.

Souchere, V., King, D., Daroussin, J., Papy, F. &Capillon, A. (1998): Effects of tillage on runoffdirections: consequence on runoff contributingarea within agricultural catchments. Journal ofHydrology, 206, 256– 267.

Stichmann, W. (2000): Waldvermehrung undNaturschutz. In: Stiftung Wald in Not (Ed.): Wirbrauchen mehr Wald – Leitfaden zur Waldver-mehrung, Band 10, Bonn, 34– 43.

Sukkop, H. & Wittig, R. (1998): Stadtökologie.Gustav Fischer Verlag, Berlin.

Teiwes, K. (1988): Einfluß von Bodenbearbeitungund Fahrverkehr auf physikalische Bodeneigen-schaften schluffreicher Ackerböden (Dissertationdes Fachbereichs Agrarwissenschaften an derUniversität Göttingen). Göttingen.

Todini, E. (1996): The ARNO rainfall-runoffmodel. Journal of Hydrology, 175, 339– 382.

Uhlenbrook, S. (1999): Untersuchung und Mo-dellierung der Abflußbildung in einem meso-skaligen Einzugsgebiet (Dissertation an der Al-bert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau).Freiburg im Breisgau.

Uhlenbrook, S. & Leibundgut, C. (1997): Ab-flußbildung bei Hochwasser in verschiedenenRaumskalen. Wasser & Boden, 49(9), 13– 22.

Ulaby, F.T., Allen, C.T. & Eger, G. (1984): Rela-ting the microwave backscattering coefficient toleaf area index. Remote Sensing Environment, 14,113– 133.

Literatur

134

van Genuchten, M.T. (1980): A closed-formequation for predicting the hydraulic conducti-vity of unsaturated soils. Soil Science Society ofAmerica Journal, 44, 892– 898.

Veeneklaas, F.R., van den Berg, L.M., Slothou-wer, D. & Ijkelenstam, G.F.P. (1994): Rhine basinstudy: land use projections based on biophysicaland socio-economic analysis – land use: past, pre-sent and future (The Winand Staring Centre, Re-port 85, Vol. 4). Wageningen.

Veldkamp, A. & Fresco, L.O. (1996): CLUE: aconceptual model to study the conversion of landuse and its effects. Ecological Modelling, 85, 253–270.

Verworn, H.-J. & Harms, R.W. (1984): Urbani-sierung und Hochwasserabfluß. Wasser & Bo-den, 36, 419– 425.

Vischer, D. (1993): Versiegelung der Landschaft –grössere Hochwasser? Gas/Wasser/Abwasser,73(4), 280– 283.

Wissenschaftlicher Rat der Dudenredaktion(Ed.) (1990): Duden Fremdwörterbuch. Mann-heim.

Wittenberg, H. (1974): Der Einfluß zunehmen-der Bebauung auf den Hochwasserabfluß (Insti-tut für Hydrologie und Wasserwirtschaft, Uni-versität Karlsruhe, Heft 4). Karlsruhe.

Wood, E.F., Sivapalan, M. & Beven, K.J. (1990):Similarity and scale in catchment storm response.Reviews of Geophysics, 28, 1– 18.

Zuidema, P.K. (1985): Hydraulik der Abflussbil-dung während Starkniederschlägen (Mitteilun-gen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrolo-gie und Glaziologie, ETH Zürich, 79). Zürich.

135

An

han

g

Anhang

A QUELLEN DER RÄUMLICHEN DATEN

Tab. A.1 Digitale räumliche Gebietsinformation für die Untersuchungsgebiete

Topographie Landnutzung Böden

Körsch Digitales Höhenmodell,Landesvermessungsamt Baden-Württemberg,Stuttgart(Rasterdaten: 50 × 50 m)

Daten zur Bodenbedeckung, Corine,Statistisches Bundesamt,Wiesbaden(Vektordaten: 1:100000)

Topographischer Atlas über das Großherzogtum Baden (1844),Landesvermessungsamt Baden-Württemberg,Stuttgart (Karte 1: 50000)

Digitale Bodenübersichtskarte BÜK 200, Landesamt für Geo-logie, Rohstoffe und Bergbau,Baden-Württemberg, Freiburg(Vektordaten 1:200000)

Lein s.o. s.o.

