Wasserhaushaltsmodellierung des Windacheinzugsgebietes mit … · 2018. 4. 17. · Windacheinzugsgebietes mit WaSiM-ETH und Ermittlung des Einflusses von Dränagen auf den Hochwasserabfluss

Wasserhaushaltsmodellierung des Windacheinzugsgebietes mit WaSiM-ETH und

Ermittlung des Einflusses von Dränagen auf den Hochwasserabfluss

Diplomarbeit im Fach Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz

Studiengang Bauingenieurwesen der

Universität der Bundeswehr – München

cand. ing. Frank Schirmer

Erstprüfer: Prof. Dr. Ing. M. Disse Zweitprüfer: Prof. Dr. Ing. F. W. Günthert

Bearbeitungszeitraum: 11. Feb 2008 bis 18. Apr 2008

Inhaltsverzeichnis 3

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................3

Abbildungsverzeichnis.................................................................................................6

Tabellenverzeichnis......................................................................................................8

Abkürzungsverzeichnis................................................................................................9

Aufgabenstellung........................................................................................................10

1 Einleitung..........................................................................................................11 1.1 Nachhaltiger Hochwasserschutz in Bayern .......................................................12 1.2 Zielstellung.........................................................................................................14

2 Hydrologische Grundlagen.............................................................................15 2.1 Der Niederschlag-Abfluss-Prozess ....................................................................15 2.1.1 Abflussbildung....................................................................................................17 2.1.2 Abflusskonzentration..........................................................................................18 2.1.3 Flood Routing.....................................................................................................18 2.2 Wasserbewegungen im Boden ..........................................................................19 2.2.1 Definition von Begriffen......................................................................................19 2.2.2 Prozesse der Wasserbewegung ........................................................................19

3 Einfluss von Dränagen auf die Abflussbildung ............................................25 3.1 Allgemeines .......................................................................................................25 3.2 Geschichte der Dränagen ..................................................................................25 3.3 Grabenentwässerung.........................................................................................26 3.4 Arten von Dränagen...........................................................................................28 3.4.1 Rohrdränung ......................................................................................................28 3.4.2 Rohrlose Dränung..............................................................................................34 3.4.3 Unterbodenmelioration.......................................................................................36 3.5 Eigenschaften und Auswirkungen von Dränagen ..............................................38 3.5.1 Funktionsdauer ..................................................................................................38 3.5.2 Wirkungsweise...................................................................................................38 3.5.3 Entwässerung ....................................................................................................39 3.5.4 Durchlüftung.......................................................................................................40 3.5.5 Austrag von Stoffen ...........................................................................................41 3.5.6 Zusammenfassung ............................................................................................41 3.6 Einfluss der Bearbeitungsformen.......................................................................41 3.6.1 Konventionelle Bodenbearbeitung .....................................................................42


3.6.2 Konservierende Bodenbearbeitung ...................................................................42 3.7 Einfluss der Dränagen auf die Abflussbildung ...................................................43 3.7.1 Abflussreduzierende Wirkung ............................................................................44 3.7.2 Abflussverschärfende Wirkung ..........................................................................45 3.7.3 Zusammenfassung ............................................................................................46 3.8 Bewertung und Folgerungen..............................................................................47

4 Das Einzugsgebiet der Windach ....................................................................48 4.1 Allgemeines .......................................................................................................48 4.2 Charakterisierung des Einzugsgebietes ............................................................49 4.2.1 Klima ..................................................................................................................49 4.2.2 Hydrologie..........................................................................................................49 4.2.3 Geologie.............................................................................................................52 4.2.4 Boden.................................................................................................................53 4.2.5 Landnutzung ......................................................................................................57 4.3 Dränagen ...........................................................................................................58 4.3.1 Geschichtlicher Hintergrund...............................................................................59 4.3.2 Dränlage im Windachgebiet...............................................................................59 4.3.3 Bodenlage im nördlichen Windachgebiet...........................................................61 4.3.4 Zusammenfassung und Folgerungen ................................................................64

5 Das Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH .....................................................65 5.1 Niederschlag- Abfluss- Modelle .........................................................................65 5.2 Modellbeschreibung WaSiM-ETH......................................................................66 5.3 Notwendige Daten .............................................................................................69 5.4 Modellparameter ................................................................................................70 5.5 Das Dränagemodul ............................................................................................70 5.6 Bewertung..........................................................................................................72

6 Datengrundlage und Preprocessing ..............................................................73 6.1 Modellierungszeitraum.......................................................................................73 6.2 Rohdaten ...........................................................................................................73 6.2.1 Datenbeschaffung..............................................................................................74 6.2.2 Dränagepläne ....................................................................................................74 6.2.3 Begehung im Einzugsgebiet ..............................................................................75 6.2.4 Meteorologische Daten ......................................................................................77 6.3 Datenaufbereitung .............................................................................................78 6.3.1 Abflussdaten ......................................................................................................79 6.3.2 Meteorologische Daten ......................................................................................80 6.3.3 Bearbeitungsmethoden in ArcGIS .....................................................................83 6.3.4 Digitales Geländemodell (DGM) ........................................................................83 6.3.5 Landnutzungskarte ............................................................................................84 6.3.6 Bodenkarte.........................................................................................................86 6.3.7 Dränagekarte .....................................................................................................88


6.4 Erzeugung der Sekundärdaten ..........................................................................90 6.4.1 ASGi...................................................................................................................90 6.4.2 Aufbereitung der Sekundärdaten .......................................................................92 6.4.3 Erzeugung des Teileinzugsgebietes Finning .....................................................93 6.5 Die Steuerdatei ..................................................................................................94 6.5.1 Aufbau der Steuerdatei ......................................................................................94 6.5.2 Anpassung der Steuerdatei ...............................................................................95

7 Modellierung.....................................................................................................98 7.1 Notwendige Schritte...........................................................................................98 7.2 Kalibrierung........................................................................................................99 7.2.1 Automatisierte Kalibrierung................................................................................99 7.2.2 Manuelle Kalibrierung ......................................................................................100 7.2.3 Vorgehensweise bei der manuellen Kalibrierung.............................................100 7.2.4 Durchlauf 1.......................................................................................................101 7.2.5 Durchlauf 2.......................................................................................................103 7.3 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse ........................................105

8 Ergebnisse und Postprocessing ..................................................................106 8.1 Eingangsdaten .................................................................................................106 8.2 Modellergebnisse.............................................................................................107 8.2.1 Abflussergebnisse mit Dränagemodul (mdr)....................................................107 8.2.2 Abflussergebnisse ohne Dränagemodul (odr) .................................................108 8.3 Bewertung der Ergebnisse...............................................................................109 8.3.1 Abschnittsweise Betrachtung der Ereignisse...................................................110 8.3.2 Zusammenfassung und Bewertung .................................................................112

9 Zusammenfassung und Ausblick.................................................................113 9.1 Mögliche Maßnahmen zur Regulierung ...........................................................113

Anhang A: VBA Algorithmen ...................................................................................115 A.1 Aufbereitung der Meteorologischen Daten ......................................................115 A.2 Aufbereitung der Landnutzungskarte mit Wald................................................116 A.3 Aufbereitung der Bodenkarte ohne Wald.........................................................117 A.4 Aufbereitung der Bodenkarte - Wald................................................................119 A.5 Aufbereitung der Bodenkarte – ohne Wald......................................................120

Anhang B: Steuerdatei .............................................................................................122

Literaturverzeichnis..................................................................................................123

Erklärung ...................................................................................................................126

Abbildungsverzeichnis 6

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1 Handlungsfelder im Hochwasserschutz ............................................12 Abbildung 2.1 Niederschlag-Abfluss-Prozess ..........................................................15 Abbildung 2.2 Blattflächenindizies (LAI)...................................................................16 Abbildung 2.3 Kapillarporenmodell...........................................................................21 Abbildung 2.4 Wasserspannungskurve....................................................................22 Abbildung 2.5 Filtergesetz nach Darcy.....................................................................23 Abbildung 3.1 Herstellungsverfahren von Dränagen................................................26 Abbildung 3.2 Grabenentwässerung........................................................................27 Abbildung 3.3 Dränmethoden ..................................................................................28 Abbildung 3.4 Quer- und Längsdränung ..................................................................29 Abbildung 3.5 Dränagen mit natürlichem bzw. künstlichem Gefälle ........................29 Abbildung 3.6 Oberflächenentwässerung durch Zusatzbauwerke ...........................30 Abbildung 3.7 Schema zur Dränweitenbestimmung ................................................32 Abbildung 3.8 Nomogramm zur Bestimmung des Dränabstandes ..........................32 Abbildung 3.9 Nomogramm zur Bestimmung des Dränabstandes .........................33 Abbildung 3.10 Beispiel einer Dränabteilung .............................................................34 Abbildung 3.11 Rohrlose Dränung .............................................................................35 Abbildung 3.12 Lageplan einer kombinierten Dränung ..............................................35 Abbildung 3.13 Tieflockern.........................................................................................36 Abbildung 3.14 Strom- und Potentiallinienbild............................................................38 Abbildung 3.15 Strömung des Wassers zum Dränrohr ..............................................40 Abbildung 3.16 Wirkung von Dränagen auf die Abflussbildung .................................43 Abbildung 3.17 Jahreszeitlich schwankender Einfluss von Dränagen auf die

Abflussbildung bei Tonböden in Südengland ....................................44 Abbildung 3.18 Vergleich gemessener Abflüsse mit berechneten Abflüssen bei

sandig-lehmigen Böden.....................................................................45 Abbildung 3.19 Wirkung der Bodenarten auf die Dränabflüsse .................................47 Abbildung 4.1 Das Einzugsgebiet der Windach .......................................................48 Abbildung 4.2 Das Gewässernetz der Windach.......................................................50 Abbildung 4.3 Die Gewässergüte der Windach........................................................51 Abbildung 4.4 Bodenkarte des Windacheinzugsgebietes ........................................53 Abbildung 4.5 Bodentypenverteilung im Einzugsgebiet der Windach......................55 Abbildung 4.6 Prozentuale Landnutzungsverteilung im Einzugsgebiet der

Windach ............................................................................................58 Abbildung 4.7 Dränageflächen im nördlichen Teileinzugsgebiet der Windach ........60 Abbildung 4.8 Bodentypenverteilung der Dränageflächen.......................................62 Abbildung 5.1 Modellstruktur des WaSiM-ETH........................................................68 Abbildung 5.2 Benötigte Ausgangsdaten .................................................................69 Abbildung 5.3 Darstellung des Dränagemoduls .......................................................71 Abbildung 6.1 Detailplan einer Dränagefläche.........................................................75 Abbildung 6.2 Dränageplan der Gemarkung Hechenwang......................................76 Abbildung 6.3 Dränagefläche der Gemarkung Hechenwang...................................77

Abbildungsverzeichnis 7

Abbildung 6.4 Standorte der agrarmeteorologischen Messstationen.......................78 Abbildung 6.5 Gebietsabflussspende Pegel Greifenberg Juli/03 - Oktober/04 ........79 Abbildung 6.6 Koordinatentransformation................................................................80 Abbildung 6.7 Niederschläge im Untersuchungsjahr pro Tag..................................82 Abbildung 6.8 Regression der aufgezeichneten Niederschläge...............................82 Abbildung 6.9 Digitales Geländemodell des Windachgebietes................................84 Abbildung 6.10 Digitale Landnutzungskarte des nördlichen Windachgebietes.........85 Abbildung 6.11 Digitale Bodenkarte des Windachgebietes........................................87 Abbildung 6.12 Dränageflächen im nördlichen Teileinzugsgebiet..............................89 Abbildung 6.13 Erstellung der Sekundärdaten mit ASGi............................................91 Abbildung 6.14 Erstellung der Sekundärdaten mit ASGi............................................92 Abbildung 6.15 Teileinzugsgebiet Finning..................................................................93 Abbildung 6.16 Grundprinzip des Aufbaus der Steuerdatei .......................................95 Abbildung 7.1 Abflüsse, Durchlauf 1 ......................................................................102 Abbildung 7.2 Teilabflüsse, Durchlauf 1.................................................................103 Abbildung 7.3 Abflüsse, Durchlauf 2 ......................................................................104 Abbildung 7.4 Teilabflüsse, Durchlauf 2.................................................................105 Abbildung 8.1 Abflüsse mit Dränagemodul am Pegel Greifenberg ........................108 Abbildung 8.2 Abflüsse ohne Dränagemodul am Pegel Greifenberg.....................108 Abbildung 8.3 Direktabfluss mit und ohne Dränagemodul .....................................109 Abbildung 8.4 Interflow mit und ohne Dränagemodul ............................................110 Abbildung 8.5 Abflussverhalten I. Quart.................................................................110 Abbildung 8.6 Abflussverhalten II. Quart................................................................111 Abbildung 8.7 Abflussverhalten III. Quart...............................................................111 Abbildung 8.8 Abflussverhalten IV. Quart. .............................................................112

Tabellenverzeichnis 8

Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1 Hydraulische Eigenschaften der Bodenarten....................................20 Tabelle 2.2 Hydraulische Eigenschaften des Bodenkörpers................................21 Tabelle 4.1 Gewässerkundliche Hauptwerte der Windach am Pegel

Greifenberg .......................................................................................51 Tabelle 4.2 Gemessene Höchstabflüsse der Windach am Pegel Greifenberg ....52 Tabelle 4.3 Jährlichkeiten der Höchstabflüsse im Windacheinzugsgebiet für

den Pegel Greifenberg ......................................................................52 Tabelle 4.4 Einstufung der Durchlässigkeiten......................................................54 Tabelle 4.5 Bodentypen im Einzugsgebiet...........................................................55 Tabelle 4.6 Landnutzungsverteilung im Einzugsgebiet der Windach...................57 Tabelle 4.7 Landwirtschaftlich Flächennutzung Gemarkung Finning...................61 Tabelle 4.8 Bodentypenverteilung der Dränageflächen.......................................61 Tabelle 4.9 Eigenschaften des Bodenkörpers der Dränflächen nach der

Standortkundlichen Bodenkarte Bayerns ..........................................63 Tabelle 6.1 Verwendete Pegel .............................................................................79 Tabelle 6.2 Koordinatentransformation der Messstationen..................................80 Tabelle 6.3 Aufbau der Zeitreihen am Beispiel der Niederschlagstabelle............81 Tabelle 6.4 Dateikopf der Datengrids...................................................................84 Tabelle 6.5 vorliegende und verwendete Landnutzungen ...................................86 Tabelle 6.6 Im Modell verwendete Bodencodes ..................................................88 Tabelle 7.1 Parametergrenzen.............................................................................99 Tabelle 7.2 Parameter, Durchlauf 1 ...................................................................101 Tabelle 7.3 Gütewerte, Durchlauf 1 ...................................................................102 Tabelle 7.4 Parameter, Durchlauf 2 ...................................................................104 Tabelle 7.5 Gütewerte, Durchlauf 2 ...................................................................104 Tabelle 8.1 Gegenüberstellung der Gütewerte ..................................................106 Tabelle 8.2 Verwendeter Parametersatz............................................................107 Tabelle 8.3 Gegenüberstellung der Gebietsabfussspendenvolumen ................107

Abkürzungsverzeichnis 9

Abkürzungsverzeichnis BMU Bundesministerium für Umwelt, Verbraucherschutz und Reaktorsicher-

heit

BMELV Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucher-schutz

LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser

UFZ Umweltforschungszentrum Halle

StMUGV Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbrau-cherschutz

FAL Bundesforschungsanstallt für Landwirtschaft

LfU Bayerisches Landesamt für Umwelt

LfL Bayerisches Landesamt für Landwirtschaft

LWF Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft

UB Unterboden

Aufgabenstellung 10

Aufgabenstellung Im Einzugsgebiet der Windach sind in den 1960’er und 70’er Jahren eine Vielzahl von Meliorationsmaßnahmen im Rahmen der Flurbereinigung durchgeführt worden. Der Schwerpunkt lag bei der Einbringung von unterirdischen Dränagen, um eine Steigerung der Erträge auf jahreszeitlich nur bedingt nutzbaren Flächen, durch Abführung größerer Niederschlagsvolumina zu bewirken. Diese umfangreich in Dränageplänen dokumentierten Maßnahmen stellen einen Eingriff in den Wasserhaushalt dieser Flächen dar. Gegenstand dieser Arbeit ist es, für das Einzugsgebiet der Windach ein hydrologisches Modell unter Verwendung von WaSiM-ETH aufzubauen und in einem weiteren Schritt den Einfluss der Dränagen, unter Berücksichtigung der standorttypischen Bedingungen, auf die Abflussbildung untersuchen.

1 Einleitung 11

1 Einleitung Zunehmend werden in unserer Zeit extreme Naturereignisse registriert, deren teilweise katastrophale Folgen regelmäßig in den Medien zu sehen sind. Hauptsächlich treten in unseren Breiten Sturmschäden und Schäden durch Niederschläge auf. Beispiele hier-für sind das Pfingsthochwasser 1999 und die Hochwasser im August 2002 sowie 2005. Andererseits ist gemäß BMU zukünftig in einigen Regionen Deutschlands, zum Bei-spiel in Teilen Frankens, Mecklenburgs oder Brandenburgs mit einer deutlichen Ver-schärfung der Trink- und Brauchwasserversorgung, aufgrund sich verändernder klima-tischer Bedingungen, zu rechnen.

Aufgabe der Hydrologie ist es unter anderem die Entstehung solcher Ereignisse zu untersuchen. Als Hilfsmittel dienen dabei häufig Niederschlag-Abfluss-Modelle, welche Niederschläge und ihre Auswirkung auf die Umwelt und andere Größen des Wasser-haushaltes abbilden. Es liegt im großen volkswirtschaftlichen sowie im öffentlichen Interesse Fragen über das Eintreten und die Dauer extremer Ereignisse zu beantwor-ten. Grundlage dafür ist die stetige Verbesserung der Vorhersagemöglichkeiten, um Prognosen abzugeben und so eine Planungsgrundlage für Maßnahmen jeglicher Art zu schaffen.

In niederschlagsreichen Zeiträumen, oder auch bei einzelnen, extremen Nieder-schlagsereignissen müssen teilweise gigantische Volumina möglichst schadlos abge-führt werden. In früheren Jahren wurde dabei hauptsächlich der Technische Hochwas-serschutz ausgeführt. Das Abflussverhalten der Gewässer wurde dabei durch Längs- und Querbauwerke beeinflusst und reguliert. Durch die rasche Fortentwicklung der Maßnahmen und den Einsatz leistungsfähiger Baumaschinen nimmt diese Säule den größten Teil der Schutzmaßnahmen ein. Durch das zunehmende Umweltbewusstsein der Gesellschaft und das Interesse an einer nachhaltigen und vielfältigen Umwelt, tra-ten zunehmend ökologische Gesichtspunkte in den Vordergrund. Die Entwicklung geht weg von den zum Teil kanalartig ausgebauten Gewässern, hin zu ihren ursprünglichen Formen und ist in der seit den Jahren 2000 verabschiedeten Wasserrahmenrichtlinie der Europäischen Gesellschaft verankert. Dem natürlichem Rückhalt kommt so wieder eine wachsende Bedeutung zu. Dieser stellt neben der Hochwasservorsorge und dem technischen Hochwasserschutz ein Handlungsfeld im modernen und nachhaltigem Hochwasserschutz in Bayern dar. Diese Zusammenhänge verdeutlicht Abbildung 1.1.

1 Einleitung 12

Abbildung 1.1 Handlungsfelder im Hochwasserschutz (StMUGV, 2008)

1.1 Nachhaltiger Hochwasserschutz in Bayern Hochwasserereignisse lassen sich nicht verhindern, jedoch kann durch geeignete Schutzmaßnahmen ihre teilweise katastrophale Wirkung reduziert, gemildert oder auch ganz verhindert werden. Einzelne örtliche Schutzmaßnahmen reichen dabei in der durch unsere Gesellschaft geschaffenen Umwelt mit all ihren Werten nicht aus, son-dern erfordern eine ganzheitliche nationale und auch staatenübergreifende Strategie, um bei Hochwasserereignissen die Probleme nicht nur einfach flussabwärts zu verla-gern.

Die Politik der Bundesregierung verfolgt das Ziel der Verständigung über ein gemein-sames Bund und Länder übergreifendes Hochwasserschutzkonzept. Durch die Län-derarbeitsgemeinschaft Wasser wurden deshalb die „Leitlinien für den zukunftsweisen-den Hochwasserschutz“ erarbeitet und vom Bundesministerium für Umwelt, Verbrau-cherschutz und Reaktorsicherheit für die Bundesrepublik zusammengefasst. Inhalt dieses fünf Punkte Programms zur Verbesserung des vorbeugenden Hochwasser-schutzes ist es, den Flüssen mehr Raum durch Deichrückverlegung zu geben, Hoch-wasser dezentral zurückzuhalten und Schadenspotentiale durch eine gesteuerte Sied-lungspolitik zu reduzieren (vgl. Bundes Ministerium für Umwelt, Verbraucherschutz und Reaktorsicherheit (BMU), 2008).

1 Einleitung 13

Gemäß BMU ruht moderner Hochwasserschutz demzufolge auf drei Säulen:

• Natürlicher Rückhalt/ vorbeugender Hochwasserschutz durch

o Wirksamen Schutz bestehender Auenwälder, oder Wiederherstellung,

o Renaturierung der Gewässer, ökologisch orientierte Gewässerunterhal-tung und -entwicklung, mit dem Ziel des Wasserrückhalts am Gewässer,

o Einrichtung „grüner“ Hochwasserrückhaltebecken,

o Erhöhten Wasserrückhalt in Siedlungen (Versickerung der Niederschlä-ge),

o Entsiegelung des Bodens sowie

o Standortgerechter Landnutzung.

• Technischer Hochwasserschutz durch

o Verstärkte Nutzung der Talsperren zur Hochwasserrückhaltung,

o Hochwasserrückhaltebecken und

o Bauliche Schutzmaßnahmen für Siedlungen, Anlagen und Infrastruktur

• Weitergehende Hochwasservorsorge durch

o Maßnahmen der Flächen-, Bau-, Verhaltens- und Risikovorsorge,

o Freihalten von Überschwemmungsflächen,

o Projektbezogene Hochwasserschutzplanungen,

o Warnsysteme und Schadensvorsorge sowie

o Alarm- und Einsatzplanung.

In Bayern wurden durch den kombinierten Hochwasserschutz seit Jahren gute Erfah-rungen gesammelt. Nach dem Pfingsthochwasser 1999 wurden die Maßnahmen ver-stärkt und am 08.05.2001 des „Hochwasserschutz-Aktionsprogramm 2020“ für das Main- und Donaueinzugsgebiet beschlossen. (Hochwasserschutz in Bayern Aktions-programm Bayern 2020, 2002) In diesem Aktionsprogramm werden alle wasserbauli-chen Maßnahmen zusammengefasst, überprüft und in Jahresprogramme gegliedert. Alle Schritte der Hochwasserschutzstrategie können damit berücksichtigt und aufein-ander abgestimmt werden, um sinnvoll ineinanderzugreifen. Bis zum Jahr 2020 plant der Freistaat Bayern, 2,3 Milliarden Euro in den Hochwasserschutz zu investieren.

Dem Ziel, den Wasserrückhalt in der Fläche zu erhöhen, stehen möglicherweise um-fangreiche Meliorations- und Dränagemaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen der vergangenen Jahrzehnte gegenüber. Viele dieser Flächen wären aller-dings ohne eine Entwässerung für eine Bewirtschaftung nur bedingt geeignet. Ob diese Dränagen auf Hochwasserabflüsse eine reduzierende oder verschärfende Wirkung haben, wird in der Wissenschaft kontrovers diskutiert. Im Rahmen des am 24.07.2007

1 Einleitung 14

verabschiedeten „Klimaprogramm Bayern 2020“ wurde eine dynamische Anpassung an den Klimawandel gefordert. Es verfolgt damit das Ziel, die nationalen und internati-onalen Anstrengungen zu ergänzen und zu verstärken, um dem Klimawandel und sei-nen Folgen noch wirksamer vorzubeugen zu können. Schon jetzt sind z.B. im Alpen-raum spürbare Veränderungen mit einem Temperaturanstieg von 1,5 °C in den letzten 100 Jahren zu verzeichnen (vgl. Klimaprogramm Bayern 2020, 2007). Die Zusammen-hänge zwischen Klimawandel und dem natürlichem Rückhalt werden im Projekt „Ent-wicklung einer Methodik zur Erstellung von Hochwasserrückhaltekonzepten unter Be-rücksichtigung des Klimawandels am Beispiel der Windach“ untersucht, das vom Baye-rischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz gefördert wurde. Hierbei soll besonders der Beitrag der dezentralen Maßnahmen zur Scheitel-minderung von Hochwasserabflüssen sowie die Wirkung zusätzlicher Rückhaltebecken im unteren Einzugsgebiet der Windach untersucht werden. In einem ersten Schritt soll der Ist-Zustand des Einzugsgebietes mit seinen Abläufen des hydrologischen Kreislau-fes in einem Niederschlag – Abfluss – Modell erfasst werden. Darauf aufbauend kön-nen vergangene Ereignisse simuliert, Auswirkungen veränderter Landnutzungen unter-sucht sowie Einflüsse des zu erwartenden Klimawandels ermittelt werden. In einem letzten Schritt soll im Projekt ein Hochwasserschutzkonzept für das Windacheinzugs-gebiet erstellt werden, bei dem technische und dezentrale Hochwasserschutzmaß-nahmen kombiniert werden und die prognostizierte Klimaänderung Berücksichtigung findet.

1.2 Zielstellung Diese Arbeit befasst sich mit dem Aufbau des Wasserhaushaltsmodells WaSiM-ETH für das Einzugsgebiet der Windach. Dieses Programms bietet die Möglichkeit, künstli-che Dränagen abzubilden. Mit Hilfe des kalibrierten Modells des Windacheinzugsgebie-tes soll der Einfluss der künstlichen Dränagen auf Hochwasserabflüsse nachgewiesen werden.

Das Einzugsgebiet der Windach eignet sich hierfür besonders:

In den 1960’er und 70’er Jahren fanden hier umfangreiche Dränagemaßnahmen statt, die detailliert dokumentiert wurden und vollständig erhalten sind. Durch die mäßige Größe des Einzugsgebietes lassen sich die Dränagen gut erfassen und in das Model integrieren. Die gedränte Fläche entspricht circa dem für Bayern als repräsentativ an-genommenen Anteil von einem Drittel der landwirtschaftlich genutzten Gesamtfläche.

Die vorhandenen Dränagepläne werden im Preprocessing neben Raum- und Zeitdaten für die Verwendung in WaSiM-ETH aufbereitet, was einen weiteren Schwerpunkt die-ser Arbeit darstellt. Die einzelnen Aufbereitungsschritte werden in der Arbeit dokumen-tiert.

2 Hydrologische Grundlagen 15

2 Hydrologische Grundlagen Dieses Kapitel soll einen kurzen Überblick über die hydrologischen Prozesse in der Natur geben und dient zum Verständnis der folgenden Kapitel.

2.1 Der Niederschlag-Abfluss-Prozess

Abbildung 2.1 Niederschlag-Abfluss-Prozess (BRONSTERT, 1994, verändert)

Die Abbildung 2.1 stellt den Niederschlag- Abfluss- Prozess als Teil des Wasser-kreislaufes mit den verschiedenen Verflechtungen in einem Einzugsgebiet von der Wasserscheide bis zum Vorfluter dar. In den folgenden Kapiteln wird auf einige dieser Prozesse detaillierter eingegangen.

Der fallende Niederschlag dient dem hydrologischen Kreislauf als Wasserinput. Er wird durch Interzeption zurückgehalten, infiltriert in den Boden oder fließt oberflächlich ab. Diese drei Volumenströme beeinflussen sich wechselseitig und können sich wiederho-len. Abhängig sind diese Teilprozesse von einer Vielzahl von Komponenten wie den örtlichen Bodenverhältnissen, dem Bedeckungsgrad der Oberfläche durch Vegetation oder organischem Material, der jährlich anfallenden Niederschlagsmenge, der geogra-fischen Lage sowie der Exposition und der damit verbundenen unterschiedlichen Son-neneinstrahlung und Temperaturentwicklung im Boden und auf der Oberfläche.

Die Interzeption bezeichnet den Vorgang, dass Niederschlag von Pflanzen, oder all-gemein von Oberflächen zurückgehalten wird. Die so gespeicherte Niederschlagsmen-ge in Form von Regen oder auch Schnee, kann diesen Speicher auf verschiede We-gen verlassen. Der erste ist durch Verdunstung, wobei für flüssige Niederschläge der Begriff Evaporation verwendet wird und bei Schnee man von Sublimation spricht, den


direkten Übergang von einem festen in einen gasförmigen Zustand. Der zweite Weg ist nach einem Speicheraufenthalt das Abtropfen von der Vegetation als Kronendurchlass oder das Abfließen über den Stamm. Die Aufnahmefähigkeit des Interzeptionsspei-chers ist abhängig von der Art der Vegetation, sowie der momentanen Jahreszeit und kann nach SCHWARZE (2005) für einzelne Niederschlagsereignisse zum Beispiel für Nadelwald bis zu 40 Prozent betragen. Für die Größe des Interzeptionsspeichers spielt der Blattflächenindex eine maßgebliche Rolle. Er wird auch als LAI (Leaf Area Index) bezeichnet und beschreibt das Verhältnis der gesamten Blattoberfläche eines Bestan-des zur gesamten Bestandsgrundfläche mit der Einheit [m²/m²]. Sind keine Nadeln oder Blätter vorhanden beträgt der LAI annähernd 0, bei einem LAI=1 entspricht die Blattoberfläche der gesamten Bestandsgrundfläche und der Maximalwert wird, ausge-hend von den immergrünen Wäldern Nordamerikas, bei 16 erreicht. Der Blattflächenin-dex beschreibt damit weitergehend den Einfluss der Vegetation auf die Abflussbildung. (KNORR, D. , WEISE, C., 2000)

Der Jahresverlauf einzelner Feldfrüchte mit ihren Blattflächenindizes ist in Abbildung 2.2 dargestellt.

Abbildung 2.2 Blattflächenindizies (LAI) (SCHWARZE, 2005)

Die verbleibende Niederschlagsmenge, die bis zum Boden gelangt, infiltriert ins Erd-reich bis zum Erreichen des Sättigungspunktes. Das nicht aufnehmbare Nieder-schlagsvolumen fließt dann oberirdisch als Sättigungsüberschuss bis zur Vorflut ab. Infiltrationsüberschuss entsteht, wenn die Infiltrationsrate für das Einzelereignis zu ge-ring ist.


Die hauptsächlichen, die Infiltration beeinflussenden Faktoren sind:

- Bodenart/ Bodentyp

- Kornverteilung

- Porosität

- hydraulische Leitfähigkeit des Bodens

- Durchwurzelung

Besonders die Bodenart hat einen entscheidenden Einfluss auf die Infiltration. Nach der Bodenkundlichen Kartieranleitung besitzen Böden mit abnehmenden Volumenan-teil von Sand auch eine abnehmende Infiltrationsrate (vgl. Bodenkundliche Kartieranlei-tung Tabelle 76, 2005). Oberflächennah abfließendes, infiltriertes Niederschlagswasser bildet den Interflow, während tiefer versickerndes Niederschlagswasser den Basisab-fluss speist. Basis-, Zwischen- und Oberflächenabfluss bilden zusammen den Gesamt-abfluss, dessen Entstehung durch die Prozesse Abflussbildung, Abflusskonzentration und Abflussrouting erfolgt.

2.1.1 Abflussbildung

Die DIN 4049 definiert: „Abflussbildung ist die Gesamtheit aller Vorgänge, die in einem Einzugsgebiet zur Bildung des abflusswirksamen Niederschlags führen“. In der Regel kommt nur ein Teil der Niederschläge über die örtliche Vorflut als effektiver Nieder-schlag zum Abfluss. Der Rest wird zum einen durch Interzeption zurückgehalten, ver-dunstet oder infiltriert in den Boden. Eine weitere Rolle spielt auch die Speicherung in Bodenmulden. Der abflusswirksame Niederschlag oder Effektivniederschlag ist aus-schlaggebend für den hochwasserrelevanten Direktabfluss. Diese Vorgänge werden durch den Abflussbeiwert beschrieben, der das Verhältnis von Effektivniederschlag zu Gesamtniederschlag ist. Dieser Beiwert ist vor allem vom Boden und von der Landnut-zung im Einzugsgebiet abhängig. Er schwankt jahreszeitlich mit dem Bedeckungsgrad durch die Vegetation und auch durch die Art der vorhandenen Vegetation selbst. Hohe Abflussbeiwerte entstehen auf vegetationsarmen Flächen beispielsweise in der Win-terbrache oder nach der Ernte. Der Einfluss des Bodens liegt bei dessen Infiltrations-vermögen durch die Bodenartenzusammensetzung oder durch eine verschieden stark ausgeprägte Oberflächenversiegelung infolge Frost. Einen weiteren erheblichen Ein-fluss hat der Sättigungsgrad des Bodens, mit zunehmender Vorfeuchte sinkt das Infilt-rationsvermögen. Die Verfahren zur Bestimmung des Abflussbeiwertes sind unter an-derem:

- Koaxialdiagramm

- SCS – Verfahren

- Verfahren nach Lutz

Die so bestimmten Volumina der zum Abfluss kommenden Niederschläge gelangen als Oberflächen-, Zwischen- oder als Basisabfluss in den Vorfluter, wobei sich der Ab-


flussbeiwert nur aus dem Oberflächenabfluss und dem schnell reagierenden Zwi-schenabfluss. Der Oberflächenabfluss gelangt auf der Oberfläche, ohne Versickerung oder Speicherung zum Gewässer. Der Zwischenabfluss oder auch Interflow ist die Wassermenge, die in die oberen Bodenschichten eindringt und oberflächennah zum Gerinne abfließt. Es besteht die Möglichkeit, dass der Interflow als Schichtwasser aus dem Boden austritt, beispielsweise infolge Übersättigung und dadurch mit einer gerin-gen Verzögerung gegenüber dem Direktabfluss abfließt. Das restliche Wasser perko-liert in den Untergrund und speist das Grundwasser. Der Grundwasserabfluss wird auch als Basisabfluss bezeichnet, der im Gegensatz zum Direktabfluss keinen Einfluss auf Hochwasserereignisse besitzt.

2.1.2 Abflusskonzentration

Der so ermittelte effektive Niederschlag sammelt sich am Boden, läuft in Rinnsalen zusammen und wird von Gräben über Bäche, später Flüsse zum tiefsten Punkt im Ein-zugsgebiet, dem Gebietsauslass abgeleitet. Der konzentrierte Abfluss wird dort vom übergeordneten Gewässer aufgenommen. Der Prozess des zeitlich verteilten Zusam-menfließens des abflusswirksamen Niederschlags am Gebietsauslass wird als Ab-flusskonzentration bezeichnet. Der Begriff der Einheitsganglinie steht hierbei für die Übertragungsfunktion vom abflusswirksamen Niederschlag zum Direktabfluss am Ge-bietsauslass. Sie stellt diesen für einen Effektivniederschlag der Größe und Zeiteinheit „1“ dar und kann mit beliebigen Niederschlagsereignissen überlagert werden, woraus sich wiederum die den Ereignissen zugehörigen Abflussganglinien generieren lassen.

2.1.3 Flood Routing

Der Abfluss erfährt im Gerinne über seine Fließlänge hinweg Translation und Retenti-on, weshalb eine Hochwasserwelle auf diese Weise über die Zeit verändert wird. Dabei beeinflussen folgende Faktoren das abfließende Wasser:

• Bewuchs im Gewässer sowie am Ufer, in der Überschwemmungszone oder im Vorland

• Rauheit der Gewässersohle

• Das Profil des Gerinnes

• Ausprägung der Mäander

• Gefälle über die Fließstrecke

• Im Wasser liegendes Totholz

• Bauliche Veränderungen, Wehre oder Staustufen

Während diese Faktoren auf den Basisabfluss in Trockenwetterzeiten wenig Einfluss haben, können sie je nach Ausprägung eine mehr oder weniger starke, dämpfende und abflachende Wirkung auf den Scheitel einer abfließenden Hochwasserwelle haben. Um den Wellenablauf in einem Modell erfassen zu können, werden für das Gewässer re-


präsentative Querschnittsprofile ermittelt und in das Modell integriert. Die Berechnung des Abflusses erfolgt meist über numerische Verfahren in hydraulischen Modellen.

2.2 Wasserbewegungen im Boden

2.2.1 Definition von Begriffen

Feldkapazität: Ist die Menge an Wasser die der Boden gegen die Schwerkraft zu halten vermag. Die Feldkapazität stellt eine Gleichgewichtsnahe La-ge zwischen Infiltration und Kapillaren Aufstieg dar.

Luftkapazität: Gibt den Luftgehalt des Bodens bei Feldkapazität an. Vom Gesamtporenvolumen wird dabei der mit Wasser gefüllte Porenraum abgezogen.

Kapillarität: Bezeichnet das Verhalten einer Flüssigkeit in einer Pore, man unterscheidet dabei zwei Arten. Bei positiver Haftspannung und so-mit einem Benetzungswinkel < 90 ° kriecht die Flüssigkeit an der Po-reninnenwand hoch, dieser Vorgang wird auch als Kapillarhub be-zeichnet. Liegt der Benetzungswinkel > 90° liegt eine negative Haft-spannung vor und die Flüssigkeit sinkt in der Pore ab, man spricht hierbei auch von Kapillardepression.

Saugspannung: Ist die Fähigkeit der unterschiedlich großen Poren der Bodenmatrix, Wasser entgegen der Schwerkraft der Geländeoberkante entgegen zu fördern. Die dazu erforderlich Druckhöhe wird als Grenzsaug-spannung bezeichnet.

2.2.2 Prozesse der Wasserbewegung

Jeder Boden speichert Wasser aus Niederschlagsereignissen oder aus dem kapillaren Aufstieg in den vorhandenen Poren seiner Matrix. Das maximal mögliche, zu spei-chernde Wasservolumen richtet sich stark nach seiner Porengrößenverteilung, welche unter anderem von der Kornverteilung abhängt. Grundsätzlich unterscheidet man drei Hauptbodenarten:

- Ton, (T), mit einem Korndurchmesser < 0,002 mm

- Schluff, (U), mit einem Korndurchmesser 0,002 mm – 0,063 mm

- Sand (S), mit einem Korndurchmesser > 0,063 mm


Eine weitere häufig verwendete Bezeichnung einer Bodenart ist Lehm, die sich zu etwa gleichen Teilen aus den oben aufgeführten Arten zusammensetzt.

Umgangssprachlich, vor allem in der Landwirtschaft, werden Böden auch oft nach dem Grad ihrer Bearbeitbarkeit unterschieden. Sandige Böden werden als leichte Böden bezeichnet, hingegen Ton und Lehmböden als schwere. In Tabelle 2.1 sind den ver-schiedenen Bodenarten einige Eigenschaften zugeordnet. Grundlage hierfür bildet die Auswertungsgrundlage der Bodenkundlichen Kartieranleitung.

Bodenart Sand Schluff Ton Lehm

Hydraulische Leitfähigkeit

Sehr gut Schlecht Sehr schlecht mäßig

Feldkapazität Schlecht Gut Sehr gut Sehr gut

Wasserförderung Schlecht Mäßig Sehr schlecht gut

Tabelle 2.1 Hydraulische Eigenschaften der Bodenarten

Das Bodenvolumen selbst teilt sich in feste Bodenpartikel und Porenraum auf, der sich zum Teil mit Wasser oder mit Luft füllt. Der Porenraum wird unterteilt in Primärporen, deren Volumen von der Korngrößenverteilung der mineralischen Substanz, sowie Art und Zusammensetzung der organischen Bestandteile abhängt, und in Sekundärporen. Sekundärporen entstehen durch Wurzelbildung, Schwindrisse sowie durch Gangbil-dung durch Organismen oder auch chemische Eigenschaften der im Boden einge-schlossenen Mineralien, wobei sie im allgemein als Makroporen bezeichnet werden. Je nach Bodentyp steigt mit abnehmender Korngröße, bedingt durch höhere Kohäsion ihre Beständigkeit und Dauerhaftigkeit. Die Makroporenverteilung ist über das gesamte Volumen hinweg unregelmäßig, ihre Ausrichtung hauptsächlich senkrecht und somit entscheidend für die Infiltration (vgl. EGGELSMANN, 1973).

Eine vereinfachte Darstellung des Porenraumes ist in Abbildung 2.3 dargestellt. Abge-bildet sind die Grobporen mit ihrer durch die Luftkapazität bedingten Perkolationsei-genschaft. Mit abnehmendem Porendurchmesser verschiebt sich die Eigenschaft weg von der wasserabführenden Wirkung hin zum Halten des Wassers gegen die Schwer-kraft. Man spricht vom Haftwasser, welches sich aus Adsorptionswasser und Kapillar-wasser zusammensetzt.


Abbildung 2.3 Kapillarporenmodell (DISSE, 2005)

Die in Tabelle 2.2 aufgeführte Saugspannung bezeichnet die maximale Steighöhe des Bodenwassers durch eine Kapillare in den verschieden Äquivalentdurchmessern. Das aufgestiegene Porenwasser besitzt dabei eine nach unten gewölbte Oberfläche, die als Meniskus bezeichnet wird. Die in hPa angegebene Steighöhe entspricht eine Wasser-säule in cm.

Porenbereiche weite Grobporen enge Grobporen Mittelporen Feinporen Saugspannung

in hPa < 60 60 - 300 300 - 15000 >15000

pF-Wert <1.8 1.8 - 2.5 2.5 - 4.2 > 4.2 Äquivalentdurch-

messer in mm > 0.05 0.05 - 0.01 0.01 - 0.0002 <0.0002

schnell bewegliches

langsam bewegliches

pflanzen- verfügbares

nicht pflanzen-verfügbares Funktion

Sickerwasser Haftwasser

Kennwerte Luftkapazität nutzbare Feldkapazität Totwasser

Tabelle 2.2 Hydraulische Eigenschaften des Bodenkörpers (SCHRÖDER, 1984)

Abbildung 2.4 verdeutlicht die einzelnen Wasserspannungskurven in Abhängigkeit der Bodenart und des vorhanden Volumenanteiles des mit Wasser gefüllten Porenraumes. Saugspannung bezeichnet die Fähigkeit der unterschiedlich großen Poren der Boden-matrix, Wasser entgegen der Schwerkraft der Geländeoberkante entgegen zu fördern. Die dazu erforderlich Grenzsaugspannung wird als Feldkapazität bezeichnet.


Abbildung 2.4 Wasserspannungskurve (DISSE, 2005)

Erläuterung zum Diagramm: 1mbar = 1 hPa; 1 hPa entspricht 1 cm Wassersäule

Die Berechnung der Bodenwasserbewegung erfolgt über das Gesetz von Darcy, das auch als Filtergesetz bezeichnet wird. Für eine Bewegung ist dabei immer ein hydrauli-sches Gefälle und damit ein Differenzdruck erforderlich. Darcy stellte in seiner Ver-suchsanordnung im Jahr 1856 fest, dass das Standrohrspiegelgefälle proportional zur Filtergeschwindigkeit und somit die einen Bodenkörper durchströmende Wassermenge Q proportional zum hydraulischen Gradienten i ist. (KINZELBACH, RAUSCH, 1995, MAL-

CHEREK,2007)


Abbildung 2.5 Filtergesetz nach Darcy (MALCHEREK, 2007)

Das Filtergesetz lautet:

* A Bf f

h hv kL−

= [Gl. 2.1]

vf – Filtergeschwindigkeit; [m/s]

kf – Durchlässigkeitsbeiwert; [m/s]

hA - hB; – Höhendifferenz[m]

L – Fließweg [m]

[Gl. 2.2]

i – hydraulischer Gradient; [m/m]

Der Durchlässigkeitsbeiwert kf beschreibt die Wasserdurchlässigkeit poröser Stoffe in Abhängigkeit ihrer Korngröße und des so vorhandenen Porenraumes. Der hydrauli-sche Gradient berechnet sich aus dem Quotienten der Differenz der Standrohrgefälle mit der durchströmten Fließstrecke.