Topographische Karte aus dem Königreiche Württemberg (1836),Landesvermessungsamt Baden-Württemberg,Stuttgart (Karte 1: 50000)

s.o.

Lenne Digitales Höhenmodell,LandesvermessungsamtNordrhein-Westfalen, Bonn(Rasterdaten: 50 × 50 m)

s.o.

Topographische Karte vom Rheinland und Westfalen (1841),LandesvermessungsamtNordrhein-Westfalen, Bonn(Karte 1:80000)

Digitale Bodenkarte BK 50, Geologisches Landesamt Nor-drhein-Westfalen, Krefeld(Vektordaten 1: 50000)

Anhang

136

B METEOROLOGISCHE UND HYDROLOGISCHE ZEITREIHEN

1 Temperatur, Relative Feuchte, Windgeschwindigkeit2 Sonnenscheindauer

ID: StationskürzelRW: Rechtswert in Gauss-Krüger-KoordinatenHW: Hochwert in Gauss-Krüger-Koordinaten∆t: Zeitliche Auflösung (d: Tageswerte; h: Stundenwerte oder höher)

DWD: Deutscher Wetterdienst, OffenbachH: Kommunaler Messverband, verwaltet vom Tiefbauamt HeilbronnLfU: Landesanstalt für Umweltschutz, Karlsruhe

Tab. B.1 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Lein

ID Stationsname Betreiber RW HW Höhe Jahre ∆t

Abflusspegel

fr Frankenbach LfU 1457 3512773 5446792 158 80– 97 h

sa Schwaigern LfU 2447 3504186 5444698 181 81– 97 h

Niederschlagsstationen

ep Eppingen DWD 71747 3494162 5443532 210 70– 97 d

hl Heilbronn-Böckingen DWD 71416 3513130 5445768 195 70– 97 d

hr Heilbronn DWD 71414 3516777 5445777 167 70– 97 d

pa Pfaffenhofen, Kreis Heilbronn DWD 71405 3498539 5436857 207 70– 97 d

rb Rappenau, Bad Bonfeld DWD 71421 3505827 5453540 198 70– 97 d

si Schwaigern – Stetten a. H. DWD 71418 3501459 5443529 193 70– 97 d

ek Eppingen-Kleingartach H 69180006 3497200 5440620 227 80– 97 h

hk Heilbronn – Kirchhausen H 69200004 3509080 5449400 195 80– 97 h

lg Leingarten – Großgartach H 69200011 3509490 5445640 174 82– 97 h

mb Massenbach – Bauhof H 69200007 3503150 5448550 220 80– 97 h

sg Schwaigern – Stetten a. H. H 69200017 3500770 5443570 193 80– 97 h

Klimastationen

eg Eppingen1 DWD 2691 3494162 5443532 210 70– 97

hi Heilbronn1 DWD 2689 3516777 5445777 167 70– 97

su Schwaigern – Stetten a. H.2 DWD 2517 3500770 5443570 193 82– 97

Meteorologische und hydrologische Zeitreihen

137

An

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g1 Niederschlag, Temperatur, Relative Feuchte, Sonnenscheindauer, Windgeschwindigkeit2 Globalstrahlung


DWD: Deutscher Wetterdienst, OffenbachL: Landesanstalt für Umweltschutz, KarlsruheUMEG: Gesellschaft für Umweltmessungen und Umwelterhebungen mbH