Für die Modellierung der Wasserflüsse in der ungesättigten Bodenzone wird die Ri-chards - Gleichung verwendet. Dabei wird in einer schichtweise diskretisierten Boden-säule die eindimensionale, vertikale Bodenwasserbewegung betrachtet. Diese beruht

A Bh hil

−=


auf der Kontinuitätsgleichung für die eindimensionale vertikale Bodenwasserbewegung (SCHULLA, 1998).

[Gl. 2.3]

mit: θ Wassergehalt [m³/m³]

t Zeit [s]

k hydraulische Leitfähigkeit [m/s]

Ψ hydraulische Höhe (Saughöhe + Geodätische Höhe [m]

q spezifischer Fluss [m/s]

z Vertikalkomponente [m]

Durch Umformung wird daraus die diskretisierte Richards - Gleichung gewonnen:

[Gl. 2.4]

mit: inq Zuflüsse in die betrachtete Bodenschicht [m/s]

outq Abflüsse aus der Bodenschicht [m/s]

Für die Zu- und Abflüsse werden die Bodenhydraulischen Parameter in diskreter Form berücksichtigt. Für den Fluss zwischen zwei Schichten gilt dann:

[Gl. 2.5]

mit: q Fluss zwischen zwei Diskretisierungsschichten [m/s]

effk effektive hydraulische Leitfähigkeit [m/s]

hh hydraulische Höhe in Abhängigkeit vom Wassergehalt

als Summe aus Saugspannung und geodätischer Höhe [m]

d Dicken der jeweiligen Schichten [m]

Die effektive Leitfähigkeit wird dabei als harmonisches Mittel beider Schichten gebildet.

( ) ( )q kt z z z

δ θδθ δ δ θδ δ δ δ

Ψ⎛ ⎞= = −⎜ ⎟

⎝ ⎠

in outq q q

t zθΔ Δ

= = −Δ Δ

( ) ( )( ) ( )

1 1 10,5 ( )h u h t u t

effu t eff t u t uu t

h h d dq k mitd d k d d d dk k

θ θθ θ

−= = +

+ + +i i i

i

3 Einfluss von Dränagen auf die Abflussbildung 25

3 Einfluss von Dränagen auf die Abflussbildung

3.1 Allgemeines Dränagen sind gemäß DIN 1185 künstliche Anlagen zur Regelung des Bodenwasser-haushaltes durch ober- oder unterirdische Entwässerung. Sie sind in der stark leis-tungsorientierten Landwirtschaft kaum zu entbehren, da sie sich in der Regel ertrags-steigernd auswirken und durch Dränung Flurschäden durch Bearbeitungsmaßnahmen auf Acker- und Grünland, besonders im zeitigen Frühjahr verringert werden. Häufig treten sie in Verbindung mit anderen Meliorationsmaßnahmen auf und stellen teilweise sehr komplexe Systeme dar. Eine Überwachung dieser Anlagen ist generell nicht not-wendig, da sie wenig störanfällig sind.

Ziel ist es, durch Dränagen den Wasser-, Luft- und Wärmehaushalt des Bodengefüges auf landwirtschaftlich genutzten Flächen positiv zu beeinflussen, um optimale Wachs-tumsbedingungen für die angebauten Feldfrüchte zu erreichen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten finden sich im Schutz gegen aufsteigende Feuchtigkeit oder auch Frostschäden bei neu anzulegender oder bestehender Infrastruktur. Im Fol-genden soll ausschließlich auf die Nutzung auf landwirtschaftlichen Flächen eingegan-gen werden.

3.2 Geschichte der Dränagen Die ältesten Überlieferungen von Dränagemaßnahmen stammen von den Babyloniern, die einfache Maßnahmen, in Form von offenen Gräben zur Ent- und Bewässerung, auf ihren Ackerflächen im Zweistromland durchführten. Erstmals größere Entwässerungs-systeme sind von den Römern durch die Nutzbarmachung der pontinischen Sümpfe bekannt, die allerdings vornehmlich mit offenen Gräben, Steinen und Strauchwerk ar-beiteten. Über die Jahrhunderte sind die damals erworbenen Kenntnisse allerdings wieder weitgehend verloren gegangen (Thomsen, 2007).

Seit dem 17. Jahrhundert begann man in Europa, besonders in England und Schott-land, später auch in den heutigen Niederlanden und in Deutschland damit, verstärkt landwirtschaftlich nutzbare Flächen durch Meliorationsmaßnahmen zu gewinnen. Es wurden Holz, Kies, Steine, Strauchwerk oder Faschinen eingebaut, später auch Dach-firstziegeln und Tonrohre.

Durch die Erfindung der Drähnrohrpresse um das Jahr 1840 in England erfuhr die Drä-nung einen starken Aufschwung (EGGELSMANN, 1981). Tonrohre wurden hauptsächlich bis in die 1980er Jahre verwendet und sind vielerorts immer noch in Funktion und gu-tem Zustand. In den danach folgenden Jahren wurden bei Instandsetzungsmaßnah-men vorhandene Systeme hauptsächlich durch Kunststoffrohre ersetzt. Ebenso wer-


den seit den 1960er Jahren bei Neuanlagen fast ausschließlich Kunststoffrohre ver-wendet.

Während die ersten großen Dränmaßnahmen mit einer Vielzahl von Arbeitskräften durchgeführt werden mussten, werden Maßnahmen heute durch leistungsfähige, gra-benfrei arbeitende Dränmaschinen mit einer ausgereiften Tiefensteuerung durchge-führt. Abbildung 3.1 zeigt Aufnahmen der BT Thomsen Drainage GmbH, die zum einen den Ablauf von grabenlosen Einbau und zum anderen Maßnahmen mit offenem Gra-ben darstellen.

Abbildung 3.1 Herstellungsverfahren von Dränagen (THOMSEN, 2007)

3.3 Grabenentwässerung Die einfachste Form der Entwässerung erfolgt über offene Gräben. Hierbei wird haupt-sächlich Oberflächenwasser und oberflächennahes Bodenwasser zum Abfluss ge-bracht. Gräben sind künstlich angelegte Wasserläufe. Sie müssen eine Vorflut besitzen und können auch selbst für nachgeordnete Gräben als Vorfluter fungieren.

KAMMERER teilt Gräben eines Entwässerungssystems allgemein in:

- Vorflut- und Hauptgräben mit einer Sohlbreite von mindestens 0,50 m,

- Neben- oder Seitengräben sowie Sammel- oder Zuggräben mit einer Sohlbreite von ca. 0,40 m und

- Beet- bzw. Dammgräben, mit Sohlbreiten von 0,25 bis 0,30 m, ein.

Die Gräben der letzten Kategorie dienen dabei der Ableitung von Oberflächenwasser, die der ersten beiden zur Ableitung von Oberflächen- und Grundwasser.

Abbildung 3.2 zeigt eine mögliche Anordnung eines Grabensystems mit den einzelnen Kategorien am Beispiel eines Deichabschnittes.


Abbildung 3.2 Grabenentwässerung (KAMMERER, 2007)

Die Aufgabe der Gräben ist es, vernässte Gebiet möglichst gleichmäßig entwässern. Nach KAMMERER ist die Linienführung der Landschaft anzupassen, der Graben soll als Lebensraum für Wasserorganismen und Fische berücksichtigt werden und vorhande-ner Baumbestand soll möglichst geschont werden. Die Gräben werden zur Erfüllung ihrer Funktion durch die tiefsten Geländemulden oder gelegentlich entlang von Wegen oder Eigentumsgrenzen geführt.

Heute wird die Entwässerung durch offene Gräben kaum noch durchgeführt. Haupt-sächlich werden sie als Vorfluter angelegt. Nachteile dieser Form der Entwässerung sind:

- Verluste an Kulturland und Behinderungen in der Bewirtschaftung.

- Bau und Unterhaltung einer größeren Anzahl von Durchlässen, Brücken, Dü-ckern und Durchfahrten sowie der Gräben selbst.

- Bildung von Unkraut- und Ungezieferherden in den Randbereichen.

- Ungleichmäßige Entwässerung der Fläche sowie Abflussverhinderung bei Bo-denfrost.

Dennoch bietet sie gegenüber der Rohrdränung auch Vorteile.

- Oberflächenwasser durch Starkniederschläge oder Schneeschmelze kann un-mittelbar und schnell abgeführt werden.


- Die Aufnahme- und Ableitungsfähigkeit ist, bei einem geringeren notwendigen Gefälle, größer.

- Störungen können leicht erkannt werden und Instandhaltungsmaßnahmen sind einfach durchzuführen.

- Leicht Einrichtung, Bedienung und Unterhaltung von Staueinrichtungen sowie geringere Herstellkosten.

3.4 Arten von Dränagen Nach EGGELSMANN (1981) unterscheidet man grundsätzlich drei Methoden zur Boden-entwässerung über Dränagen. Für die Wahl des Verfahrens ist hiernach die Art der Bodenvernässung entscheidend. Abbildung 3.3 zeigt schematisch welches Dränverfah-ren unter welchen Bedingungen Anwendung finden kann. Die einzelnen Methoden werden im Folgenden genauer beschrieben.

Abbildung 3.3 Dränmethoden (EGGELSMANN, 1981)

3.4.1 Rohrdränung

Unter Rohrdränung versteht man ein System aus im Boden verlegten Rohren unter-schiedlicher Nennweiten, den Saugern und Sammlern. Bei den verbauten Materialien handelt es sich um Rohre aus gebranntem Ton, PVC oder aus Beton. Voraussetzung für die Wirkung der Dränung ist eine ausreichende Vorflut, über die das Dränagewas-ser abgeführt werden kann. Einzelne Dränagemaßnahmen werden als Abteilungen bezeichnet. Die Grenzen dieser Dränabteilungen werden durch das örtlich unterschied-liche Umfeld, wie Verkehrswege, Flurgrenzen, Wasserscheiden oder Lage des Vorflu-ters bestimmt. Die Ausmündungen der Abteilungen sind so anzulegen, dass sie sich


nicht im Rückstaubereich von Bauwerken befinden oder Uferabbrüche bewirken. Die Ausmündung soll dabei mit ihrer Sohle mindestens 20 cm über der Sohle des Vorflu-ters liegen, sowie oberhalb des mittleren Wasserstandes in der Wachstumsperiode. (DIN 1185, 1973)

Anwendung findet die Rohrdränung bevorzugt zur Entwässerung von Grundwasserbö-den oder Stauwasserböden mit einem Stauhorizont größer 0,5 m unter Geländeober-kante. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist der Einbau als Bedarfsdräne, zur Ent-wässerung lokaler Quell- oder Nassstellen. Dränagen können nur frei bewegliches Bo-denwasser aufnehmen, welches durch den spannungsfreien Porenraum der Makropo-ren sickert. Eine ausreichende Durchlässigkeit ist hierfür nach EGGELSMANN (1981 [8]) ein kf – Wert von mindestens 6 cm/d.

Bei stärkeren Gefälle wird vorzugsweise die Rohrdränung als Querdränung angelegt, die einzelnen Dräns verlaufen dabei parallel zu den Höhenlinien, oder sind entspre-chend in Fallrichtung geneigt, um das für den Abfluss notwendige Gefälle zu erhalten. Mit sinkendem Gefälle geht so die Querdränung allmählich in eine Längsdehnung über, beide Möglichkeiten sind in Abbildung 3.4 dargestellt. Bei nicht ausreichendem natürli-chem Gefälle kann die abflussnotwendige Neigung künstlich angelegt werden. Die Soll- Dräntiefe wird dabei am Kopf des Dräns unterschritten und am Sammler über-schritten. Abbildung 3.5zeigt diese Verlegemöglichkeit.

Abbildung 3.4 Quer- und Längsdränung (KAMMERER, 2007)

Abbildung 3.5 Dränagen mit natürlichem bzw. künstli-chem Gefälle

(KAMMERER, 2007)


Aufgabe der Seitenstränge, die auch als Sauger bezeichnet werden ist es, oberflä-chennahes Grund-, Stau- oder Haftwasser aufzunehmen und abzuführen. Über Boh-rungen, Stoßfugen oder Schlitze in der Mantelfläche tritt das überschüssige Boden-wasser in die Sauger ein und wird über das vorherrschende Gefälle abgeleitet. Die Länge der Dräns soll nach DIN 1185 bei Querdränung nicht mehr als 200 m betragen, in längsgedränten Mineral- und Moorböden sogar nur 150 m. Die Einleitung in die Sammler erfolgt dabei von oben. Um Ablagerungen zu vermeiden beträgt die Mindest-nennweite für Sauger 50 mm und es ist ein Gefälle größer 0,3% vorzusehen. Das überschüssige Bodenwasser wird über die Hauptstränge oder Sammler abgeführt und in großen Abteilungen über Hauptsammler in die Vorflut eingeleitet. Die Bemes-sung der Sammler erfolgt auf Grundlage der bekannten örtlichen Niederschlagsver-hältnisse sowie der Infiltrationseigenschaften des Bodens. Bei hohen Abflüssen und stärkerem Gefälle muss zusätzlich ein sich einstellender Druck berücksichtigt werden. Eine Einleitung von sich in Bodenmulden sammelnden Oberflächenwasser ist über sogenannte Schlucker möglich. Die Entwässerung erfolgt dabei entweder direkt über einen Schacht, oder über einen bis zu 1 m vom Drän entfernten Sickerschacht. Nicht abfließendes Oberflächenwasser sammelt sich dabei in einem solchen Schacht und infiltriert entlang der Potenziallinien in den Drän. Die Entwässerungsgeschwindigkeit richtet sich stark nach der Entfernung und Bodendurchlässigkeit des Sickerschachtes zum Drän. Mit Hilfe dieser Bauwerke kann das Versanden und Verschlämmen der Dränagen verhindert beziehungsweise nur auf die Sickerschächte beschränkt werden.

Kontrollschächte dienen zur Überwachung und Unterhaltung der Anlagen, und kön-nen mit oder ohne Sand- beziehungsweise Schlammfang ausgeführt sein. Nach DIN 1185 sind sie am Zusammenschluss größerer Sammler oder bei erheblichen Rich-tungsänderungen notwendig. Weiterhin sind sie bei wechselndem Gefälle oder in die-sem Zusammenhang als Absturzschacht anzulegen. Abbildung 3.6 stellt ein solches Bauwerk zu Entwässerung einer Bodemulde über einen Drän dar.

Abbildung 3.6 Oberflächenentwässerung durch Zusatzbauwerke (EGGELSMANN, 1981)


Verlegetiefe

Nach DIN 1185 soll die Dränagetiefe unabhängig von der Nutzungsart so gewählt wer-den, dass Änderungen der Betriebs- und Nutzungsverhältnisse möglich sind.

Nach EGGERLMANN (1973) beträgt die Dräntiefe für haftnasse, gering durchlässige, bindige Böden aus Schluff oder Stauwasserböden 80-90 cm und für Böden mittlerer Durchlässigkeit 100-120 cm. Bei eingebautem künstlichen Gefälle beträgt die Min-destverlegetiefe 70 cm.

Größere Dräntiefen von 130 cm – 150 cm können ausgeführt werden, wenn in dieser Tiefe eine durchlässige Bodenschicht angeschnitten werden kann. Diese Dräntiefe ist auch für den Anbau besonders tiefwurzelnder Pflanzen wie Luzerne oder Rüben ange-bracht.

Verlegeabstand

Der zu wählende Abstand ist entscheidend von den Bodeneigenschaften abhängig und sollte speziell bestimmt werden. Zur Bestimmung der Dränweite unterscheidet die DIN 1185 zwischen Grundwasser vernässten Böden und stau- oder haftnassen Böden. Für beide Varianten bietet sie Berechnungen oder Nomogramme zur Ermittlung der Drä-nabstände.

Für die Bestimmung der Dränabstände grundwasservernässter Böden wird die Formel nach HOOGHOUDT und ERNST verwendet.

2 22 18* * *( ) 4* *( )fb fbk d h n k h n

as

− + −=

[Gl. 3.1]

a Dränabstand in m

kfb1 Wasserdurchlässigkeit oberhalb des Dräns m/d

kfb2 Wasserdurchlässigkeit unterhalb des Dräns m/d

d Tabellierter Faktor

h Höhe des max. zulässigen Grundwasserspiegels über der Dränrohrachse

n Höhe des Grundwasserspiegels über der Dränrohrachse

t Dräntiefe

f Tiefe des zulässigen Grundwasserspiegels

s abzuführender Niederschlag in m/d

r wirksamer Außenradius des Dränrohres in m

In Abbildung 3.7 ist die Dränabstandsformel schematisch für die einzelnen Größen dargestellt.


Abbildung 3.7 Schema zur Dränweitenbestimmung (DIN 1185, 1973)

Beispielhaft ist die Bestimmung des Dränabstandes a0 in Abhängigkeit von Korngrö-ßenverteilung und Verlegetiefe für staunasse Böden durch ein Nomogramm darge-stellt. Sie ist nach DIN 1185 nur noch von der Korngrößenverteilung und der Dräntiefe abhängig. Abbildung 3.8 stellt solch ein Nomogramm dar.

Abbildung 3.8 Nomogramm zur Bestimmung des Dränabstandes (DIN 1185, 1973)


KAMMERER (2007) führt zur Bestimmung der Dränabstände eine Methode auf Grundla-ge der Bodentextur an. GUIDOBONI und MANNINI (1993) entwickelten dieses Verfahren für italienische Verhältnisse bei durchschnittlichen Niederschlägen. Die im No-mogramm dargestellten Zahlen entsprechen dem Dränabstand in [m]. Abbildung 3.9 stellt diese Methode dar.

Abbildung 3.9 Nomogramm zur Bestimmung des Dränabstandes (KAMMERER, 2007)

Herstellung

Hergestellt werden Dränagen entweder durch Grabenaushub, Verlegen und anschlie-ßendem Planieren oder durch ein grabenloses Pflugverfahren. Beide Verfahren sind mittels Geräteeinsatz durchführbar, technisch ausgereift und dadurch sehr wirtschaft-lich. Der Einbau einer Filterschicht ist ebenso in beiden Verfahren möglich.

Verockerung

Besonders für Seitenstränge besteht die Gefahr der Verockerung. Im Grundwasser gelöstes zweiwertiges Eisen kann bei Kontakt mit Sauerstoff als Eisenocker ausfallen und sich anlagern. Neben der chemischen Oxidation besteht ebenfalls die Möglichkeit der biologischen Oxidation durch Eisenbakterien, die sich an den Wandungen festsetz-ten und allmählich den Durchsatz verringern. Durch zusätzliche Tieflockerungsmaß-nahmen kann dieser Effekt noch verstärkt werden. Entgegenwirken kann man diesem Vorgang durch Spülungen, Abfangen Eisenhaltigen Quell- oder Grundwasser oder durch den Einsatz rohrloser Dränung.


Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist der Einbau als Fangdräne zum Abfangen von Grund- oder Hangwasser. Besonders bei letzterem ist eine entsprechend große, bis zur Oberfläche reichende Filterschicht vorzusehen, um eine gute Sickerung bis zur Dränage sicherzustellen.

Die Mehrerträge werden nach durch EGGELSMANN (1981) für gedränte Acker- und Weideflächen mit durchschnittlich 30-55 % in Abhängigkeit der Bodengüte angegeben.

Abbildung 3.10 stellt beispielhaft eine Dränabteilung mit ihren Bestandteilen dar.

Abbildung 3.10 Beispiel einer Dränabteilung (KAMMERER, 2007)

3.4.2 Rohrlose Dränung

Die rohrlose Dränung wurde früher auch als Maulwurfdränung oder Erddränung be-zeichnet, in Deutschland war sie lange Zeit nicht akzeptiert. Die DIN 1185 stellt sie jedoch den anderen Methoden gleich und beschreibt sie genauer. Anwendung findet dieses Dränverfahren in schweren Ton und Lehmböden, da diese Böden genügend Standfestigkeit besitzen, den erzeugten Kanal über mehrere Jahre offen zu halten. Aber auch in Torfböden, in denen eine stabile Rohrunterlage nur mit großem Aufwand herzustellen wäre, gibt es rohrlose Dränage. Hergestellt werden diese Erddräns mittels eines Pfluges, dessen positiver Nebeneffekt ist, dass sich Risse bilden, die auch zu einer höheren vertikalen Leitfähigkeit beitragen, (vgl. Abb. 3.11). Die üblichen Nenn-weiten der Pressköpfe betragen für Mineralböden 80 -100 mm und für Moorböden 120 – 200 mm (EGGELSMANN, 1981). Mit diesem Verfahren werden oft auch nur einzelne, vernässte Senken oder Mulden entwässert. Nach EGGELSMANN, (1981) besitzen so hergestellte Dränagen in bindigen Böden eine Funktionsdauer von 5 -10 Jahren.


Abbildung 3.11 Rohrlose Dränung (EGGELSMANN, 1981)

Liegt ein großer Dränbedarf vor, kann die rohrlose Dränung in Kombination mit Rohrdränung erfolgen, da eine ausschließliche Rohrdränung, auf Grund geringerer Nennweiten unwirtschaftlich wäre. Abbildung 3.12 zeigt einen Lageplan zur Entwässe-rung einer Abteilung mit Querdränung in Kombination mit rohrloser Dränung.

Die Mehrerträge werden nach EGGELSMANN (1981) im fünfjährigen Vergleich durch die Kombination der Maßnahmen mit durchschnittlich 15-39 % angegeben.

Abbildung 3.12 Lageplan einer kombinierten Dränung (KAMMERER, 2007)


3.4.3 Unterbodenmelioration

Tieflockern und Tiefpflügen sind Verfahren der Unterbodenmelioration. Sie finden An-wendung bei stark verfestigten, verdichteten oder verschlämmten Böden. Nach DIN 1185 (1973), können folgende Verdichtungen vorliegen:

• Geologische (Verwitterung, Sedimentation)

• Genetische (Ortsstein, Toneinschlämmungen)

• Mechanische (Druck, Vibrationen)

Notwendig werden diese Maßnahmen bei vorliegender Stau- oder Haftnässe. Auf Grund mechanischer Oberflächenverdichtung (Pflugsohle/ Fahrspuren) ist die Bearbei-tung des Bodens mit dem Pflug bis in eine Tiefe von 40 cm nicht dazugehörig.

Abbildung 3.13 Tieflockern (EGGELSMANN, 1981)

Tieflockern bezeichnet das Aufbrechen und Anheben einer mindestens 40 cm mächti-gen Bodenschicht. Diese Primärauflockerung vergrößert den Anteil an Grobporen und ermöglicht Pflanzen die Erschließung eines größeren Porenraumes. Die Infiltration wird erhöht, Niederschläge können schneller versickern und der Luft- Wärmehaushalt wird verbessert. Nach dem mechanischen Eingriff erfolgt durch Wurzelbildung und Boden-organismen eine Sekundärauflockerung, die zusätzlich die Bodeneigenschaften, be-sonders die Speicherfähigkeit verbessert.

Nach KAMMERER (2007) ist eine Tieflockerung in folgenden Fällen nicht erfolgreich:

• Bei feucht-plastischen tonreichen Böden

• Bei Podsolen

• Bei schluffreichen Böden mit einem Tongehalt unter 17 Vol %

Abbildung 3.12 stellt das Verfahren des Tieflockerns dar. Je nach Art und Tiefe der vorhandenen Verdichtung kann die Lockerungstiefe bis zu 80 cm bei einem Abstand von ca. 75 cm betragen. Wasserundurchlässige Schichten sollen unterfahren und auf-gebrochen werden. Besonders schwere Böden werden schrittweise aufgelockert.

In Gebieten mit besonders hohen Niederschlägen wird beim Überschreiten des Spei-chervermögens eine Ableitung des Niederschlagswassers über Dränagen erforderlich.


Nach KAMMERER (2007) sind diese Dräns vor der Tieflockerung und quer zu den Lo-ckerungsfurchen anzulegen.

Die Mehrerträge werden nach EGGELSMANN (1981) mit durchschnittlich 10 % angege-ben. Erhebliche Mindererträge können aber bei nachfolgender unsachgemäßer Bo-denbewirtschaftung oder fehlender Dränung auftreten.

Tiefpflügen ist nach EGGELSMANN (1981) das Unterfahren und Wenden einer mindes-tens 60 cm tiefen Bodenschicht. Dabei wird tiefer anstehender Boden an die Oberflä-che gebracht und nach notwendigen Planieren und ackerbaulichem Querpflügen mit der Bodenkrume vermischt. Der Boden wird aufgelockert, damit das Nährstoffgebot verbessert und die Bodenwasserspeicherkapazität erhöht. Anwendbar ist dieses Ver-fahren nach KAMMERER (2007) überall dort, wo Korngrößenverteilung, Nährstoff-, Kalk- und Mineralgehalt zur Verbesserung der Bodeneigenschaften in wirtschaftlich erreich-barer Tiefe anstehen und hochverfestigte oder wasserundurchlässige Bodenhorizonte aufgebrochen werden können.

Nach KAMMERER (2007) ist das Tiefpflügen gut durchführbar und angebracht bei Braunerden aus Sand, wenn dadurch die Durchwurzelungstiefe und die Feldkapazität erhöht werden und bei Podsolen, wenn es dadurch zu einer Durchmischung mit dem B-Horizont und somit der in diese Schicht ausgewaschen Nährstoffe kommt.

Nicht empfehlenswert ist das Tiefpflügen bei:

• Tonböden, wenn der Volumenanteil von Ton über 35 % ansteigt und keiner oder einer geringen Kalkanreicherung

• bei Schluffböden, wenn der Volumenanteil von Ton über 20 % ansteigt

• bei Braunerden mit guter Durchlässigkeit

• bei Böden mit hohem Grundwasserstand

Die Pflugtiefe richtet sich hauptsächlich nach der Tiefenlage des zur Bodenverbesse-rung benötigten Unterbodens und beträgt nach KAMMERER (2007) mindestens 60 cm, möglichst aber 80 cm.

Maßnahmen zur Erhaltung der Unterbodenmelioration

Bei niedrigen pH-Werten kann eine Kalkung erfolgen, wobei der Kalk dazu auf ausrei-chend trockenem Boden ausgebracht und flach eingearbeitet wird. Durch Bodenwas-ser wird der Kalk dann in tiefere, aufgelockerte Bodenschichten transportiert.

Teilweise wird im Rahmen einer Tieflockerung auch eine Oberflächen- oder Tiefen-düngung durchgeführt. Besonders bei letzterer besteht die zusätzliche Gefahr, wenn es sich um dränierte Flächen handelt, der Gewässereuthropierung

Durch Anbau wurzelintensiver Pflanzen in Verbindung mit einer geeigneten Bodenbe-arbeitung können durchgeführte Bodenmeliorationsmaßnahmen zusätzlich verbessert werden.


3.5 Eigenschaften und Auswirkungen von Dränagen In der Vergangenheit wurden besonders bei bindigen Böden Dränagen eingebaut. Heute kann man generell sagen, dass Dränagen überall dort Anwendung finden, wo die maschinelle Bearbeitung es notwendig macht.

3.5.1 Funktionsdauer

EGGELSMANN (1981) führt für die Rohrdränung eine Funktionsdauer von ca. 30 Jahren an, wobei aber angenommen wird, dass sie tatsächlich weitaus höher liegt (pers. Ge-spräch ATTENBERGER, LfU, 2008). Eine Untersuchung der ETH Zürich stellte zum Bei-spiel bei 50 Jahre alten Dränagen einen guten funktionellen Zustand fest (KÜHNEL, 1969).

3.5.2 Wirkungsweise

Kenntnisse über die bodenphysikalischen Abläufe sind bedeutungsvoll für die Entwick-lung von Modellen und zur rechnerischen Bemessung von Anlagen, anstelle der früher üblichen empirischen Ermittlung. Nach KAMMERER (2007) ist die Zuströmung zum Drän unter natürlichen Bedingungen ein instationärer Vorgang, der jedoch stationären Ver-hältnissen angenähert werden kann. Weitere Grundlagen für eine vereinfachte Be-rechnung sind:

• die Annahme eines zweidimensionalen Zuflusses

• die Vernachlässigung der Veränderung der hydraulischen Leitfähigkeit

• gleichmäßige Infiltration

Abbildung 3.14 Strom- und Potentiallinienbild (KAMMERER (2007) nach [CAVELAARS, VLOTMAN

und SPOOR, 1994])


Im Modell legt sich ein Netz aus Strom- und Potenziallinien um den Drän. Die Stromli-nie beschreibt dabei die Bewegungsrichtung des Bodenwassers und die Potenziallinien die Orte gleicher Druckgradienten. Je nach Eintrittswiderstand in den Drän und der damit verbundenen Druckverlusthöhe, variiert die Aufnahmefähigkeit. Durch die Größe der Zutrittsöffnungen in der Mantelfläche oder durch den Einbau einer Filterschicht kann auf diese Eigenschaft Einfluss genommen werden.

3.5.3 Entwässerung

Pflanzen, besonders auf vielen landwirtschaftlichen Flächen angebaute Kulturpflanzen, reagieren oft sehr empfindlich auf eine hohe Wassersättigung des Bodens, die in Kom-bination mit Niederschlag und kühlerer Witterung oft zu Fäulnis und somit zu Er-tragsausfall führen kann. Ziel ist es, die staunassen Böden bis in die Dränagetiefe zu entwässern und so einer vollständigen Sättigung des Bodens entgegenzuwirken, be-ziehungsweise die Zeitabschnitte vollständiger Sättigung nach höheren und länger andauernden Niederschlagsereignissen so kurz wie möglich zu halten. Das Gleichge-wicht des Bodenwasserhaushaltes der oberen Bodenschichten zwischen Sickerwasser und aufsteigendem Kapillarwasser kann sich so rasch wieder einstellen (vgl. KAMME-

RER, 2007).In niederschlagslosen Zeiträumen braucht die Vegetation zunächst die oberflächennahen Wasserspeicher mit abnehmender Porengröße auf und erschließt sich in Abhängigkeit von der Pflanzenart und der maximalen Wurzeltiefe Wasserspei-cher unterhalb der Dränagen. Der grundwasserabsenkende Einfluss der Dränagen ist in Abbildung 3.15 in verschiedenen Anordnungen eines homogenen Bodenaufbaus mit darunterliegender Stauschicht dargestellt. Der Grundwasserstand senkt sich dabei zur Dränage hin ab. In Abhängigkeit des Sättigungsgrades ist diese Wölbung mehr oder weniger stark ausgeprägt.

Nach KAMMERER (2007) hängt die Zuströmung von den Verhältnissen der geometri-schen Größen, wie der Mächtigkeit der wasserführenden Schicht, der Tiefenlage einer Stauschicht oder den Dränabständen ab. Die Stromlinien richten sich aufgrund des sich einstellenden Gradienten zum Drän, und verengen sich in dessen Nähe. In der Praxis wird die horizontale Zuströmung dominieren.

In der Natur ist ein einschichtiger Bodenaufbau selten zu finden. Die Regel stellen Bö-den mit mehrschichtigen Horizonten dar. Je nach Bodentyp sind die einzelnen Horizon-te unterschiedlich stark mit Wasser gesättigt. Durch den Einbau von Dränagen wird ein einheitlich großer Speicherraum geschaffen, dessen einziger variierender Parameter die örtliche hydraulische Leitfähigkeit ist. Durch die Absenkung des Grundwasserstan-des oder des Stauwasserhorizontes vergrößert sich das Volumen des zur Verfügung stehenden Bodenspeichers (EGGELSMANN, 1973).

Die Entwässerungsgeschwindigkeit des Bodens ist neben seiner hydraulischen Leitfä-higkeit zusätzlich vom Sättigungsgrad abhängig. Bei sandigen Böden spielt der Was-sergehalt eher keine Rolle auf die Infiltration.


Abbildung 3.15 Strömung des Wassers zum Dränrohr (KAMMERER (2007) nach [KUNTZE et al., 1988])

Durch den Hohen Anteil an Grobporen und mittelgroßen Poren wird die Perkolation begünstigt. Tonhaltige Böden verhalten sich in Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt unterschiedlich. Je nach Zusammensetzung des Bodengefüges und somit den Anteilen an Sand, Schluff und Ton, besitzt der Boden eine unterschiedlich hohe Saugspannung (vgl. Abb. 2.4) zur Befüllung der Kleinst- und Microporen mit Wasser aus dem Kapilla-rem Aufstieg. Die Entwässerung tonhaltiger Böden bewirkt zunächst eine isotrope Kompression der Bodenaggregate mit einer gleichzeitigen Zunahme der Steifigkeit und der Zugfestigkeit. Bei Überschreitung dieser Festigkeiten treten Risse auf, die sich zu einem engeren Netz verzweigen und auszuweiten. Bei einer eintretenden Wiederbe-wässerung beginnt die Sättigung ausgehend von diesen Rissen in die feinere Poren-struktur hinein. Nach längeren Trockenphasen führt dies zu einer zeitweise höheren Durchlässigkeit. Durch Quellen des Tonanteils bzw. Verschlämmung der Aggregate verringert sich diese Eigenschaft jedoch rasch (vgl. WITT K.J, 2007).

3.5.4 Durchlüftung

Der Einbau der Dränagen bedeutet weiterhin eine zusätzliche Durchlüftung des Bo-dengefüges. Pflanzen atmen sowohl über die Blattoberflächen wie auch über das Wur-zelwerk, eine Abnahme des Bodenwassers bewirkt so eine Zunahme des Sauerstoff-gehaltes. Die Wurzelbildung wird angeregt, lockert den Boden zusätzlich auf und ver-bessert die Bodenkrume. Zusätzlich, auch durch die höhere Wurzelaktivität, wird eine verstärkte Aktivität der Bodenorganismen und Mikroorganismen angeregt. Dadurch wird der Nährstoffkreislauf begünstigt und die Abläufe in der Nährstoffumsetzung zeit-lich vergleichmässigt.

Ein größeres Porenvolumen wirkt sich positiv auf die Transpiration, d.h. die Aufnahme von Wasser über die Spaltöffnungen für den Stoffwechsel, aus. Ausgelöst wird dies durch eine Erhöhung der Makroporenanzahl hin zur Oberfläche und die sich dadurch erhöhende Temperatur.


3.5.5 Austrag von Stoffen

Ein weiterer Aspekt bei der Betrachtung der Entwässerung, ist der Austrag sowohl von Nährstoffen aus biologischen Prozessen als auch von zusätzlich aufgebrachten mine-ralischen Kunstdüngern. Beides trägt zur Gewässereutrophierung, also zur Belastung der Gewässer mit Pflanzennährstoffen, bei.

Das Ausbringen von Insektiziden, Herbizide und Fungiziden kann beim zeitlichen Zu-sammentreffen mit Niederschlagsereignissen über die Entwässerung der Dränagen zu einer Belastung für die angrenzende Vorflut werden. Ein Regelwerk für Anwendung dieser Pflanzenschutzmittel ist die Pflanzenschutz – Anwendungsverordnung, heraus-gegeben vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucher-schutz, die die Anwendung einiger Pflanzenschutzmittel auf dränierten Flächen verbie-tet (vgl. BMELV, 2008). Da bereits europaweit im Rahmen der EU – Wasserrahmen-richtlinie große Anstrengungen unternommen werden, die Gewässergüte zu verbes-sern, sollte daher die Konzentration einer Überwachung unterliegen.

3.5.6 Zusammenfassung

Zusammenfassend lassen sich folgende positive Eigenschaften von Dränagen ablei-ten. Sie bewirken, dass:

+ der Grundwasserstand absinkt, wodurch sich der Bodenspeicher vergrößert,

+ sich der Wurzelraum vergrößert, das Bodengefüge wird verbessert,

+ tiefer liegende Bodennährstoffe durch Pflanzen erschlossen werden können,

+ die Trittfestigkeit/ Befahrbarkeit verbessert wird und

+ sich die jährliche Nutzungsdauer verlängert.

Dem gegenüber weisen Dränagen jedoch folgende Nachteile auf:

- hohe Investitionskosten,

- hohe Kosten bei Umbau oder Änderungen,

- Nährstoffauswaschung sowie

- Störanfälligkeit durch Baumängel, Verockerung (Ablagerungen von zweiwerti-gem Eisen), Verschlämmung oder Verwachsungen (durch Wurzeln).

3.6 Einfluss der Bearbeitungsformen Die durchgeführten Bodenbearbeitungsmaßnahmen haben auf ackerbaulich genutzten Flächen einen wesentlichen Einfluss auf die Infiltration und somit zur Bildung von Zwi-schen- und Basisabfluss. Die Funktion der eingebauten Dränagen kann damit durch die gewählte Bearbeitungsform beeinflusst werden. Besonders der Austrag von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln wird auf den Ackerflächen durch die schnelle wasserabfüh-rende Eigenschaft der Dränagen begünstigt. Bei einer längeren Verweildauer würden


sie durch die Bodenorganismen größtenteils abgebaut werden. Die Anwendung der konventionellen oder der konservierenden Bodenbearbeitungen ist abhängig von Fak-toren wie Fruchtfolge, Gesundheitszustand der Kulturen und vom vorherrschenden Boden und somit der Intenistät der Bearbeitung (vgl. Bundesforschungsanstallt für Landwirtschaft (FAL), 2008).

3.6.1 Konventionelle Bodenbearbeitung

Als konventionelle Bodenbearbeitung wird in erster Linie die Bearbeitung mit dem Pflug nach der Ernte bezeichnet. Man unterscheidet dabei vom flachen Schälen bis hin zum Tiefpflügen. Oft ist diese Art der Bodenbearbeitung auch notwendig um Fusariosen, damit werden parasitär lebende toxische Schimmelpilze bezeichnet, in der Folgefrucht zu vermeiden bzw. zu bekämpfen. Ziel dieser Art der Bodenbearbeitung ist die Auflo-ckerung, Wendung, Mobilisierung von Nährstoffen und die Bekämpfung von Unkraut durch Unterpflügen. Bei besonders bindigen Böden bietet sie den Vorteil, dass der oft in Schollen liegende Boden über Winter ausfriert und so die Aussaatvorbereitungen erleichtert werden. Bei diesem Vorgang bilden sich teilweise große Hohlräume, die als Speicher dienen. Die Nachteile bestehen bei bindigen Böden darin, dass beim Pflügen eine Pflugsohle entsteht, die zumindest zeitweise nur schwer wasserdurchlässig ist. Zusätzlich entsteht durch Wurmaktivität nur langsam wieder eine vertikale Makropo-renstruktur so daß Perkolation möglich ist. Bei leichten Böden mit hohem Sandgehalt wird die Infiltration von der Oberfläche bis zu den Dräns weniger beeinflusst, wobei Porenstrukturen teilweise zerstört werden und die Leitfähigkeit damit abnimmt (vgl. FAL, 2008).

3.6.2 Konservierende Bodenbearbeitung

Konservierende Bodenbearbeitung bezeichnet die reduzierte, nicht wendende, pfluglo-se, minimale Bodenbearbeitung. Besonders mit Blick auf die Erosion ist sie die scho-nendere Bearbeitungsform. Ziel es ist, die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität der Pro-duktion zu steigern, die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten und so nachhaltig die Umwelt zu schützen. Mehrjährig wird dabei auf den Einsatz des Pflugs verzichtet und so der Anteil an Ernterückständen in der oberflächennahen Bodenschicht und auf der Ober-fläche selbst um bis zu 30 % im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung erhöht. Durch die oberflächennahe Bearbeitung wird eine für Niederschläge sehr aufnahmefä-hige Bodenkrume geschaffen. Das Wasser kann in den Boden infiltrieren und wird durch die erhalten gebliebene Porenstruktur in den Untergrund abgeführt. Durch belas-sene Ernterückstände wird die Infiltration begünstigt und eine Verschlämmung der oberflächennahen Bodenschicht reduziert. Typische Maschinen für diese Bearbei-tungsmethode sind Scheibeneggen oder Grubber, die den Boden aufreißen und durchmischen (vgl. FAL, 2008).


3.7 Einfluss der Dränagen auf die Abflussbildung Dränagen liegen als unnatürlich große Makroporen mit teilweise bis zu 100 % Abde-ckung der Schlaggröße im Boden vor. Das sie sich auf die Abflussbildung auswirken ist wenig umstritten, wobei zwei gegensätzliche Meinungen diskutiert werden. Eine Theo-rie betrachtet vornehmlich die Speicherfähigkeit des Bodens. Durch niedrigere Was-serstände und somit einem höheren Luftporenanteil erlangt der Boden eine größere Aufnahmekapazität. Durch die im Boden vorhandene höhere Speicherwirkung kommt es zu einer verzögerten Abflussbildung und somit zu einer Minderung der Abflusswelle. Die zweite Theorie spricht den Dränagen eine deutliche abflussverschärfende Wirkung zu. Durch ihre Funktion und ihr Gefälle führen sie eindringendes Wasser deutlich schneller ab, als dies auf dem natürlichem Sickerweg über den Zwischen- und Basis-abfluss der Fall wäre. Die abgeführten Abflüsse werden unter ungünstigsten Bedin-gungen teilweise mit dem Oberflächenabfluss über die Dränagen ins Gewässer einge-leitet. Abbildung 3.16 stellt die unterschiedlichen Auswirkungen der beiden vertretenen Ansichten noch einmal übersichtlich dar.

Abbildung 3.16 Wirkung von Dränagen auf die Abflussbildung (RIEGER, 2008)

Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einfluss der Dränagen hauptsäch-lich von den örtlich anstehenden Böden ausgeht. Je nach der Zusammensetzung der Bodentypen, die von den Bodenarten Sand, Schluff und Ton abhängen, variieren die Abflüsse. Sie beeinflussen damit maßgeblich die Infiltration sowie das Speichervolu-men und die hydraulische Leitfähigkeit. Im Rahmen dokumentierter, wissenschaftlicher Versuche an Dränageflächen unterschiedlichster Größe sind die nachfolgend ange-führten Ergebnisse dargestellt.

Rohrdränung

Niedrigere Was-serstände

Größere Aufnahme-kapazität

Niedrigere Abflüsse Höhere Abflüsse

Schnellere Abflüsse als unter natürlichen Bedin-

gungen


3.7.1 Abflussreduzierende Wirkung

Zunächst soll die Speicherfähigkeit des Bodens mit ihrem Einfluss auf den Dränabfluss näher betrachtet werden.

SEUNA, P. und KAUPPI, L. (1981) führten dazu in Finnland Langzeituntersuchungen an Tonböden durch. Auf zwei 10 ha großen Untersuchungsflächen wurden die Abflüsse über offene Gräben und unterirdische Dränagen gemessen. Über den Verlauf des Ex-perimentes wurden dabei für die gedränten Flächen deutlich niedrigere Abflüsse ge-messen. In Südengland führten ROBINSON, M., BEVEN, K.J. (1983) Untersuchungen an Böden mit 55 % Ton und 35% Schluff durch. Es wurden zwei Flächen von 0,25 ha Größe untersucht. Eine war ungedränt und auf der zweiten waren in einer Tiefe von 0,45 m und einem Anstand von 2 m Dränagen eingebaut. Auf der ungedränten Fläche trat häufig eine völlige Sättigung des Bodens und somit ein vermehrter Oberflächenab-fluss auf. Auf den gedränten Flächen wurde hingegen der Bodenspeicher deutlich ver-größert. Besonders in den Wintermonaten konnten hier bis zu 30 % niedrigere Abflüs-se aufgezeichnet werden. ARMSTRONG, A.C., GARWOOD, E.A (1991) zeigten die ab-flussreduzierende Wirkung der Dränagen auf Tonböden ebenfalls durch ihre in England durchgeführten Versuche bestätigen.