Tab. B.2 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Körsch


Abflusspegel

de Denkendorf LfU 4414 3526308 5397102 248 83– 98 h


es Esslingen/Neckar DWD 71167 3524509 5401328 236 69– 97 d

se Stuttgart-Echterdingen DWD 71171 3516000 5394500 371 69– 97 d

sr Stuttgart-Rohr DWD 71169 3507000 5398000 500 69– 97 d

sw Stuttgart (WA) DWD 71175 3513476 5403143 286 69– 84 d

ai Aichwald-Aichschieß-Kl.anl. L 73220010 3529670 5401960 347 81– 91 h

gr Grötzingen L 73200098 3520970 5388400 300 78– 87 h

nk Nürtingen-Kläranlage L 73200099 3524900 5389120 270 78– 87 h

ws Wolfschlugen L 61336 3521970 5390635 380 70– 9597– 98

dh

sv Stuttgart-Vaihingen-Univ. L 73200012 3507670 5400700 458 79– 97 h

en Esslingen UMEG 4446 3524650 5398925 240 90– 99 h

pg Plochingen UMEG 4448 3530600 5396850 250 94– 99 h

bb Böblingen UMEG 4450 3501100 5394840 445 93– 99 h

sf Stuttgart Hafen UMEG 4451 3519600 5401670 235 89– 99 h

Synopstationen

se Stuttgart-Echterdingen DWD 10738 3516000 5394500 371 80– 87 d

st Stuttgart-Schnarrenberg DWD 10739 3514500 5410000 314 80– 97 d

Klimastationen

se Stuttgart-Echterdingen1 DWD 2746 3516000 5394500 371 69– 97 d

sn Stuttgart-Neckartal1 DWD 2715 3516000 5405500 223 79– 97 d

st Stuttgart-Schnarrenberg2 DWD 2743 3514500 5410000 314 80– 97 d

Anhang

138

1 Niederschlag, Temperatur, Relative Feuchte, Windgeschwindigkeit2 Sonnenscheindauer3 Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit


DWD: Deutscher Wetterdienst, OffenbachRV: Ruhrverband, EssenStUA Siegen: Staatliches Umweltamt Siegen

Tab. B.3 Meteorologische und hydrologische Daten für das Einzugsgebiet der Lenne


Abflusspegel

ba Bamenohl RV 43 3428940 5670230 234 91– 9676– 97

hd

he Herrntrop-Hundem StUA Siegen 3437400 5661720 307 91– 97 h

ki Kickenbach StUA Siegen 3437070 5664120 282 91– 9761– 96

hd


at Attendorn DWD 78796 3424392 5665409 307 62– 97 d

fb Finnentrop-Bamenohl DWD 78765 3430038 5668667 250 62– 97 d

fl Finnentrop-Lenhausen DWD 78807 3426620 5674277 230 62– 97 d

kk Kirchhundem-Kohlh.-Wirme DWD 78739 3434795 5657478 420 62– 97 d

kw Kirchhundem Rh. Weserturm DWD 78735 3443933 5659596 684 62– 97 d

lb Lennestadt-Bilstein DWD 78756 3431363 5663086 320 62– 97 d

sh Schmallenberg-Fleckenberg DWD 78731 3448000 5666500 364 62– 94 d

ss Schmallenberg-Sellinghausen DWD 78581 3449005 5676231 435 62– 97 d

bm Bamenohl RV 11 3429290 5669910 235 74– 97 d

ho Holthausen oben RV 20 3453810 5671960 495 83– 97 d

le Lennestadt-Meggen Kläranl. RV 39 3433130 5665830 260 91– 9384– 97

hd

sc Schmallenberg Kläranlage RV 3449500 5668500 370 95– 97 d

Synopstationen

ka Kahler Asten DWD 10427 3463643 5671657 839 90– 97 d

lu Lüdenscheid DWD 10419 3404298 5676870 444 91– 93 d

Klimastationen

ka Kahler Asten1, 2 DWD 1594 3463643 5671657 839 62– 97 d

la Lennestadt-Altenhundem1 DWD 1597 3435593 5665257 300 62– 97 d

lu Lüdenscheid2, 3 DWD 1168 3404298 5676870 444 91– 97 d

Im Rahmen der Arbeit entstandene Publikationen

139

An

han

g

C IM RAHMEN DER ARBEIT ENTSTANDENE PUBLIKATIONEN

Anmerkung: Die meisten der Publikationen sindunter meinem bisherigen Namen Daniel Katzen-maier entstanden.

Becker, A., Güntner, A. & Katzenmaier, D.(1999): Required integrated approach to under-stand runoff generation and flow path dynamicsin catchments. In: Leibundgut, C., McDon-nell, J. & Schultz, G. (Eds.): Integrated me-thods in catchment hydrology – tracer, remotesensing and new hydrometric techniques (IAHSPublication no. 258), Wallingford, 3– 9.