KONYHA, K.D.R., SKAGGS, W. und GILLIAM, J.W. (1988) zeigten in ihren Untersuchungen mit Hilfe des Wasserhaushaltsmodells DRAINMOD, dass mit Hilfe von Dränagen in Tonböden eine deutliche Verschiebung vom Oberflächenabfluss hin zum Zwischenab-fluss stattfindet. Der Einfluss von Dränagen stellt sich demzufolge in Abhängigkeit vom Bodenwasserregime ein und hat eine abflussmindernde Wirkung.

Abbildung 3.17 Jahreszeitlich schwankender Einfluss von Dränagen auf die Abflussbildung bei Tonböden in Südengland

(ROBINSON, M., 1999)

Der jahreszeitlich schwankende Einfluss der Dränagen auf die Abflussbildung ist hauptsächlich bei hohen Tongehalten festzustellen. Während in den Wintermonaten


ein niedriger Bodenwassergehalt in dränierten Böden die Dränabflüsse reduziert, führt die geringe Bodenfeuchte in den Sommermonaten verstärkt zu Rissbildungen und so-mit zu einem schnellen Anspringen der Dränentwässerung. Abbildung 3.17 stellt die verschiedenen Auswirkungen für gedränte und ungedränte tonige Böden dar.

3.7.2 Abflussverschärfende Wirkung

Die Betrachtung der Auswirkung von Dränagen ist in den letzten Jahren verstärkt auf die Problematik gestoßen, dass der Dränageabfluss auf den durch Dränagen beein-flussten Flächen deutlich unterschätzt wurde. HENNING und HILGERT (2007) untersuch-ten die Auswirkungen mehrheitlich landwirtschaftlich genutzter und dränierten Flächen in Mecklenburg-Vorpommern auf die Wasserbilanzierung. Bei den vorliegenden bindi-gen Böden kam es durch die Dränabflüsse teilweise zu starken Abflussschwankungen in den Vorflutern. Auf Grund der kürzeren Verweilzeit in den Muldenrückhalten und Bodenspeichern und der damit verbundenen geringeren Verdunstungsrate, kam es zu einer Verschiebung in den Teilabflüssen. Dränungsdominierte Direktabflüsse tragen nach HENNING und HILGERT (2007) mit bis zu 50 Prozent erheblich zu der Gesamtab-flussbildung bei. Dies führt zu einer deutlichen Überschätzung der Grundwasserneubil-dung und zu einer Unterschätzung des Gesamtabflusses.

Gleichartige Untersuchungsergebnisse liefert KAO, I. (1980). Er führte Abflussmessun-gen in einem 20 km² großen Teilgebiet des Grand River in Kanada, mit einer dränierten Fläche von 8 km² durch. Abbildung 3.18 stellt die Ergebnisse für ein Niederschlagser-eignis mit einer achtstündigen Vorregenphase dar, bei dem es zu einer nahezu voll-ständigen Sättigung des Bodens kam. Im Untersuchungsgebiet herrschen sandig-lehmige Bodenverhältnisse vor.

Abbildung 3.18 Vergleich gemessener Abflüsse mit berechneten Abflüssen bei sandig-lehmigen Böden

(KAO, 1980)

Die Dränagewirkung setzte unmittelbar gegen Ende des Niederschlagsereignisses ein und führen unverzüglich die gefallenen Niederschläge ab. Nach weniger als acht Stun-


den vom Beginn des Niederschlagsereignisses wurde die Abflussspitze erreicht. In einem später im Modell errechneten Fall ohne Dränageeinfluss, konnte für den 20 Stunden später eintretenden Scheitel ein Wert ermittelt werden, den der gemessene um das 2,75 fache überstieg.

Sehr kurze Fließzeiten konnte auch WORESCHK, B. (1985) in seinen Untersuchungen feststellen. Er ermittelte auf Freilandflächen eine deutlich höhere Infiltrationsrate, als nach Darcy errechnet und im Labor ermittelt. Trockenrisse, Wurzelkanäle und Wurm-gänge in Verbindung mit Dränagen bilden sehr leitfähige Makroporen. Dadurch kam es bei Niederschlagsereignissen fast zeitgleich zum Einsetzen des Dränabflusses mit dem Oberflächenabfluss.

ATTENBERGER, E. (1990) untersuchte Dränabflüsse und Nährstoffaustrag auf rohr-gedränten und kombiniert gedränten Flächen in Bayern. Er konnte eine gute Speicher-fähigkeit des Bodens feststellen. Bei einzelnen Niederschlagsereignissen wurde kein Abfluss festgestellt. Bei stärkeren abflusswirksamen Niederschlägen setzte die Drän-wirkung innerhalb einer Stunde ein, ebenfalls konnte ein kurzes Nachlaufen festgestellt werden. Die Rückhaltewirkung ist jedoch zur Reduzierung von Hochwasserereignissen nicht ausreichend. Besonders bei hoher Vorfeuchte und niedriger Verdunstung, bei-spielsweise in den Wintermonaten, war die größte Schüttung der Dränagen festzustel-len. Die untersuchten Dränagen führten demzufolge zu einer Abflussverschärfung.

SIEKER, F., HARMS, R.W. (1985) stellten in ihren Untersuchungen auf Lößböden eben-falls eine deutliche Verschärfung fest, da bereits vor vollständiger Sättigung des Bo-dens Niederschlagswasser in die Dränagen infiltrierte. Eine weitere Untersuchung von VAN DER PLOEG, R.R., SIEKER, F., (2000), die ebenfalls bei gesättigten Verhältnissen stattfand, stellt die Wirkung unterschiedlicher Dränabstände im Modell nach. Die Er-gebnisse konnten deutliche Wirkungsunterschiede des Bodenwasserspeichers durch die Drändistanz bestätigen. Die Verlegeweite führt bei bodenuntypischen Abständen daher zu einer Verschärfung der Abflüsse.

Mit Hilfe des Wasserhaushaltsmodells DRAINMOD wurde durch HARMS, R.W. (1986) ebenfalls eine abflussverschärfende Wirkung auf lehmigen und vor allem sandigen Böden festgestellt. Dagegen haben Dränagen in Tonböden einen geringen Einfluss auf Spitzenabflüsse.

3.7.3 Zusammenfassung

Zusammenfassend kann man feststellen, dass der Einfluss im Wesentlichen von den örtlichen Bodenverhältnissen, somit vom vorherrschenden Bodenwasserregime und damit der vorhandenen Speicherfähigkeit sowie der hydraulischen Leitfähigkeit, ab-hängig ist. Mit einer Verschiebung der Volumenanteile des Bodens von Sand oder Schluff, hin zum Ton, verändert sich der Einfluss deutlich. Bei hohen Tongehalten tritt eine deutliche Verzögerung in den Dränabflüssen und somit eine abflussmindernte Wirkung auf. Hingegen wurde vor allem bei höheren Sand- und Lehmgehalten eine starke abflussverschärfende Wirkung, mit kurzen Anlauf- und Nachlaufphasen ver-


zeichnet. Abbildung 3.19 stellt die abflussverschärfende (+), beziehungsweise -reduzierende (-) Wirkung durch die Volumenanteile der Bodenarten dar.

Abbildung 3.19 Wirkung der Bodenarten auf die Dränabflüsse (ROBINSON, M., 1999)

3.8 Bewertung und Folgerungen Auf Grundlage der aufgezeigten Untersuchungsergebnisse kann man sich nicht pau-schal auf eine der Wirkungen der Dränagen festlegen. Durch eine Betrachtung der örtlichen Bodenverhältnisse und der klimatischen Verhältnisse kann man jedoch eine qualitative Abschätzung treffen. Aufgrund des durch die Dränagen erzeugten schneller erfolgenden Gesamtabflusses ist daher mit Ausnahme von Böden mit höheren Ton-gehalten, eine abflussverschärfende Wirkung zu erwarten. Großen Einfluss hat die wechselseitige Beziehung zwischen Art und Intensität des Niederschlagsereignisses sowie den örtlichen Bodenverhältnissen. Der Oberflächenabfluss wird sich bei Nieder-schlagsereignissen verringern und damit den Interflow erhöhen. Der Dränabfluss tritt allerdings nicht mit der gleichen zeitlichen Verzögerung aus wie der reguläre Zwi-schenabfluss, da sich in Abhängigkeit von Querschnitt und Gefälle der Hauptsammler eine sehr viel kürzere Fließzeit einstellen wird. Die Abflussspitzen kurzer Starknieder-schlagsereignisse in den Sommermonaten werden, insofern die Bodenwasserverhält-nisse nicht durch Vorregenereignisse gesättig sind, weniger stark durch die Dränagen beeinflusst als bei lang anhaltenden Niederschlagsperioden im Frühjahr oder in den Wintermonaten. Bei durchschnittlichen Niederschlagsereignissen kurzer Abstände be-günstigen die Dränagen auf sandig-lehmigen Böden eine gleichmäßige Abflussbildung. Durch die gleichmäßige Entleerung des Porenvolumens wird eine ständige Infiltration ermöglicht.

4 Das Einzugsgebiet der Windach 48

4 Das Einzugsgebiet der Windach

4.1 Allgemeines Das Untersuchungsgebiet ist das Einzugsgebiet der Windach und befindet sich circa 50 km westlich von München im Landkeis Landsberg am Lech, in unmittelbarer Nähe zum Ammersee. Die Windach hat eine Länge von 25,7 km und ihr Einzugsgebiet um-fasst eine Fläche von ca. 126 km². Sie mündet nach dem Seeauslauf bei Stegen in die Amper und gehört zum Flussgebiet der Donau, mit der Flussgebietsfolge Windach- Amper- Isar- Donau. Das Einzugsgebiet wird durch den südlich von Finning gelegenen Windachspeicher geteilt. Der Abfluss des oberhalb vom Speicher gelegenen Teilein-zugsgebietes kann entsprechend der Niederschlagsereignisse geregelt werden und wird über den Pegel am Werksabfluss dokumentiert. Der Speicher wurde 1964 nach einer Folge großer Hochwasserereignisse zur Regulierung des Abflusses, für den Hochwasser- sowie Unterliegerschutz fertig gestellt. Letzterer begründet auch weitere kleinere Ausbaumaßnahmen des Querschnittes. Auf längeren Strecken ist die Windach jedoch weitgehend unberührt (Exkursionsbericht, Uni Weimar).

Abbildung 4.1 Das Einzugsgebiet der Windach (www.maps.google.de)


4.2 Charakterisierung des Einzugsgebietes

4.2.1 Klima

Grundlage zur klimatischen Einordnung ist der vom Bayerischen Klimaforschungsbund herausgegebene Klimaatlas Bayern (1999).

Bayern liegt innerhalb der gemäßigten Klimazone im Übergangsbereich des maritimen Klimas Westeuropas, mit milden Wintern, kühlen Sommern und hoher Luftfeuchtigkeit und dem kontinentalen Klima Osteuropas, mit kalten Wintern, heißen Sommern und einer niedrigeren Luftfeuchtigkeit. Mit zunehmender Standortverlagerung vom Nord-westen Bayerns in südöstliche Richtung, ist diese klimatische Veränderung zu beo-bachten. Einen großen Einfluss auf die klimatischen Bedingungen sowie die örtlichen Temperaturen hat neben der geografischen Lage auch die Höhe über dem mittleren Meeresspiegel. Dieser zeigt sich in den Jahresmitteltemperaturen in Unterfranken bei einer mittleren Höhe von 200m bei ca. 10 °C und beispielsweise im Allgäu in einer mitt-leren Höhe von ca. 700m mit 6°C. Für das Einzugsgebiet der Windach haben die Oberbayerischen Seen, besonders die unmittelbare Nähe zum Ammersee einen regio-nal mildernden Einfluss (vgl. LfU Bayern, (2008)).

Die langjährige Jahresmitteltemperatur, der dem Einzugsgebiet der Windach nächstge-legenen Wetterstation Westernschondorf liegt bei 7°C – 8°C. Die vorherrschende Hauptwetterlage ist West bis Nordwest, wodurch feuchte Luftmassen herangeführt werden. Im Voralpenland kommt es daher meist zu orographischen Niederschlägen durch die aufgestauten und aufsteigenden Luftmassen. Die durch die Wetterstation Westernschondorf in den vergangenen Jahren aufgezeichneten Niederschläge liegen zwischen 950 – 1200 mm/Jahr (vgl. LfU Bayern, (2008) / LfL Bayern, (2008)).

4.2.2 Hydrologie

Die Windach ist ein Gewässer 3. Ordnung und liegt im Zuständigkeitsbereich des Wasserwirtschaftsamts Weilheim. Durch ihre Nähe zu den Alpen hat sie trotz ihrer ver-gleichsweise geringen Höhendifferenz einen ausgesprochenen Gebirgsbachcharakter mit einem schnell anschwellendem Wasserstand infolge von Niederschlägen.

Gerinne

Die Windach hat über ihren Verlauf von ihrer Quelle bei Grimmenhausen (735 m ü. NN] bis zur Mündung bei Stegen in die Amper (405 m ü. NN) ein mittleres Gefälle von 6,7 ‰. Die Gewässerbreite nimmt mit zunehmender Fließlänge bis zu ihrer Mündung in die Amper auf bis zu 8 m zu und beträgt im Mittel 2,90m.

Pegel

Im Untersuchungsgebiet stehen sechs Pegel zur Verfügung. Südlich des Speichers der Pegel Obermühlhausen, der Werkszufluss Obermühlhausen, der Seepegel Oberfinning an der Windach sowie der Pegel Beurerbach und nördlich des Windachspeichers der Pegel Oberfinning Werksabfluss und der Pegel Greifenberg. Die zwischen den Pegeln


Werksabfluss Windachspeicher und Greifenberg vom Wasser zurückzulegende Entfer-nung beträgt 17,1 km. Abbildung 4.2 stellt die Gewässerstruktur im Überblick dar.

Pegel Greifenberg

Pegel Werksabfluss Oberfinning

Seepegel Oberfinning

Werkszufluss Obermühlhausen

Pegel Beurerbach

Pegel Obermühlhausen

Pegel Greifenberg

Pegel Werksabfluss Oberfinning

Seepegel Oberfinning

Werkszufluss Obermühlhausen

Pegel Beurerbach

Pegel Obermühlhausen

Abbildung 4.2 Das Gewässernetz der Windach (ATKIS- Datensatz)

Abfluss

Aufzeichnungen über Wasserstände und Abflüsse sind seit dem Jahr 1936 hinterlegt. Tabelle 4.1 stellt die Hauptwerte für den Pegel Greifenberg dar. Seit der Fertigstellung des Windachspeichers sind nur wenige Ereignisse größer HQ 50 eingetreten. Die letz-ten großen Hochwasser fanden in den Jahren 1999, 2000, 2002 und 2005 statt.


Abflüsse (Jahresreihe 1936 - 2003) Winter Sommer Jahr NQ 0,06 0,05 0,05 [m3/s] MNQ 0,38 0,3 0,28 [m3/s] MQ 1,39 1,13 1,26 [m3/s] MHQ 18 22,7 27,9 [m3/s] HQ 60,2 70,5 70,5 [m3/s]

Tabelle 4.1 Gewässerkundliche Hauptwerte der Windach am Pegel Greifenberg

(www.hnd.bayern.de, 2008)

Gewässergüte

Im Rahmen der Umsetzung der EU- Wasserrahmenrichtlinie durch die Bayerische Staatsregierung ist die Windach im Planungsraum Isar aufgeführt. Sie ist in den vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft ausgegebenen Gewässergütekarten (Stand 2001) wie folgt eingestuft: Abbildung 4.3 zeigt in einem Ausschnitt der Gewäs-sergüteklassenkartierung für Bayern das Einzugsgebiet der Windach mit seiner stoffli-chen Belastung.

Saprobie: II mäßig belastet

II-III kritisch belastet

Trophie: II eutroph

Abbildung 4.3 Die Gewässergüte der Windach (Hydrologischer Atlas von Deutschland)

Hochwasserereignisse

Bis zur Fertigstellung des Windachspeichers kam es wiederholt zu großen Über-schwemmungen im Unterlauf der Windach ab Finning. In Tabelle 4.2 sind die höchsten Ereignisse seit Beginn der Dokumentation aufgeführt. Aber auch in jüngster Zeit kam es wiederholt zu Ereignissen, die über die vorhandenen Hochwasserschutzmaßnah-men hinausreichen. Das Pfingsthochwasser 1999 und auch die starken Niederschläge im Jahr 2000 haben zu starken Überschwemmungen, besonders in der Gemarkung Eching am Ammersee geführt.


Höchste Abflüsse

im Beobachtungszeitraum 1936 - 20031. 70,5 m3/s 07.06.19602. 65,0 m3/s 30.05.19403. 64,4 m3/s 22.06.19434. 60,9 m3/s 24.09.19375. 60,2 m3/s 09.11.1944

Tabelle 4.2 Gemessene Höchstabflüsse der Win-dach am Pegel Greifenberg


Aufgrund dieser Ereignisse ist für den Unterlauf der Windach eine Verbesserung der Hochwasserschutzmaßnahmen ab 2008 vorgesehen. Der Hochwasserschutz wird auf einen Hochwasserbemessungsabfluss von 90 [m³/s] ausgebaut, was zukünftig einem 100-jährlichem Hochwasser, inklusive eines 15-prozentigen Zuschlags für nichtab-schätzbare Klimaveränderungen, entspricht. (vgl. Presseinformation, WWA Weilheim, (2008))

Jährlichkeiten der Höchstabflüsse (HQ)

Beobachteter Zeitraum: 1964 - 1999

HQ1 16 m3/sHQ2 21 m3/sHQ5 28 m3/sHQ10 36 m3/sHQ20 45 m3/sHQ50 58 m3/sHQ100 70 m3/sHQ1000 105 m3/s

Tabelle 4.3 Jährlichkeiten der Höchstabflüsse im Windacheinzugsgebiet für den Pegel Greifenberg


4.2.3 Geologie

Das Einzugsgebiet der Windach befindet sich zwischen dem nordwestlichen Ufer des Ammersees und dem westlich gelegenem Lech. Es erhielt seine Charakteristik ent-sprechend der eiszeitlichen Jungmoränenlandschaft, was bedeutet, dass es durch Schmelzwasserablagerungen gekennzeichnet ist, die bis zum Ende der Würmeiszeit, vor etwa 10000 Jahren, entstanden sind.

Durch abschmelzendes Gletschereis oder auch jahreszeitlich bedingte, wechselnde Vorstoßtiefen der Gletscher wurde so eine stark variierende Oberflächenstruktur ge-


schaffen. Es sind zahlreiche Senken vorhanden, welche auf natürliche Weise kaum entwässern und nur zeitweise Wasser führen. Die anzutreffenden Böden sind in der Regel weniger verwittert als auf Ablagerungsflächen älterer Eiszeiten. Typisch für diese Struktur ist auch das feingliedrige Netz der Gewässer, das die anfallenden Wasservo-lumina abführt. Das gesamte Gelände ist hauptsächlich eben bis leicht wellig und von Norden nach Süden hin ansteigend. Die Höhenlage reicht von 532 m NN im nördlichen Teile des Einzugsgebietes bis zu 733 m NN im südöstlichen.

4.2.4 Boden

Grundlage zur Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit sowie weiterer Bodenei-genschaften sind genaue Kenntnisse des Bodenaufbaus. In diesem Zusammenhang wurden Deutschlandweit flächendeckend durch die Geologischen Landesämter stan-dortkundliche Bodenkarten erstellt (vgl. Abb. 4.4). In diesen sind Entstehungsgeschich-te, Bodenzusammensetzung und Aufbau des Bodenprofils mit seiner Zusammenset-zung der verschiedenen Bodenhorizonte sowie die wichtigsten Eigenschaften wie zum Beispiel Entwicklungstiefe, Durchwurzelungsintensität, Humusgehalt, Luft- und Feldka-pazität, die hydraulische Leitfähigkeit und weitere dokumentiert.

Abbildung 4.4 Bodenkarte des Windacheinzugsgebie-tes

(ATKIS- Datensatz, 2007)

Alle Böden unterliegen einer ständigen Weiterentwicklung durch Bodenneubildung, Erosion, Ablagerung oder Anschwemmung, wodurch sich teilweise auch das Land-


schaftsbild ändern kann. In der Bodenentwicklung nimmt die Vernässung ebenfalls einen hohen Stellenwert ein. Grund-, Stau- oder Haftwasser wirken sich auf die physi-kalischen und chemischen Vorgänge im Boden aus und verzögern oder beschleunigen so die Bodenentwicklung. Eine Zusammenstellung aller vorhandenen Bodentypen mit den durch die bodenkundliche Kartieranleitung angegebenen Durchlässigkeiten, ist in Tabelle 4.5 dargestellt. Die angegebenen Durchlässigkeiten sind in Tabelle 4.4 erklärt.

Einstufung Sehr ge-

ring Gering Mittel Hoch

Sehr hoch

Äußerst hoch

Durchlässigkeit [cm/d]

< 1 1-10 10-40 40-100 100-300 > 300

Tabelle 4.4 Einstufung der Durchlässigkeiten (Standortkundliche Bodenkarte von Bayern, 1986)

Durch regionale und zum Teil nur örtlich auftretende Standort- und Umweltbedingun-gen kommt es zu einer umfangreichen Differenzierung einzelner Böden, besonders der Hauptbodentypen. Die Bodeneigenschaften der für die Dränageflächen relevanten Bo-dentypen sind in Kapitel 4.3.4 dargestellt.

Bodenart Bodenbezeichnung Durchlässigkeit Fläche [ha] %

9a Braunerde mittel 21,4 0,2 12a Kolluvium mittel 540,0 4,6 17 Pararendzina hoch-sehr hoch 15,9 0,1

18a Ackerpararendzina hoch-sehr hoch 35,6 0,3 22a Parabraunerde hoch-sehr hoch 94,4 0,8 22b Parabraunerde hoch-mittel 12,3 0,1 28a Pararendzina hoch-äußerst hoch 223,6 1,9 28b Pararendzina hoch-mittel 539,9 4,6

28c Pararendzina Jung-moräne mittel 12,1 0,1

29a Parabraunerde hoch-mittel 371,2 3,2 30a Parabraunerde mittel 2954,7 25,231a Parabraunerde mittel-gering 1676,6 14,3

34a Pseudogley- Pa-rabraunerde mittel-gering 1567,7 13,4

35 Parabraunerde Pseu-dogley

mittel-hoch, im UB gering- sehr gering 186,3 1,6

56a Pararendzina hoch-mittel 130,8 1,1

60 Anmoorgley mittel-hoch, im UB gering- sehr gering 60,0 0,5

62a Gley- Rendzina mittel-hoch 3,0 0,0 63 Kalknaßgley mittel 0,5 0,0

64a Cleypararendzina mittel-hoch 3,8 0,0 64b Kalkh.- Gley mittel-hoch 52,1 0,4 64c Kalkh.Annmoorgley hoch-sehr hoch 71,8 0,6 65a Gley- Braunerde mittel-gering 13,2 0,1


Bodenart Bodenbezeichnung Durchlässigkeit Fläche [ha] %

65b Braunerde- Gley mittel 12,9 0,1 65c Anmoorgley mittel-hoch 271,6 2,3 68 Pararedzina- Gley mittel-gering 1177,9 10,071 Anmoorgley mittel-gering 190,2 1,6 77 Niedermoor sehr hoch-mittel 55,0 0,5 78 Niedermoor sehr hoch-mittel 1057,2 9,0 79 Hochmoor sehr hoch-mittel 79,3 0,7

84a Auenrendzina hoch 200,4 1,7 86 Auenrendzina hoch-äußerst hoch 25,8 0,2

90a Auengley- Auenrend-zina mittel-gering 26,1 0,2

91a Kalkh.Auengley mittel 14,9 0,1 998 22,9 0,2

Gesamt 11721,1 100

Tabelle 4.5 Bodentypen im Einzugsgebiet (Standortkundliche Bodenkarte von Bayern, 1986)

In Abbildung 4.5 ist die flächenmäßige Verteilung der einzelnen Bodentypen prozentual dargestellt. Für eine bessere Übersicht wurden Bodentypen mit ähnlichen Eigenschaf-ten und Aufbau zusammengefasst.

Bodentypenverteilung im Einzugsgebiet der Windach

4% 2% 1% 5%

9%

44%

8%

2%

13%

10% 2%AnmoorgleyAuenrendzinaHochmoorKolluviumNiedermoorParabraunerdePararendzinaParabraunerde- PseudogleyPseudogley- ParabraunerdePararedzina- GleySonstige

Abbildung 4.5 Bodentypenverteilung im Einzugsgebiet der Windach


Als Bodentypen werden Böden bezeichnet, die in ihrer Entstehungsphase (Pedoge-nese), gleiche Merkmale in Form ihres horizontalen Aufbaus hervorgebracht haben. Eine Beschreibung und Klassifizierung der Bodenklassen und -typen nimmt die bo-


denkundliche Kartieranleitung vor. Die Haupttypen im Einzugsgebiet werden folgend kurz erklärt.

Anmoorige Böden sind nährstoffreiche Mineralböden mit einem sehr hohen Anteil unzersetzter organischer Masse. Sie entstanden aus der Verwitterung von Gestein. Es handelt sich jedoch nicht um Moorböden, diese entstehen aus Torfmoosen. Der Name wurde übernommen, da sich der enthaltene Rohhumus in seiner Struktur sehr dem Moorböden ähnelt. Es sind häufig saure und feuchte bis nasse Mineralböden, bei de-nen keine vollständige Zersetzung der organischen Bestandteile stattfindet. Sie sind auf Marschen und Gleyböden zu finden.

Auenböden fassen alle holozänen (in der letzten Eiszeit entstanden) Sedimente in Tälern von Flüssen und Bächen zusammen, die einer periodischen Überflutung unter-lagen beziehungsweise unterliegen. Jahreszeitlich bedingt besitzen diese Böden einen stark schwankenden Grundwasserspiegel, welcher mit dem Flusswasserspiegel ge-koppelt ist.

Gleyböden entstanden im Gegensatz zu den Auenböden bei wesentlich höheren, sta-bilen Grundwasserständen. Sie sind typische Böden in Tälern, Niederungen und im Einflussbereich von Quellwasseraustritten. Der oberste Horizont besteht aus Humus und wird nicht vom Grundwasser beeinflusst. Die darunter liegende Bodenschicht ist der Gley Oxidationshorizont (Go). Er ist mit rostroten Ablagerungen von Eisen und Mangan durchsetzt und steht zeitweise im Grundwasser. Unter den Go schließt sich der Gley Reduktionshorizont (Gr) an, diese Schicht steht unter ständigem Grundwas-sereinfluss.

Hochmoore bestehen aus nährstoffarmen, sauren und nassen Böden. Sie werden ausschließlich durch Niederschläge und über die Luft eingetragene Nährstoffe ge-speist.

Niedermoore bestehen im Gegensatz dazu aus nährstoffreichen Böden, bedingt durch eine wechselweise Einstauung und Austrocknung. In Niederungen werden sie durch sehr mineralisch angereicherte Zuflüssen gespeist.

Kolluvium ist ein tiefgründiger, schluffiger Lehmboden aus abgetragenem, in Hangfuß-lagen, Mulden und Talbereichen zusammengeschwemmtem Bodenmaterial. Haupt-verbreitung ist die ackergenutzte, stark erosionsgefährdete Löß- und Lößlehmzone.

Braunerden gehören zu den häufigen Bodentypen. Sie können aus silikatischem, kalkhaltigem, kalkarmen oder kalkfreien Ausgangsgestein. Bei der Verbraunung von Böden handelt es sich um die Auswaschung eisenhaltiger Mineralien in tiefergelegene Bodenschichten. Mit der Verbraunung ist gleichzeitig der Prozess der Verlehmung ver-bunden. Bei diesem Vorgang kommt es zur Verwitterung von Silikaten und damit zur Bildung neuer Tonminerale.

Rendzina Böden sind meist relativ karge Kalkböden, die durch starke Erosion nur eine gering mächtige Humusschicht aufbauen konnten. Ausgangsgestein und auch der Un-tergrund bestehen aus Kalkstein.


Böden mit dem Zusatz Para weisen auf eine Auswaschung der Tonminerale in tiefere Bodenschichten hin.

Die Bezeichnung Pseudo tragen Böden, die von einem Wechsel von starker, stauen-der Nässe und fast vollständiger Austrocknung geprägt sind. Meist liegt die Ursache im Vorhandensein eines Stauhorizontes, der die Versickerung von Niederschlags- oder Schneeschmelzwasser verhindert.

4.2.5 Landnutzung

Das Gelände ist im gesamten Einzugsgebiet weitgehend offen und landwirtschaftlich, in Form von Grünlandnutzung und Weidewirtschaft geprägt. Auf den ackerbaulich ge-nutzten Flächen wird hauptsächlich Silomais als Futtermittel angebaut. Tendenzen zeigen bayernweit grundsätzlich zur Beschickung von Biogasanlagen eine Zunahme im Anbau von Energiemais. Mit einer verstärkten ackerbaulichen Nutzung in den nächsten Jahren ist gemäß LfL(2008) generell zu rechnen.

Die Flächen der einzelnen Nutzungsarten sind gemäß ATKIS Datensatz in Tabelle 4.6 dargestellt. Die Prozentangaben der Teilflächen beziehen sich immer auf die Gesamt-einzugsgebietsfläche.

Nutzungsart Fläche EZG [%] TEG Nord [%] TEG Süd [%]

Gesamt 12598 [ha] 100,0 6197 [ha] 49,2 6401 [ha] 50,8Ackerland 2201 [ha] 17,5 1560 [ha] 12,4 641 [ha] 5,1Grünland 5032 [ha] 39,9 2319 [ha] 18,4 2713 [ha] 21,5Wald 3773 [ha] 30,0 1788 [ha] 14,2 1985 [ha] 15,8Gewässer/ Feuchtgebiete 482 [ha] 3,8 25 [ha] 0,2 457 [ha] 3,6

Siedlungsflächen 1110 [ha] 8,8 450 [ha] 3,6 660 [ha] 5,2

Tabelle 4.6 Landnutzungsverteilung im Einzugsge-biet der Windach


Abbildung 4.6 stellt die Flächennutzung nochmals in einer prozentualen Verteilung für das gesamte Einzugsgebiet dar. Von einer genaueren Aufschlüsselung der einzelnen Positionen wurde aufgrund der später im Wasserhaushaltsmodell gewählten Raster-weite von 100 m x 100 m abgesehen. Sie dient weiterhin zum Vergleich für die im Mo-dell verwendeten Daten.

Man erkennt deutlich, dass der Schwerpunkt der Ackerflächennutzung im nördlichen Teileinzugsgebiet liegt, während alle anderen Nutzungsarten weitestgehend gleichmä-ßig verteilt sind. Feuchtgebiete und Gewässer befinden sich hauptsächlich im Bereich des Windachspeichers, mit großen, nach Süden angrenzenden, Retentionsflächen.

Unter Siedlungsflächen wurden alle Ortschaften, einzelstehende Gehöfte, Industrie- und Gewerbeflächen sowie die vorhandene Infrastruktur zusammengefasst. Die Sied-lungen im Einzugsgebiet liegen hauptsächlich entlang der Windach, landwirtschaftliche


Betriebe sind meist aus den Ortschaften in die Flur hinein ausgesiedelt (vgl. Abbildung 4.6).

Der ATKIS Datensatz unterscheidet die vorhandenen Waldflächen weitergehend nach ihren Gehölzbeständen.

Reiner Laubwald ist mit ca. 1% auf der Gesamtfläche vorhanden. Die typischen Haupt-baumarten sind Buche, Eiche und Ahorn, in den feuchten Niederungen und Auen hauptsächlich Esche, Ulme und Erle. Der Gesamtflächenanteil des Nadelwaldes be-trägt 18 %, mit hauptsächlich Fichtenbeständen sowie weiterhin, meist als eingestreute Einzelbäume oder in kleinen Pflanzungen Lärche, Tanne und Kiefer. Die verbleibenden 11 % sind von Mischwald mit den angeführten Gehölzen bewachsen. (vgl. Bayerisches Landesamt für Landwirtschaft, 2008)

Abbildung 4.6 Prozentuale Landnutzungsverteilung im Einzugsgebiet der Windach


Die starken Stürme der vergangenen Jahre führten zu großen Schäden in den Wald-beständen. Besonders in Monokulturen kam es zu einer Bedrohung durch Schädlinge. Auf Grund der auftretenden Windbrüche mit ihren hohen wirtschaftlichen Verlusten gehen die Tendenzen zu einem zukunftsorientierten ökologischen Waldumbau. Lang-fristig sollen die vorhandenen großflächigen Monokulturen durch in vielerlei Hinsicht weniger anfällige Mischwälder ersetzt werden (vgl. Umweltforschungszentrum, 2008).

4.3 Dränagen Mit den aus den vorherigen Kapiteln gewonnen Erkenntnissen über die Wirkungsweise und Funktion der Dränagen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen sollen nun Rück-schlüsse auf das Windachgebiet gezogen werden.


4.3.1 Geschichtlicher Hintergrund

Die im Einzugsgebiet der Windach vorherrschenden landwirtschaftlichen Bedingungen waren auf Grund der klimatischen und pedologischen Bedingungen jahreszeitlich oft sehr eingeschränkt und machten eine Bewirtschaftung nur mit teils sehr großem Auf-wand möglich. Mit der zunehmenden Mechanisierung der Landwirtschaft Anfang des 19. Jahrhunderts begann man mit teilweise großen Anstrengungen diese Nass- und Moorflächen zu entwässern und somit einer witterungsunabhängigeren Nutzung zuzu-führen. Erste größere Maßnahmen wurden im Einzugsgebiet in den 1930’er Jahren durch den Reichsarbeitsdienst durchgeführt, wobei über die ausgeführten Arbeiten nur bedingt Unterlagen hinterlegt sind. Eine zweite große Maßnahme, bei der Dränagen angelegt wurden, fand in den Jahren 1965 bis 1975 im Einzugsgebiet der Windach im Rahmen der Flurbereinigung und Flurneuordnung statt. Begründet wurden diese Bau-maßnahmen damit, dass sich die bestehenden Vorfluter für die Ortschaften und die Flächenentwässerung in einem teilweise stark vernachlässigten Zustand befanden, ein Ausbau erforderlich und auch für die geplante Flurneuordnung notwendig war (Daten-sammlung Wasserwirtschaftsamt Weilheim, 2007).

4.3.2 Dränlage im Windachgebiet

Dränagemaßnahmen wurden in allen Gemarkungen des Windacheinzugsgebiet durch-geführt. Während sich ein eventueller Einfluss der Dränagen im südlichen Teileinzugs-gebiet durch den Windachspeicher kontrollieren und vergleichsmäßigen lässt, kann sich ein Einfluss im nördlichen Teil des Windachgebietes direkt auf die Abflüsse aus-wirken.

Nennweiten

Durch die Auswertung der Detailpläne kann für jede einzelne Dränabteilung die Nenn-weiten der einzelnen Stränge abgelesen werden. Für die Sauger wurden hauptsächlich Dränrohre mit einer Nennweite von 65 mm verlegt. Je nach abzuführender Wasser-menge wurden für die Sammler Nennweiten zwischen 80 mm und 200 mm verlegt. Für die Hauptsammler und abschnittsweise Verrohrungen einzelner Gräben oder Durch-lässe sogar Nennweiten bis zu 500 mm. Bis zu einer Nennweite von 200 mm wurden PVC-Rohre, für alle größeren Durchmesser wurden Betonrohre verwendet, (vgl. Da-tensammlung Wasserwirtschaftsamt Weilheim, Detailplan, 1976)).

Dräntiefe

Aus den Unterlagen des Wasserwirtschaftsamt Weilheim geht eine einheitliche Verle-getiefe von weniger als 1,40 m hervor. Durch die persönlichen Gespräche mit Mitarbei-tern des Wasserwirtschaftsamtes konnte eine einheitliche Verlegetiefe von 100 cm festgestellt werden. Durch Bodenverdichtung, Umschichtungen und Erosion kann ak-tuell von einer Dräntiefe von etwa 80 cm ausgegangen werden. Bei dieser Tiefe sind Landnutzungsänderungen von Grünland zu Ackerland ohne eine Beschädigung der Dräns möglich.


Dränabstände

Die ausgeführten Dränabstände betragen in den Abteilungen einheitlich 10 m. Abwei-chungen sind gemäß Detailplan in den Skizzen enthalten. Eine Veränderung der Bö-den und somit die Variation der Dränweiten wurde nicht berücksichtigt.

Dränfläche

Zur Qualifizierung der Dränageabflüsse wird speziell das nördliche Teileinzugsgebiet näher untersucht. Abbildung 1.7 stellt die flächenmäßige Verteilung im Einzugsgebiet dar. Dieser Teil besitzt eine Fläche von 62 km² mit einer dränierten Fläche von 6,67 km². Das entspricht einem Flächenanteil von 10,7 % bezogen auf die Gesamtfläche, beziehungsweise 17,2 % der als Acker- und Grünland genutzten Flächen.

Abbildung 4.7 Dränageflächen im nördlichen Teilein-zugsgebiet der Windach

(ATKIS- Datensatz, 2007/Datensammlung Wasser-wirtschaftsamt Weilheim,

(2007)

Die umfangreichsten Dränagemaßnahmen nördlich des Windachspeichers wurden in der Gemarkung Finning durchgeführt. Hier werden insgesamt 370 ha landwirtschaftlich genutzte Fläche künstlich entwässert. Die in Tabelle 4.6 als sonstige Flächen aufge-


führten 8,4 ha, beinhalten Gartenland oder Sonderkulturen. Der gesamt Anteil dränier-ter Flächen liegt in diesem Teil des Gebietes gemäß ATKIS Datensatz bei 26%.

Landwirtschaftliche Flächenutzung Nutzungsart Fläche [ha] dränierte Fläche [ha] % Ackerland 442,88 101,69 23,0 Grünland 943,31 259,63 27,5 sonstige 8,44 8,44 gesamt 1394,63 369,75 26,5

Tabelle 4.7 Landwirtschaftlich Flächennutzung Ge-markung Finning


4.3.3 Bodenlage im nördlichen Windachgebiet

Bei den dränierten Flächen handelt es sich durchweg um bindige, lehmige Böden mit hohem Schluffgehalt. Tabelle 4.7 und Abbildung 4.6 stellen die Bodentypenverteilung mit dem zugehörigen Flächenanteil in Hektargröße sowie ihren prozentualem Anteil dar.

Bodentyp Bodenbezeichnung Fläche [ha] % 12a Kolluvium 21,19 3,2 28b Pararendzina 36,94 5,6 30a Parabraunerde 145,19 21,8 31a Parabraunerde 94,94 14,3 34a Pseudogley- Parabraunerde 102,75 15,4 65c Anmoorgley 45,38 6,8 68 Pararedzina- Gley 91,88 13,8 71 Anmoorgley 23,13 3,5 78 Niedermoor 63,13 9,5 sonstige 40,63 6,1

gesamt 665,125 100,0

Tabelle 4.8 Bodentypenverteilung der Dränageflä-chen



Abbildung 4.8 Bodentypenverteilung der Dränageflä-chen


Aufbau der Bodentypen

Es handelt sich hauptsächlich um schluffige, lehmige oder schwach tonige Böden mit einer durchweg mittleren bis sehr geringen Durchlässigkeit. Bis in die Tiefe der einge-bauten Dränagen von ca. 80 cm stehen keine ausgeprägten Stauhorizonte an. In Ta-belle 4.9 sind zu den in Tabelle 4.8 aufgeführten Bodentypen die wichtigsten Eigen-schaften zur Einschätzung der Durchlässigkeit aufgeführt.

Boden typ Bodenbezeichnung Erläuterung

Entw

ickl

ungs

tiefe

[cm

]

Dur

chw

urze

lung

sint

ensi

tät

Dur

chlä

ssig

keit

[cm

/d]

Luftk

apaz

ität [

Vol %

]

12a Kolluvium örtlich vergleyt, aus Lehmigen Ab-schwemmmassen, vorwiegend aus Lößlehm

1. Bodenhorizont

0-25 stark- sehr stark 10-40 3

2. Bodenhorizont 25-75 mittel-stark 10-40 6

3. Bodenhorizont

75+ schwach-mittel 1-10 6

28b Pararendzina Flach- bis mittelgründiger, lehmiger Kiesverwitterungsboden

1. Bodenhorizont 0-20 stark 10-40 8 2. Bodenhorizont 20-30 mittel 10-100 10 3. Bodenhorizont 30+ schwach 10-100 10


Boden typ Bodenbezeichnung Erläuterung

Entw

ickl

ungs

tiefe

[cm

]

Dur

chw

urze

lung

sint

ensi

tät

Dur

chlä

ssig

keit

[cm

/d]

Luftk

apaz

ität [

Vol %

]

30a Parabraunerde Mittel- bis tiefgründiger, schluffig- lehmiger bis tonig-lehmiger Morä-nenverwitterungsboden

1. Bodenhorizont 0-14 sehr stark 10-40 7 2. Bodenhorizont 14-26 stark 10-40 10 3. Bodenhorizont 26-46 mittel 10-40 8

4. Bodenhorizont

46+ sehr schwach 10-100 10

31a Parabraunerde Mittel- bis tiefgründiger, tonig-lehmiger Moränenverwitterungsbo-den

1. Bodenhorizont 0-22 sehr stark 10-40 5 2. Bodenhorizont 22-40 mittel 1-10 3 3. Bodenhorizont 40+ schwach 1-10 3

34a Pseudogley- Parabraunerde

Mittel- bis tiefgründiger, staunasser, lehmiger Moränenverwitterungsbo-den

1. Bodenhorizont 0-15 stark 10-40 7 2. Bodenhorizont 15-30 mittel 10-40 8 3. Bodenhorizont 30-52 schwach 1-10 3

4. Bodenhorizont

52+ sehr schwach 10-40 7

65c Anmoorgley Anmooriger, lehmiger Grundwas-serboden über Kalkgründigem Lehm

1. Bodenhorizont 0-25 40-100 2. Bodenhorizont 25-50 10-100 3. Bodenhorizont 50+ 10-40

68 Pararedzina- Gley Kalkgründige Gleye aus lehmigen Moränenmaterial, bis mäßig feucht

1. Bodenhorizont 0-15 10-40 2. Bodenhorizont 15-40 10-40 3. Bodenhorizont 40+ 2-40

71 Anmoorgley tonig- lehmige Talsedimente 1. Bodenhorizont 0-15 100-300 10 2. Bodenhorizont 15-35 40-300 10 3. Bodenhorizont 35+ 40-300 10

78 Niedermoor Niedermoortorf über lehmigen, sandigen und kiesigen Substraten

1. Bodenhorizont 0-20 stark 40-100 20 2. Bodenhorizont 20-60 mittel 40-100 25 3. Bodenhorizont 60+

Tabelle 4.9 Eigenschaften des Bodenkörpers der Dränflä-chen nach der Standortkundlichen Bodenkarte Bayerns

(vgl. Standortkundliche Bodenkarte [verändert])


4.3.4 Zusammenfassung und Folgerungen

Im Einzugsgebiet der Windach wurden die Dränagen in einer oberflächennahen Tiefe von 80 cm eingebaut. Die ausgeführten Dränabstände liegen durchweg mit einer Dis-tanz von 10 m vor. Bei den eingebauten Dränrohren handelt es sich bis zu einer Nennweite von max. 200 mm um PVC Rohre, größere Durchmesser wurden mit Beton-rohren ausgeführt. Für die Sauger wurde hauptsächlich eine Nennweite von 65 mm verwendet.

Betrachtet man den Bodenaufbau der dränierten Flächen und vergleicht die abgeleite-ten Eigenschaften mit den Ergebnissen der in Kapitel 3.4 beschriebenen wissenschaft-lichen Untersuchungen, sind folgende Feststellungen zu treffen:

- Unter Betrachtung der örtlichen vorherrschenden Bodenverhältnisse kann der Dränabstand mit 10 m als eher zu gering eingestuft werden.