Bronstert, A., Bárdossy, A., Bismuth, C., Bu-iteveld, H., Busch, N., Daamen, K., Disse,M., Engel, H., Fritsch, U., Katzenmaier, D.& Lammersen, R. (2001): Quantifizierung desEinflusses von Landnutzung und Flußausbau aufHochwasser im Einzugsgebiet des Rheins (StudieLAHoR). In: Internationale Kommission zumSchutze des Rheins (IKSR) (Ed.): (Drittes Inter-nationales Rheinsymposium – Ökologie undHochwasservorsorge), in press.

Bronstert, A., Buiteveld, H., Disse, M.,Fritsch, U., Katzenmaier, D., Lammersen, R.& Theisen, H.-W. (2000): Quantifizierung desEinflusses der Landoberfläche und der Ausbau-maßnahmen am Gewässer auf die Hochwasser-bedingungen im Rheingebiet unter besondererBerücksichtigung von Landbedeckung und mög-lichen Klimaänderungen (LAHoR) (URL: http://www.pik-potsdam.de/mantle/lahor).

Bronstert, A., Bürger, G., Heidenreich, M.,Katzenmaier, D. & Köhler, B. (1999): Effectsof climatic change influencing storm runoff ge-neration: basic considerations and a pilot study inGermany. In: Balabanis, P., Bronstert, A., Ca-sale, R. & Samuels, P. (Eds.): The impact of cli-mate change on flooding and sustainable rivermanagement (Proceedings of the final RIBA-MOD Workshop, Wallingford, 26– 27 February1998, European Commission, DG XII, Environ-ment and Climate Programme), Luxembourg,325– 340.

Bronstert, A., Fritsch, U. & Katzenmaier, D.(2001): Quantifizierung des Einflusses der Land-nutzung und -bedeckung auf den Hochwasserab-fluss in Flussgebieten unter Berücksichtigung deraktuellen Bodenbearbeitung, des Zustandes derVegetationsdecke und möglicher Klimaänderun-gen (Abschlussbericht eines Projektes im Auftragdes Umweltbundesamtes, Förderkennzeichen297 24 508). Potsdam.

Bronstert, A., Fritsch, U., Katzenmaier, D.& Bismuth, C. (2000): Quantification of the in-fluence of the land surface and river training onflood discharge in the Rhine basin (Kassel Re-ports of Hydraulic Engineering, No.9/2000). In:Tönsmann, F. & Koch, M. (Eds.): River FloodDefence, Kassel, H41– H48.

Bronstert, A. & Katzenmaier, D. (2001): Therole of infiltration conditions for storm runoffgeneration at the hillslope and small catchmentscale. In: Leibundgut, Ch. & Uhlenbrook, S.(Eds.): Freiburger Schriften zur Hydrologie, inpress.

Bronstert, A., Niehoff, D. & Bürger, G.(2001): Effects of climate and land-use change onstorm runoff generation: present knowledge andmodelling capabilities. Hydrological Processes,accepted.

Fritsch, U., Katzenmaier, D. & Bronstert, A.(2000): Land-use and land-cover scenarios forflood risk analysis and river basin management.In: Bronstert, A., Bismuth, C. & Menzel, L.(Eds.): European conference on advances in floodresearch (PIK Report No. 65), Potsdam, 266– 275.

Fritsch, U., Katzenmaier, D. & Menzel, L.(1999): Land use scenarios for flood risk assess-ment studies. In: Musy, A., Pereira, L.-S. &Fritsch, M. (Eds.): Emerging technologies for

Anhang

140

sustainable land use and water (2. Inter-RegionalConference on Environment-Water, Sept. 1– 3,1999 at EPFL, Lausanne, Switzerland), Lausanne.

Katzenmaier, D. (1997): Modellierung dezent-raler Hochwasserschutzmaßnahmen (Diplomar-beit am Institut für Hydrologie der Albert-Lud-wigs-Universität, Freiburg im Breisgau). Freiburgim Breisgau.

Katzenmaier, D. & Bronstert, A. (2001): In-fluences of land-use and land-surface conditionson flood generation: a simulation study. In: Sie-ker, F., Marsalek, J. & Zeman, E. (Eds.):NATO workshop on source control measures forstormwater runoff, in press.

Katzenmaier, D., Fritsch, U. & Bronstert, A.(2000): Influences of land-use and land-coverchanges on storm-runoff generation. In:Bronstert, A., Bismuth, C. & Menzel, L.(Eds.): European conference on advances in floodresearch (PIK Report No. 65), Potsdam, 276– 284.

Katzenmaier, D., Fritsch, U. & Bronstert, A.(2001): Quantifizierung des Einflusses von Land-nutzung und dezentraler Versickerung auf dieHochwasserentstehung. In: Heiden, S. Erb, R. &Sieker, F. (Eds.): Hochwasserschutz heute –Nachhaltiges Wassermanagement (DeutscheBundesstiftung Umwelt, Initiativen zum Um-weltschutz 31), Erich Schmidt Verlag, Berlin,327– 357.

Menzel, L., Niehoff, D., Bürger, G. &Bronstert, A. (2001): Climate change impactson river flooding: a modelling study of threemeso-scale catchments. Advances in GlobalChange Research, accepted.

Niehoff, D. & Fritsch, U. (2001): Influences ofland-use and land-cover changes on storm-runoffgeneration. Hydrology and Earth System Sci-ences, submitted.

141

Sach

wo

rtve

rzei

chn

is

Sachwortverzeichnis

AAbflussbeiwert 36, 39–40, 42–43, 81,

93, 112, 116

Abflussbildung 3, 5–15, 17–18, 24, 63,

111–112, 115–116, 121–122

Abflusskomponente 7–9, 12, 26, 45,

59, 74–75, 77–78, 80, 83–84, 115

Abflusskonzentration 45, 84

Abflussregime 112

Abflussrouting 45

Ablauf einer Hochwasserwelle 4, 14,

45, 114

Abstandsgewichtete Interpolation 47

Abwasser 57–58, 62

Ackerland 15–18, 35, 42, 48, 55, 61–

63, 65–67, 91–93, 99–100, 121–

122

Agenda 2000 99, 101

Aggregierung

– räumlich 24, 57, 114

– zeitlich 90

Aktionsplan Hochwasser 105

Altlasten 106

Anfangsbedingungen 4, 7, 24, 73, 76,

80–81, 83, 92, 96, 107–109, 114,

119–121

Anthropogener Eingriff 1–2, 5, 13–14,

17, 19, 38–39, 101, 106

Aufforstung 18, 101–102

Auslaufkonstante 54, 60, 113, 116

BBasisabfluss 11, 39, 45, 49, 54, 58–60,

62, 84–85, 109, 115–116, 122

Beobachtungsmaßstab 23

Beregnungsversuch 15, 55, 65, 104–

105, 122

Bevorzugter Fließweg 10–11, 49, 51–

54

Blattflächenindex 4, 15, 18, 47–48,

103

Bodenbearbeitung 1, 8, 13, 16–17, 19,

99, 102

Bodeneigenschaften– Aggregatstabilität 55, 102

– Gefüge 16, 54–55, 102, 113

– Makroporosität 8, 16, 20, 53–54,

60–61, 63–64, 102–104

– Substrat 11, 16, 19–20, 113

– Verschlämmungsneigung 16, 37,

55, 104

Bodenfeuchte 4, 7–8, 12–14, 16, 19,

23–24, 26, 42, 49–50, 53–54, 57,

64, 67, 69, 73–74, 76, 80–81, 83,

87, 92–93, 96, 107–109, 114–116,

119–121

Bodenmatrix 7–8, 11, 15, 25, 49, 52–

54, 58, 60, 64, 68, 87

Bodenverdichtung 10, 16–20, 54,

112–113

Bodenwasser 7–8, 10, 13, 24–26, 49,

52, 58

Bypass flow 8

CChannel storage 13

DDezentraler Rückhalt 4, 45, 61–62, 67–

69

Direktabfluss 9, 45, 49, 57–59, 74, 83,

107, 116–117

Direktsaat 16–17

Disaggregierung 70–71, 79, 114

Double-porosity approach 7

Downscaling 5

Dunnescher Oberflächenabfluss 10–11