- Die Dräntiefe entspricht der für diese Bodentypen und Nutzungsarten üblichen Verlegetiefe.

- Die geringen Abstände und die oberflächennahe Dräntiefe werden zusammen mit der guten Durchwurzelung zu einer raschen Entwässerung der oberen Bo-denschichten führen.

- Durch das vergleichsweise große Gefälle wird das infiltrierte Bodenwasser schnell abgeführt und in die Vorfluter eingeleitet. Aufgrund des sich durch die geodätische Höhe einstellenden Wasserdruckes, kann bei höheren Wasser-ständen im Vorfluter trotzdem eine teilweise Entwässerung der Dränagen erfol-gen.

- Der durch die Dränagen tiefer liegende Grundwasserstand bedingt durch eine höhere Aktivität der Bodenorganismen eine anhaltend höhere Infiltration bis zur gedränten Bodenschicht.

- Der schwache Tonanteil wird nur eine geringe Erhöhung der Bodenwasserspei-cherfähigkeit bewirken.

Trotz dieser Überlegungen müssen bei der Betrachtung des Untersuchungsgebietes auf eine abflussverschärfende oder -mindernde Wirkung der Dränagen ereignisspezifi-sche Faktoren berücksichtigt werden. Einen großen Einfluss besitzt dabei die Vor-feuchte des Bodens.

5 Das Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH 65

5 Das Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH Das folgende Kapitel soll einen Überblick über den Aufbau und die Abläufe des Mo-dells WaSiM-ETH geben. Weiterhin werden die notwendigen Daten für den Aufbau des Modells beschrieben.

5.1 Niederschlag- Abfluss- Modelle Niederschlag-Abfluss-Modelle dienen zur Abbildung des natürlichen Wasserkreislaufes sowie zur Simulation ausgewählter Abläufe. Mit ihrer Hilfe soll dieses komplexe System von Volumenströmen und Speichern abgebildet werden, um Aussagen über hydrologi-sche sowie auch hydraulische Abläufe und Ereignisse machen zu können. Abflussbil-dung, Abflusskonzentration und Abflussrouting werden durch das Modell erfasst und simuliert. Über die berechneten Abflüsse können beispielsweise Pegelstände vorher-gesagt und somit Gefahrensituationen besser eingeschätzt werden. Niederschlag- Ab-fluss- Modelle sind in der Lage die komplexen Vorgänge des Wasserkreislaufs teilwei-se unter Verwendung vereinfachter Ansätze wiederzugeben.

Das Quantifizieren dieser Volumenströme in einem speziellen Gebiet gestaltet sich auf Grund der natürlichen Vielfalt und auch Variabilität sehr schwierig. Für ein Gebiet ist eine Fülle an Informationen und Daten notwendig, die einerseits in Feldversuchen ge-messen oder ermittelt und andererseits aus diesen Größen abgeleitet werden können. Je nach Komplexität und Größe beziehungsweise der Genauigkeit eines Modells, vari-iert die benötigte Rechenkapazität und die Rechenzeit. Um bestimmte Vorgänge näher zu untersuchen, müssen deshalb Prioritäten in der Abbildung einzelner Modelle gesetzt werden und andere dafür in vereinfachten Verfahren bestimmt oder dargestellt werden. Die verfolgten Ziele entscheiden dabei über die Wahl der Vereinfachungen. Das Ver-halten einzelner, sehr sensitiver Modellparameter kann allerdings nur anhand gemes-sener Niederschläge und Abflüsse im Modell kalibriert werden. Der gesamte Nieder-schlag – Abfluss – Prozess wird deshalb in miteinander verknüpfte, einzelne Teilmodel-le zerlegt. Für jedes dieser Teilmodelle können dann die einzelnen Teilprozesse wie Verdunstung, Interzeption und der Bodenspeicher mit Berechnungsverfahren verschie-dener Genauigkeit bestimmt werden. Bei der Modellierung werden grundsätzlich zwei prinzipielle Methoden unterschieden, statistische und deterministische. Statistische Methoden beruhen auf der Darstellung von beobachteten oder gemessenen Größen, ohne die dafür notwendigen physikalischen Prozesse dabei abzubilden.

In Abhängigkeit der Dichte des Datennetzes und der Menge des vorhandenen Daten-materials finden diese Methoden bei folgenden Problemstellungen Anwendung:


- Verteilung von Messwerten an bestimmten Querschnittsstellen des Gewässers

- Zeitreihenanalyse/ -generierung von Abflussganglinien

- Regionalisierung

Bei deterministischen Methoden hingegen wird der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung untersucht. Die Abläufe beziehungsweise Zusammenhänge werden aus der Analyse von Messwerten oder über bekannte physikalische Gesetzmäßigkeiten ermittelt und durch ein mathematisches Modell dargestellt. In heute aufgebauten Mo-dellen werden meist beide Methoden verwendet, (vgl. DISSE (2005), SCHWARZE (2005), SCHULLA (1998)).

Allgemeiner Aufbau eines N-A-Modells

Die Erstellung eines Niederschlag-Abfluss-Modells erfolgt in mehreren Schritten, in denen klimatische und gebietsspezifische Parameter eingebracht werden:

- Räumliche Gliederung des zu untersuchenden Gebietes nach Orographie, Ges-taltung der Gewässernetze, Bodennutzung und anthropogener Einflüsse.

- Regionale oder örtliche Erfassung klimatischer oder meteorologischer Daten. Hinzu kommen Werte für Vegetationsbedeckung und die mittlere Höhe der Teileinzugsgebiete.

- Die Darstellung des Bodenwasserhaushalts (Infiltration, Perkolation, Speicher) und Gliederung des Gesamtabflusses in seine einzelnen Komponenten.

- Modellkonzepte zur Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Dynamik der Abflusskomponenten für die Teileinzugsgebiete erstellen. Anschließend setzen sich die Teilgebiete in einem Baukastensystem zu einem Gebietsmodell zu-sammen.

- Mittel- bzw. langfristige Kalibrierung der Modelle durch Vergleich der errechne-ten Werte an Pegeln mit den gemessenen Pegelwerten.

- Beliebiges Extremniederschlagsereignis als Input verwenden und den Output, je nach Modellart und Fragestellung, hydrologisch und hydraulisch in das unter-suchte Gebiet übertragen.

5.2 Modellbeschreibung WaSiM-ETH Das Wasserhaushalts- Simulations- Modell ist ein deterministisches, flächendifferen-ziert arbeitendes, hydrologisches Einzugsgebietsmodell. Es wurde 1997 von Jörg Schulla an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich entwickelt. Es ist modular aufgebaut und arbeitet sowohl mit physikalischen, wie auch mit konzeptionel-len Ansätzen. Das Modell wurde zur Untersuchung des Wasserhaushaltes von Ein-zugsgebieten unter Berücksichtigung der klimatischen Verhältnisse und eventuellen


Klimaveränderungen entwickelt. Das Modell ist in der Lage für bestimmte Einzelereig-nisse aber auch über lange Zeiträume verschiedene Szenarien zu simulieren.

WaSiM-ETH ist in zwei Modellversionen verfügbar. Die ursprüngliche Version verwen-det den Topmodellansatz, einer auf dem Konzept variabler Sättigungsflächen beru-henden Modellvorstellung. Die aktuelle, verbesserte Version WaSiM-ETH I rechnet mit Bodenwasserströmungen auf der Grundlage der Potentialgradienten und auf den de-taillierten bodenphysikalischen Eigenschaften basierenden Ansatz von Richards.

Den Modellinput bilden neben dem Niederschlag die Globalstrahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit sowie die Gebietsgröße. Auf Grundlage dieser Zeitreihen lassen sich mit Hilfe physikalischer und mathematischer Ansätze sämtliche hydrologischen Prozesse nachbilden.

Das zu modellierende Einzugsgebiet wird in ein regelmäßiges Gitternetz (Grid) gleicher Kantenlänge eingeteilt. Diese gleichmäßige Aufteilung stellt eine optimale Grundlage zum Datenaustausch mit anderen Programmen und für die durchzuführenden Berech-nungen des Wasserflusses dar. Die durch WaSiM I genutzte Richards - Gleichung ist physikalisch besser interpretierbar, als der durch die erste Version verwendete Top-modellansatz. Bei der Darstellung der vom Boden ausgehenden Transpiration kann die reale Verdunstung an Hand der Saugspannung des Bodens gegenüber der potentiel-len Verdunstung reduziert werden. Der Feuchtegehalt des Bodens wird dabei mit be-rücksichtigt. Alle Prozesse werden vertikal in jedem Grid berechnet und lateral an die angrenzenden Zellen übergeben. Die gewählte Rastergröße nimmt dabei einen ent-scheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse und auf die Rechenge-schwindigkeit. Ausgehend von einer Steuerdatei werden bei der Anwendung des Pro-gramms die Teilmodelle aufgerufen. Der Nutzer kann entsprechend seiner Zielstellung und der vorhandenen Daten entscheiden, welche Teilmodelle durchlaufen werden.

Entstehender Oberflächenabfluss wird über ein Flieszeitschema der Vorflut zugeführt. Die Abflusskonzentration wird bis zu jedem Teileinzugsgebietsauslass für Basis-, Zwi-schen- und Oberflächenabfluss getrennt durchgeführt und erfolgt über Einzellinear-speicher mit einer jeweils vorgegebenen Speicherkonstante. Das Abflussrouting wird auf der Grundlage der kinematischen Wellengleichung bis zum Gebietsauslass be-rechnet. Die Retentionswirkung des Gewässers und der Vorländer wird dabei durch zwei Einzellinearspeicher dargestellt.

In der folgenden Abbildung sind die einzelnen Module des Modells sowie ihre gegen-seitige Verknüpfung dargestellt. Die eingelesenen meteorologischen Zeitreihen werden dabei auf das gesamte Einzugsgebiet umgelegt. Die grau hinterlegten Felder skizzie-ren den Wasserfluss pro Grid mit den durch die Prozesse der Teilmodelle auftretenden Verdunstung. Die generierten Abflüsse werden auf der Grundlage von Teileinzugsge-bieten abgebildet.

(SCHULLA (1998), Modellbeschreibung WaSiM-ETH)


Abbildung 5.1 Modellstruktur des WaSiM-ETH (SCHULLA, 1998)


5.3 Notwendige Daten Für den Aufbau des Modells sind primär drei Datensätze notwendig. Topographische Daten in Form eines digitalen Geländemodells, Informationen über die Landnutzung und die vor Ort anstehenden Böden. Abbildung 5.2 stellt die daraus hervorgehenden Sekundärdaten dar, die zu einem Teil als Grids im Modellablauf benötigt werden oder mit Tabellenwerten in der Steuerdatei verknüpft sind. Entscheidend für die Lesbarkeit der Datensätze durch WaSiM-ETH ist, dass die jeweils verwendeten Modellgrids als auch die Datengrids das gleiche Format besitzen.

Eine zentrale Bedeutung kommt in WaSiM-ETH das integrierte Modul für die räumliche Interpolation der Datensätze auf das Modellgitter zu. Neben der Interpolation der Me-teorologischen Daten können mit diesem Teilprogramm Effekte von Hangneigung und Exposition auf die daraus im Gebiet mögliche Abschattung einfallender Strahlung so-wie die Temperatur berücksichtigt werden.

(SCHULLA, 1998)

Abbildung 5.2 Benötigte Ausgangsdaten (NIEHOFF, 2002)

Modellumgebung

Vor dem Beginn des eigentlichen Modellaufbaus steht die Beschaffung und Aufberei-tung der benötigten Daten. Dieser Prozess wird als Preprocessing bezeichnet und wird in Kapitel 6 - Datengrundlage und Preprocessing beschrieben.


5.4 Modellparameter Im Modell wird in nahezu jedem Teilmodul eine Vielzahl von Parametern verwendet, die eine unterschiedliche Sensitivität besitzen. Einige Größen sind feste Konstanten und können aus der Literatur übernommen werden. Andere Parameter sind lokal vari-abel und müssen für das Modell bestimmt oder angepasst werden. Beispiele dafür sind die Interpolation der meteorologischen Eingangsdaten, die Parameter des Schneemo-dells oder die Eigenschaften des Bodens, wie hydraulische Leitfähigkeit oder die Feld-kapazität. An Hand der vom Programm ausgegebenen Gütekriterien, lassen sich die Einflüsse der einzelnen Parameter überprüfen.

Die Parameter zur Korrektur der Meteorologischen Daten sind nur wenig sensitiv, die Genauigkeit der gemessenen Größen liegt ausreichend vor. Die für das Abflussrouting notwendigen Parameter können ebenfalls durch Messungen ermittelt werden und sind somit als wenig sensitiv zu betrachten.

Die im Modell verwendeten Parameter für Verdunstung, Interzeption und Schneemo-del sind Erfahrungswerte des Lehrstuhl aus vorangegangenen hydrologischen Model-lierungen.

Als besonders sensitiv sind die Parameter zur Bestimmung von Oberflächen-, Zwi-schen- und Basisabfluss, sowie die Parameter des Bodenmodells einzustufen. Sie sind nur schwer oder nicht messbar und können nur durch die in Kapitel 7 beschriebene Kalibrierung ermittelt werden. Die sensitivsten und deshalb wichtigsten zu kalibrieren-den Parameter sind die Speicherkonstanten für den Direktabfluss (kD) und den In-terflow (kH), in der Größe [h], SCHULLA (1998) empfiehlt dabei kH = kD. Die Skalierung für den Basisabfluss Q0 ist in [mm/h] eingeteilt und die Speicherkonstante für den Ba-sisabfluss kB hat die Einheit [m]. Diese beiden Parameter werden nur bei abgeschalte-ten Grundwassermodell wirksam. Der letzte zu kalibrierende Parameter dr ist für die Dränagedichte beziehungsweise die Skalierung des Interflows verantwortlich, dieser Parameter ist einheitenlos [-].

5.5 Das Dränagemodul Mit WaSiM-ETH können, neben einer Vielzahl anderer Module, künstliche Dränagen dargestellt und in die Modellierung integriert werden. Sie werden separat berechnet und zum Interflow dazu addiert. Abbildung 5.3 zeigt schematisch die Verknüpfung der beiden Teilmodule.

Die hierfür notwendigen Modellparameter sind die Dräntiefe und der Dränabstand. Bei-de Datengrids müssen für das Einzugsgebiet erstellt werden. WaSiM-ETH ermittelt dann die dränagewirksame Bodenschicht, berücksichtigt die hydraulische Leitfähigkeit des jeweiligen Horizontes und generiert den Dränabfluss durch Gleichung [5.1].


Abbildung 5.3 Darstellung des Dränagemoduls (RIEGER, 2008)

[5.1]

Mit qdrain Zwischenabfluss aus der durch Dränagen entwässerten Schicht m

k (θ ) hydraulische Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt

dm Schichtdicke in [m]

dh horizontaler Abstand der Dränagen in [m]

cs Rasterweite der Gridzellen

Der Einfluss des Bodenwassergehaltes wird im Modell nach VAN GENUCHTEN, durch Gleichung [5.2] berücksichtigt.

[5.2]

Mit m empirischer Parameter [-]

n empirischer Parameter [-]

θ aktueller Wassergehalt [-]

rθ residualer Wassergehalt bei ( )k θ =0 [-] (Totwassergehalt)

2*( )* *mdrain

h h

d csq kd d

θ=

21 12( ) * 1 1

m

mr r

s s r s r

kk

θ θ θ θθθ θ θ θ

⎡ ⎤⎧ ⎫⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎢ ⎥− −⎪ ⎪= − −⎨ ⎬⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥− −⎣ ⎦ ⎝ ⎠⎪ ⎪⎢ ⎥⎩ ⎭⎣ ⎦


sθ Sättigungswassergehalt [-]

sk gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [m/s]

(SCHULLA, 1998 / Tabelle 2.2/ Abbildung 2.4)

Die Parameterα , n , rθ und sθ aus Gleichung [5.2] sind feste, einzelnen Bodenarten

zugeordnete Größen die je nach Zusammensetzung des Bodens in seine Hauptbe-standeile Sand, Schluff und Ton tabelliert vorliegen. Im Modell werden die Bodenkenn-linien nach VAN GENUCHTEN verwendet.

Der Parameter m ergibt sich aus:

[5.3]

5.6 Bewertung Das von WaSiM-ETH verwendete Dränagemodell stellt eine flächendeckende Möglich-keit dar, den Dränageabfluss zu erfassen, ohne aufwendige Messungen im Gebiet durchführen zu müssen. Um ein besonders aussagekräftiges Ergebnis zu erzielen, müssen geeignete Flächen im Einzugsgebiet ausgewählt und ihr Verhalten bei Nieder-schlagsereignissen näher untersucht werden.

Auf Grund der vom Modell verwendeten Raster gehen mit zunehmender Zellweite die Einflüsse kleinerer Strukturen im Gebiet verloren. Genauigkeitsverluste müssen da-durch in Kauf genommen werden. Grundwasserstandsmessungen wurden bisher im Modell noch nicht berücksichtigt. Wechselnde Wasserstände können die Dränabflüsse zusätzlich beeinflussen. Bei der Abbildung der Dränagen kann daher deren Einfluss nur qualitative über den Vergleich der realen mit den modellierten Gesamtflächenzahl erfolgen. Um eine quantitativ Aussage über die Ergebnisse treffen zu können sind Messungen der tatsächlichen Dränabflüsse über den Zeitraum von mindestens einem hydrologischen Jahr notwendig.

Unter Einbeziehung weiterer Daten in die Untersuchung ist WaSiM-ETH zur Ermittlung des Einflusses der Dränagen auf das Abflussverhalten im Windachgebiet besonders geeignet.

11mn

= −

6 Datengrundlage und Preprocessing 73

6 Datengrundlage und Preprocessing Die Datenaufbereitung stellt neben dem Modellaufbau einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Im folgenden Kapitel soll die Aufbereitung der erforderlichen Daten mit den dazu notwendigen Schritten dokumentiert werden, um die erwarteten Ergebnisse belegbar zu machen.

6.1 Modellierungszeitraum Die hydrologische Modellierung des Windacheinzugsgebietes erfolgt für die Jahre 2000 – 2007. Zur Ermittlung der für das Einzugsgebiet optimalen Parameter wird ein Kalib-rierungszeitraum vom 01.11.2003 bis zum Ende des nächsten hydrologischen Jahres am 31.10.2004 angesetzt. Der Vorteil des Startdatums im Herbst liegt darin, dass die Speicher annähernd leer sind und so die Auswirkungen in der Einschwingphase der Berechnung keiner zu hohen Dynamik unterliegen. Mit den in diesem ersten Kalibrie-rungszeitraum erfolgreich getesteten Parametern wird der Kalibrierungszeitraum bis auf das hydrologischen Jahr 2005 ausgeweitet und notfalls erneut optimiert. In einem Kalibrierungszeitraum von zwei Jahren treten wiederholt unterschiedliche hydrologi-scher Ereignisse mit verschiedener Intensität auf. Es können so mehrere Perioden mit niedrigen und hohen Wasserständen berücksichtigt werden.

Zur Überprüfung der ermittelten Parameter wird ein Validierungsdurchlauf für die hyd-rologischen Jahre 2006 – 2007 nachgeschaltet.

6.2 Rohdaten Für den Aufbau des Modells wurde das Digitale Geländemodell für Deutschland (DGM-D), herausgegeben vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie –GeoDatenZentrum-, verwendet. In diesem Modell ist das Relief Deutschlands mit einer Rasterweite von 25 m erfasst. Die Höhenangabe in den Grids bezieht sich dabei immer auf die Koordinaten des linken unteren Eckpunktes.

Alle im Modell genutzten Informationen über die Landnutzung stammen aus dem Da-tensatz des Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystem (ATKIS), der Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen der Länder der Bundesrepu-blik Deutschland (AdV).

Die verwendete Konzeptbodenkarte ist auf der Grundlage der vom Bayrischen Geolo-gischen Landesamt durchgeführten geologischen Landesaufnahme erstellt.


6.2.1 Datenbeschaffung

Die in Kapitel 5.4 beschriebenen notwendigen Daten über Topographie, Landnutzung und Bodenart wurden für das Windachprojekt vom Bayerischen Landesamt für Umwelt sowie vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim zur Verfügung gestellt und durch eine Nut-zungsvereinbarung freigegeben.

6.2.2 Dränagepläne

Die für das Dränagemodul benötigten Daten über Art und Umfang der dränierten Flä-chen wurden vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim zur Verfügung gestellt. Die Einbau-maßnahmen wurden wie in Abbildung 6.1 dargestellt, während der durchgeführten Ar-beiten in einem Detailplan dokumentiert. Alle Dränmaßnahmen wurden durch das Wasserwirtschaftsamt Weilheim für jede Gemarkung archiviert.

Für den Aufbau des Dränagemoduls waren Informationen über Maßnahmen in folgen-den Gemarkungen des nördlichen Teileinzugsgebietes notwendig:

- Entraching

- Eresing

- Unter-/ Oberfinning

- Greifenberg

- Hechenwang

- Schöffelding

- Steinbach

- Windach

Gemäß den Erläuterungen in den Anlagen, wurde vor Beginn der Baumaßnahmen jede einzelne Fläche eingemessen.

Im Detailplan sind eine Vielzahl von Informationen hinterlegt:

o Verlegetiefe

o Abstand der Dränagen

o Art und Länge der eingebauten Dränagen

o Lage von Sonderbauwerken (Schächte, Durchlässe, Auslassbauwerke)

o Einbauweise (Pflug/Fräse)

Alle Detailpläne wurden wie in Abbildung 6.2 dargestellt und in den einzelnen Gemar-kungen der im Flurneuordnungsverfahren geführten Ortschaften zusammengefasst. Der Maßstab wurde dabei über ein mechanisches Verfahren angepasst und so alle Details übernommen. Die angegebene Verlegetiefe beträgt < 140 cm.