EEinzellinearspeicher 45

Ereigniseigenschaften 3–4, 7, 122

Erosion 8, 15–17, 38, 103, 105, 113,

121–122

Europäische Union 99

Evaporation 48

Evapotranspiration 4, 7, 23–24, 26, 45,

47

FFalllinie 17–18

Festgestein 10, 43, 67, 113, 120

Fließprozess 3–4, 7–12, 14–15, 20, 23,

25, 113–114, 119, 122

Flurbereinigung 1, 5, 17–18, 21

Forstwirtschaft 13, 20

GGebietseigenschaften 2–5, 7, 11–13,

23–24, 27, 45, 63, 67, 111, 121

Gerinnespeicherung 13

Gewässerausbau 1

Gewässernetz 3–7, 11–12, 27, 35, 38,

42, 45, 58, 113–114, 117

Groundwater ridging 11

Grundwasser 4, 7–8, 11, 17, 26, 35,

38, 41–42, 49, 59–60, 62, 115, 119

Sachwortverzeichnis

142

Grundwasserabstrom 59, 62

Grundwasserentnahme 59–60, 62

Grundwasserneubildung 7, 23, 115

HHaftwasser 7

Hangmaßstab 8, 11, 17–18, 23, 55

Heterogenität 8, 12, 19, 23–24, 57,

115, 119

Hillslope hydrology 8

Hochwasserentstehung 3

Hochwasserwelle 4, 14, 45, 114

Hortonscher Oberflächenabfluss 9–11,

115

Hydraulische Leitfähigkeit 8, 10–11,

23, 37–38, 49, 51–53, 55, 58–62,

65, 67, 69, 73, 77, 88, 104–105,

112–113, 115

Hydrologische Modellierung– Konzeptionelles Modell 25, 45,

49–54, 57, 59, 113, 116

– Physikalisch begründetes Modell 25–26, 45

IInfiltration 7–11, 13, 15–16, 19, 23–

24, 45, 49, 55–57, 73, 79–80, 87,

90, 101–104, 111–112, 114–115,

117, 120

Infiltration-excess overland flow 9

Infiltrationskapazität 19, 64, 88, 102–

103, 107

Infiltrationsüberschuss 6, 9, 16, 49,

53–54, 57–60, 74, 77, 81, 83, 87,

90, 99, 101, 104–105, 112, 115,

117, 121–122

Interflow 8, 45, 49, 54

Interzeption 4, 7, 13, 15, 18–21, 24,

26, 45, 47–48, 58, 120

Interzeptionsspeicherkapazität 15, 18–

20, 47

Inverse distance weighting 47, 71

JJahreszeit 12–13, 15, 20

Jährlichkeit 4–5, 13–14, 20, 36, 40, 43,

76, 78–79, 81, 84–85, 92, 109,

120–122

KKanalisation 14, 45, 57, 61–62, 65–66,

68, 74, 77, 83, 90, 92–93, 96, 107–

108, 121–122

Kapillarkräfte 7, 11, 50

Kinematic pressure wave effect 10

Kläranlage 57–58, 66, 68, 122

Konzeptionelles Modell 25, 45, 49–54,

57, 59, 113, 116

LLandbedeckung 13–14, 20–22

Landnutzung– Definition 13

– Kategorien 13

Landnutzungsänderung 2, 5, 22–24,

26, 73, 78, 111–112, 114–115, 122

Landnutzungsszenario 22, 119

Landschaftselement 5, 17, 21

Landwirtschaft 8, 13–19, 21, 57, 61,

65, 121–122

Lateraler Fließprozess 8, 10–11, 15,

26, 49, 54

MMakroporenfluss 6, 8–11, 16, 23, 26,

45, 52–55, 58, 60–61, 63–64, 68–

69, 73, 87–88, 103, 119, 122

Maßstabsabhängigkeit 5

Matrixfluss 6, 8–11, 49, 52, 64, 87

Mischwasser 83

Mischwasserbecken 57–58, 60–62, 66,

68

Mulchsaat 16, 103–105

NNachbarschaftsanalyse 22

Niederschlag– Dauer 6, 13

– Intensität 6, 13

– Typ 6, 12, 14

Niederschlagsversickerung in

Siedlungsgebieten 58–59, 67, 69,

105–109, 120

OOberflächenabfluss 8–12, 15, 17–19,

23–24, 45, 49–50, 55, 74, 83, 105,

112–113, 115, 122

– Dunnescher 6

– Hortonscher 6

Overland flow 9

PPedon 7

Perkolation 8, 52, 117

Persistenz 7

Pflanzenverfügbares Wasser 7, 49–50,

58

Pflugbearbeitung 16–17

Pflugsohle 17

Phänologie 13, 48, 56

Physikalisch begründetes Modell 25–

26, 45

Pipe flow 8, 11, 26

Piston flow effect 10

Porensysteme– Feinpore 7, 16

– Grobpore 7

– Makropore 7, 16

– Mikropore 7

– Mittelpore 7, 16

– Primärpore 16

– Sekundärpore 16

Pre-event water 11

Preferential pathway 10, 49

RRandbedingungen 2, 4, 7, 10, 12, 24,

59, 63, 69, 96, 111, 119–122

Räumliche Lage 22–24, 26

Raumskala 6

Regionalisierung 5, 111

Re-Infiltration 121–122

Return flow 9–10

SSättigungsoberflächenabfluss 10–12,

23, 49–50, 74, 83, 115

Sättigungsüberschuss 6, 10, 53–54,

58–59, 62, 67, 78, 87

Saturation-excess overland flow 10

Sickerwasser 7, 49

Siedlung 13–15, 35, 39, 42, 48, 56–57,

61, 65–66, 73–74, 81–86, 90–98,

101–102, 105–108, 119–120

Siltation 54

143

Sach

wo

rtve

rzei

chn

is

Skalen– Arbeitsskala 6–7

– Beobachtungsmaßstab 5

– Ereignismaßstab 6–7, 9

– Hangskala 6, 8, 11, 17–18, 23, 55

– Lokale Skala 6–7, 15

– Makroskala 6, 12

– Mesoskala 6, 12

– Mikroskala 6, 12

– Modellierungsmaßstab 5–6

– Prozessmaßstab 5

– Raumskala 6

– Saisonaler Maßstab 6

– Zeitskala 6

Skalenproblematik 4–6

Stilllegung landwirtschaftlicher Fläche 99–101

Subsurface stormflow 6, 9–10

TTalwegerosion 17

Tiefenperkolation 8, 52, 117

Topographie 4, 12, 22, 27, 29, 36, 42–

43, 46, 74, 121, 135

Topologie 22

Translatory flow 10

Transpiration 50

UUpscaling 5

Urbanisierung 5, 14, 77, 81, 92, 94–99,

108–109, 113

VVariabilität 8, 12, 16, 23–24, 71, 73,

112, 114–115, 119, 122

Vegetationsbedeckungsgrad 4, 15, 21,

47–48, 55–56, 61, 64–65, 99–100,

103–105

Verdichtung des Bodens 10, 16–20, 54,

112–113

Verdunstung 4, 7, 23–24, 26, 45, 47–

48, 50

Verschlämmung 10, 16, 37, 45, 54–56,

60–62, 64–65, 69, 103–105, 113,

121

Versickerungsmaßnahmen 58–59, 67,

69, 105–109, 120

Versiegelung 1, 10, 14–15, 18, 20–21,

45, 56, 60–61, 65, 69, 76, 79, 81,

86, 96–98, 105, 108, 113, 115,

120–121

Versiegelungsgrad 14, 21, 35, 57–58,

60–61, 65–66, 83, 93, 96, 98, 105,

115–116

Verstädterung 5, 14, 77, 81, 92, 94–99,

108–109, 113

Vertikaler Fließprozess 7, 26, 45, 49,

51, 53

Vorfeuchte 42, 64, 67, 69, 76, 80–81,

83, 92, 96, 107–109, 114, 119–121

WWald 1, 13–14, 18–20, 27, 35, 39, 42,

48, 61, 63, 67, 76, 91–93, 101–

103, 113, 120

Wellenablauf 4, 14, 45, 114

Witterung 7, 12–13, 76–77, 102, 114,

122

Wurzelzone 49, 58

ZZwischenabfluss 8, 45, 49, 54

Sachwortverzeichnis

144

Documents

Daniel Niehoff Modellierung des Einflusses der Landnutzung ... · PDF fileDr. Peter Ackermann, Wolfgang Beier, Dr. Christine Böckmann, ... 601553, 14415 Potsdam, e-mail: [email protected]