Abbildung 6.1 Detailplan einer Dränagefläche (WWA Weilheim, 1976)

Aus dem persönlichen Gespräch mit Mitarbeitern des Wasserwirtschaftsamt Weilheim wird von einer Verlegetiefe von ursprünglich 100 cm ausgegangen und aktuell eine Lagetiefe von 80 cm angenommen. Eine Unterscheidung der Dränagetiefe für Grün-land und Ackerflächen wird nicht vorgenommen. In der Landwirtschaft durchgeführte Flächenumnutzungen waren und sind auch immer noch aktuell und wurden in die Pla-nung einbezogen. Neben den Dränagearbeiten wurden auch alle weiteren Meliorati-onsmaßnahmen wie Begradigungen oder Verrohrungen auf diesen Karten vermerkt.

6.2.3 Begehung im Einzugsgebiet

Am 11. Februar 2008 fand eine Begehung in Teilen des Einzugsgebietes statt. Durch eigene in Augenscheinnahme wurden die vorhandenen Angaben der Dränagepläne in Stichproben überprüft, sowie Informationen über den Zustand der Dränrohre, Abwei-chungen von den Dränageplänen und sonstige Besonderheiten bezüglich der Dräna-gen eingeholt.

Alle nach den Karten dränierten Flächen waren abgetrocknet und in einem sehr guten optischen Zustand. Flurschäden oder Fahrspuren waren ebenso wie lokale Nassstellen nicht vorhanden. Ebenso konnten keine Erosionsschäden oder Anschwemmungen festgestellt werden. Diese Tatsachen lassen generell auf einen guten Zustand der Sys-teme schließen.


Abbildung 6.2 Dränageplan der Gemarkung Hechenwang (WWA Weilheim, 1976)

Im Gespräch mit Landwirten konnte die Annahme bestätigt werden, dass annähernd alle Dränagen noch aktiv, zuverlässig und in sehr gutem funktionellem Zustand sind. Zum Zeitpunkt der Baumaßnahmen wurden Detailpläne an die damaligen Eigentümer


der Flächen übergeben (vgl. Abbildung 6.2). Dadurch war eine stetige Überwachung gewährleistet. Kontrollen über die Funktion der einzelnen Anlagen werden im Rahmen der Bewirtschaftung durchgeführt. Instandsetzungen einzelner Dräne sind sehr selten, wurden aber in der Vergangenheit ausgeführt. Nach der Flurbereinigung wurden außer einzelnen Grabenverrohrungen keine Maßnahmen mehr vorgenommen. Aufforstungen auf dränierten Flächen waren im größeren Rahmen nicht bekannt. Bei Einzelpflanzung von Bäumen oder Baumreihen wurde ein entsprechender Abstand beachtet, um eine Beschädigung durch das Wurzelwerk zu verhindern. Informationen über die Wieder-vernässung ehemaliger Moorflächen sind nicht vorhanden. Die Befahrbarkeit der Flä-chen nach stärkeren Niederschlägen liegt je nach Flurstück zwischen 2-3 und 3-5 Ta-gen. Vor den Dränmaßnahmen reichten die Zeiträume starker Bodenvernässung bis weit ins Frühjahr hinein und verkürzten die Vegetationsperiode dadurch merklich. Nach Meinung der Ortsansässigen wirken sich die Dränagen durch den Wegfall dieser Spei-cherfunktion auch eher Abfluss verschärfend aus.

Abbildung 6.3 Dränagefläche der Gemarkung Hechen-wang

(eigene Aufnahme, 2008)

Abbildung 6.3 zeigt den Blick auf die in dieser Gemarkung größte Dränfläche, das Bild wurde auf der Linie Achselschwang – Hechenwang aufgenommen. (vgl. Abbildung 6.2)

6.2.4 Meteorologische Daten

Neben den vom DWD zur Verfügung gestellten Niederschlagsdaten, wurden die auf-gezeichneten Messungen der in Tabelle 6.2 aufgeführten Messstationen verwendet. Alle Stationen gehören zum agrarmeteorologischen Messnetz des Bayerischen Lan-


desamtes für Landwirtschaft und befinden sich mit einer maximalen Entfernung von ca. 50 km im Umkreis des Einzugsgebietes. Folgende von den Stationen aufgezeichneten meteorologischen Daten wurden verwendet: Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchtig-keit, Windgeschwindigkeit und Globalstrahlung. Abbildung 6.4 gibt eine räumliche Übersicht des Messstationennetzes.

Abbildung 6.4 Standorte der agrarmeteorologischen Messstationen

(www.lfl.bayern.de, 2008)

6.3 Datenaufbereitung Alle in diesem Kapitel beschriebenen Datensätze waren notwendig, um das Modell aufzubauen sowie die Modellierung im nördlichen Teileinzugsgebiet durchführen zu können.


6.3.1 Abflussdaten

Vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim wurden Pegelmessungen des Pegels Werksab-fluss Windachspeicher und des Pegels Greifenberg, im Zeitraum 01.01.2000 – 31.12.2007 zur Verfügung gestellt. Der Kopf der verwendeten Abflusstabelle ist in Ta-belle 6.1 dargestellt. Die Größe der Teileinzugsgebiete, sowie die geografische Lage in Gauss- Krüger- Koordinaten wurden mittels ArcGIS ermittelt. Die Daten im angegeben Zeitraum enthielten Stundenwerte der Abflussganglinie in [m³/s]. Die Generierung der Teileinzugsgebiete wird in Kapitel 6.3 näher ausgeführt.

EZG-Größe [km²] 54,581 74,796 110,720 Rechtswert 4426439 4426441 4432809 Hochwert 5318685 5322661 5326072 Pegel Werksabfluss Finning Greifenberg

Tabelle 6.1 Verwendete Pegel (www.hnd.bayern.de, 2008)

Beispielhaft ist in Abbildung 6.4 die Gebietsabflussspende für den Pegel Greifenberg dargestellt. Es ist deutlich der jahreszeitliche Wechsel der Abflussspende zu erkennen. Niedrigwasserperioden herrschen in den Sommermonaten vor, sowie Perioden hoher Abflüsse im Winter und Frühjahr.

Gebietsabflussspende Pegel Greifenberg 07/03 - 10/04

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,3500

Juli 0

3

Augus

t 03

Septem

ber 0

3

Oktobe

r 03

Novem

ber 0

3

Dezem

ber 0

3

Janu

ar 04

Februa

r 04

März 04

April 0

4

Mai 04

Juni

04Ju

li 04

Augus

t 04

Septem

ber 0

4

Oktobe

r 04

Novem

ber 0

4

Zeit

Spen

de [m

m/h

*km

²]

Abbildung 6.5 Gebietsabflussspende Pegel Greifenberg Juli/03 - Oktober/04

(www.lfl.bayern.de, 2008)


6.3.2 Meteorologische Daten

Um mit den Daten eine räumliche Interpolation sowie eine Niederschlagskorrektur durchführen zu können, war es notwendig die auf den Stationsblättern hinterlegten geographischen Koordinaten in Gaus- Krüger- Koordinaten umzuwandeln. Für diese Umformung wurde der von LABONDE (2008) veröffentlichte Rechner verwendet. Die von LABONDE angegebene Genauigkeit liegt im Bereich kleiner 1 m und stellt somit eine zu vernachlässigende Fehlerquelle dar.

Geographische Koordina-ten

Geographische Koordina-ten

Gaus- Krüger- Koor-dinaten Nr. Station

h m s Breite (dez) h m s Länge (dez) Rechtswert Hochwert1 Duerabuch 48 15 48 48,26333333 11 13 17 11,22138889 4442299 53475592 Geratshof 47 59 27 47,99083333 10 50 18 10,83833333 4413402 53176193 Gut Hüll 48 5 36 48,09333333 11 19 35 11,32638889 4449929 53285824 Lansberg 48 3 28 48,05777778 10 53 5 10,88472222 4416972 53250115 Puch 48 11 11 48,18638889 11 13 0 11,21666667 4441861 53390066 Roggenst. 48 10 54 48,18166667 11 19 14 11,32055556 4449581 53384087 Rothenfeld 47 58 14 47,97055556 11 13 25 11,22361111 4442135 53150038 Westerns. 48 2 25 48,04027778 10 58 21 10,9725 4423489 5322974

Tabelle 6.2 Koordinatentransformation der Messstationen

Abbildung 6.6 Koordinatentransformation (LABONDE, 2008)

Für den in Kapitel 6.1 beschriebenen Modellierungszeitraum wurden von den Agrarme-teorologischen Stationen Zeitreihen mit Stundenwerten abgerufen. Die Datensätze aller Stationen wurden auf Vollständigkeit überprüft, fehlende Werte wurden durch die


Fehlerziffer -999 ersetzt. Ausnahme stellt die Globalstrahlung dar, hier wurde die Feh-lerziffer -9999 verwendet. Strahlungswerte können im Jahresverlauf den Betrag von 999 überschreiten und stellen deshalb eine mögliche Fehlerquelle für des Programm dar. Zur Aufbereitung der Datensätze wurde der in Anhang A1 dargestellte Visual Ba-sic for Applications (VBA) Algorithmus unter der Oberfläche des Tabellenkalkulations-programm Exel verwendet. Tabelle 6.3 stellt den Aufbau der verwendeten Zeitreihen am Beispiel der Niederschlagstabelle dar. Die erste Zeile kann Erläuterungen enthal-ten. Die ersten vier Spalten der Zeilen 2-5 sind Platzhalter und stehen für Jahr, Monat, Tag und Stunde. Weiterhin sind in diesen Zeilen für jede Station die Höhe, Rechts- und Hochwert sowie der Stationsname angegeben. Die von WaSiM verwendeten Zeitreihen beginnen in der 1. Stunde und enden in der 24. Stunde eines jeden Tages, ebenso ist die Eingabe von Tageswerten möglich. In den Zeitreihen enthaltene Fehler können zum Programmabbruch führen.

Niederschlag YY MM DD HH 520 640 YY MM DD HH 4442299 4413402 YY MM DD HH 5347559 5317619 YY MM DD HH Duerabu Geratsh

2000 1 1 1 1.5 0.6 2000 1 1 2 0.1 0.1 2000 1 1 3 0.0 0.1 2000 1 1 4 0.0 0.0 2000 1 1 5 0.0 0.0 2000 1 1 6 0.0 0.0 2000 1 1 7 0.0 0.0 2000 1 1 8 0.3 0.0 2000 1 1 9 0.0 0.0 2000 1 1 10 0.2 0.1 2000 1 1 11 1.3 0.0 2000 1 1 12 0.2 0.6 2000 1 1 13 0.0 0.0 2000 1 1 14 0.0 0.0 2000 1 1 15 0.0 0.0 2000 1 1 16 0.0 0.0 2000 1 1 17 0.0 0.0 2000 1 1 18 0.0 0.0 2000 1 1 19 0.0 0.0 2000 1 1 20 0.0 0.0 2000 1 1 21 0.0 0.0 2000 1 1 22 0.0 0.0 2000 1 1 23 0.0 0.0 2000 1 1 24 0.0 0.0

Tabelle 6.3 Aufbau der Zeitreihen am Beispiel der Niederschlagstabelle


Abbildung 6.7 zeigt die aufgezeichneten Niederschläge für das Untersuchungsjahr 2003/ 2004. Für diesen Überblick wurden die Stationen Utting am Ammersee und Wes-ternschondorf ausgewählt. Beide Stationen liegen räumlich nah am Einzugsgebiet der Windach und werden somit als repräsentativ angesehen.

Niederschläge 2003/ 2004

0

5

10

15

20

25

30

35

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Nie

ders

chla

g [m

m]

Western

Utting

Abbildung 6.7 Niederschläge im Untersuchungsjahr pro Tag

Abbildung 6.8 stellt den entfernungsabhängigen Einfluss der Niederschläge dar.

Regression 2003-2004

0,01

0,1

1

10

100

0,01 0,1 1 10 100

Westernschondorf [mm]

Utti

ng [m

m]

Abbildung 6.8 Regression der aufgezeichneten Niederschläge


Die einzelnen Niederschlagsereignisse gleichen Zeitpunktes sind in einer Regression dargestellt. Für kleine Ereignisse ist eine deutliche Verschiebung zur Station Utting erkennbar. Aufgrund der Höhe und der unmittelbaren räumlichen Nähe zum Ammer-see, kann die Ursache in aufgezeichneten Niederschlägen in Form von Nebeln liegen. Grundsätzlich kann aber zwischen den Stationen ein linearer Anstieg in Abhängigkeit der Niederschlagshöhe festgestellt werden.

6.3.3 Bearbeitungsmethoden in ArcGIS

Alle benötigten Daten- und Modellgrids wurden gemäß der folgenden Vorgehensweise mit Hilfe des Geoinformationssystems ArcGIS erstellt. Eine einheitliche, deckungsglei-che Rasteroberfläche kann somit für die von WaSiM verwendeten Karten sichergestellt werden. Abweichungen können zum Programmabbruch führen.

Als Polygone hinterlegte Flächen wurden in einem Zwischenschritt mit der unter Index abgelegten Funktion Clip auf die Einzugsgebietsfläche zugeschnitten, um die in der Attributtabelle hinterlegten Daten zu erhalten. Die erzeugten Raster der unterschiedli-chen Weiten wurden bei einigen Karten mit dem Raster Calculator zugeschnitten, um die Deckungsgleichheit der hinterlegten Daten sicherzustellen. Die Algorithmen sind im Folgenden am Beispiel der Bearbeitung der Bodenkarte aufgeführt:

• boden_a=con(isnull([wald])==1, ([wald]),boden)

• boden_b=con(isnull([boden_a])==0, ([boden_a]),boden)

Besonders bei der Aufbereitung der Bodenkarte waren diese Bearbeitungsmaßnahmen notwendig. Hier stellte sich bei der Analyse der Daten heraus, dass es für einzelne Bodentypen Unterschiede im Aufbau der Bodenhorizonte gibt. Für die Landnutzungsar-ten Wald und Wiese, kam es so zum Beispiel zu einer unterschiedlichen Entwicklung, Ausprägung und Mächtigkeit der oberen Bodenschichten. Mit Hilfe der oben angeführ-ten Werkzeuge, konnte so für das gesamte Windachgebiet eine Bodenkarte erstellt werden bei der die Landnutzungsformen mit berücksichtig werden.

6.3.4 Digitales Geländemodell (DGM)

Für die Ermittlung der Fließrichtung und Fließzeit sowie der Ableitung des Einzugsge-bietes wird als Grundlage ein digitales Geländemodell verwendet. Da die Dateien des Wasserwirtschaftsamtes im 12. Bezugsmeridian vorlagen, wurde mit Hilfe von ArcGIS der Bezugsmeridian vom 9. auf den 12. verlegt. Der Bezug zu den anderen Daten kann so hergestellt werden.

Es wurde auf die Fläche des Einzugsgebietes mit einer Rasterweite von 25 m zuge-schnitten. Das DGM des Windachgebietes ist in Abbildung 6.9 abgebildet. Der Datei-kopf des DGM- Grids ist in Tabelle 6.4 dargestellt. Ausgehend von diesen Koordinaten wurden alle anderen Daten mit Hilfe von ArcGIS rastergleich angepasst. In Zelle (2,3) und (2,4) sind die Rechts- und Hochwerte des Referenzpunktes angegeben.


Abbildung 6.9 Digitales Geländemodell des Windachge-bietes


Die angegebenen Koordinaten beziehen sich auf den unteren linken Eckpunkt. Weiter-hin sind im Dateikopf Informationen über Spalten- und Zeilenzahl, mit einer Fehlerziffer gekennzeichnete Rasterpunkte außerhalb des Einzugsgebietes, sowie die Rastergröße enthalten. Der Eintrag stellt die mittlere Geländehöhe der Zelle ü. N.N. dar.

ncols 154 nrows 228 xllcorner 4420976.5 yllcorner 5307374.0 cellsize 100 NODATA_value -9999

-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999 691 -9999 -9999 690 689

Tabelle 6.4 Dateikopf der Datengrids

6.3.5 Landnutzungskarte

WaSiM-ETH kann eine nicht begrenzte Anzahl unterschiedlicher Landnutzungen ver-arbeiten. Die Hinterlegung der entsprechenden Eigenschaften wie Durchwurzelung, Blattflächenindex etc. ist dafür in der Steuerdatei erforderlich. Die im ATKIS- Datensatz enthaltenen Codes der Objekte des Landschaftsmodells werden durch die zusammen


mit dem Datensatz ausgegebenen „Ebenenstruktur des Basis- DLM“ katalogisiert. Die im nördlichen Teileinzugsgebiet der Windach vorkommenden Objekte sind in Tabelle 6.5 zusammengestellt. Um eine möglichst übersichtliche Datenlage zu erhalten und die vorhandenen Strukturen auch bei einer Rasterweite von 100 m nicht zu sehr zu verwi-schen, wurden die im Modell verwendeten Landnutzungsarten auf die in Tabelle 6.5 dargestellten Einträge reduziert. Gleiche oder ähnliche Nutzungstypen wurden dabei zusammengefasst. Entscheidend für die Wahl der dargestellten Landnutzungen waren die Einflüsse der hinterlegten Eigenschaften. Besonders groß ist die Variation dieser Eigenschaften für die unterschiedlichen Waldformen. In WaSiM werden deshalb unter-schiedliche Parameter für Laub-, Nadel- und Mischwald verwendet. Das Landnut-zungsgrid musste daher in mehreren Abschnitten bearbeitet werden. Der erste Schritt war die Aufbereitung der Waldflächen. Dabei wurden die Kulturen nach ihren Gehölz-beständen aufgeteilt, die Einzelflächen wurden mittels ArcGIS extrahiert und den hin-terlegten Codes wurde für:

1000 Laubwald, 2000 Nadelwald und 3000 Mischwald zugewiesen.

Abbildung 6.10 Digitale Landnutzungskarte des nördli-chen Windachgebietes


Im nächsten Schritt wurden nacheinander die Waldflächen und die übrigen Flächen in Raster umgewandelt und anschließend das Waldgrid mit dem Grid der übrigen Land-


nutzung wieder verschmolzen. Die erzeugten Datenkarten wurden dafür in txt Dateien umgewandelt und im Tabellenkalkulationsprogramm Exel eingelesen. Die Umformung der Matrizen erfolgte mit den in Anhang A.2 und A.3 dargestellten Algorithmen. In die-sen Vorgang wurde gleichzeitig die Reduktion auf die in Tabelle 6.5 dargestellten sie-ben Nutzungsarten durchgeführt.

Code Objart Bezeichnung Code Nutzungsart

1 4101 Ackerland 1 Wasser 2 4102 Grünland 2 Siedlung 3 4103 Gartenland 3 Nadelwald 4 4105 Moor 4 Laubwald 5 4109 Sonderkultur 5 Mischwald 6 4106 Feuchtwiesen 6 Ackerflächen 7 2101 Sumpf 7 Grünland 8 2113 Ortslage 9 2112 Flächen gemischter Nutzung

10 2114 Ind. Gewerbefl. 11 2202 bes. funk. Prägung 13 2111 Wohnbaufläche 14 2201 Sportanlagen 16 2213 Friedhof 17 2227 Grünanlage 18 2301 Tagebau/ Steinbruch 20 2122 Deponie 21 2132 Gärtnerei 23 2134 Wasserwerk 24 2121 Bergbaubetrieb 26 2129 Kläranlage 29 2222 Sportplatz 30 2224 Schwimmbad 31 2314 Absetzbecken, Faulteich 33 3103 Rollbahn 34 3501 Bahnhofsanlagen 36 7302 Naturschutzgebiet 37 5101 Gewässer 38 5112 See/ Teich 39 5103 Graben/ Kanal 40 3101 Autobahn

Tabelle 6.5 vorliegende und verwendete Landnut-zungen


6.3.6 Bodenkarte

Die als Shape Datei vorliegende Konzeptbodenkarte wurde mittels ArcGIS in ein Ras-ter mit einer Maschenweite von 100 m umgewandelt. Bei der Auswertung der Konzept-bodenkarte wurden Unterschiede im horizontalen Aufbau einzelner Bodentypen fest-gestellt. Sowohl durch die landwirtschaftliche Bearbeitung der Ackerböden, als auch den Einfluss des Wurzelwerkes auf den Waldflächen kam es zu geringfügigen unter-


schiedlichen Entwicklungen im Aufbau der oberen Bodenschichten. Auf Grund dieser Tatsache wurde das Bodengrid manuell angepasst. In einem ersten Schritt wurden alle Waldflächen im Gebiet separiert und mit der Bodenkarte verschnitten. Im zweiten Schritt wurde dieser Vorgang mit den restlichen Landnutzungsflächen durchgeführt. In den zwei vorliegenden Bodenkarten wurden die vom Modell verwendeten Bodencodes wie in Tabelle 6.6 dargestellt verändert. Die Modellcodes aller Böden wurden um eine Stelle erweitert. Waldböden wurden mit der Endziffer 1 abgelegt, die übrigen Böden mit einer 2. Als Hilfsmittel wurden hierbei die in Anhang 4 und 5 dargestellten Algorithmen zur Umcodierung der Bodencodes verwendet. Die von der Standortkundlichen Boden-karte Bayerns übernommenen Bodeneigenschaften wurden in der Steuerdatei hinter-legt und sind so vom Modell zentral abrufbar. Abbildung 6.11 gibt einen Überblick, über die vorhandene Bodenstruktur. Die Darstellung der Böden wurde dabei auf eine Farb-skala mit 10 Teilbereichen begrenzt. Auf diese Weise werden örtliche Einflüsse wie Erosion oder Anschwemmungszonen besser abgebildet.

Abbildung 6.11 Digitale Bodenkarte des Windachgebietes (ATKIS- Datensatz, 2007)


Modellcode

Allgemein Wald Sonstige Bodentyp Bezeichnung

10 18a Ackerpararendzina 21 22 84a Auenrendzina

30 998 Fehlerflächen 80 12a Kolluvium

151 152 29a Parabraunerde 161 162 28a Pararendzina

170 64a Cleypararendzina 180 64c Kalkh.Annmoorgley

191 192 22a Parabraunerde 201 202 34a Pseudogley- Parabraunerde

220 91a Kalkh.Auengley 230 68 Pararedzina- Gley

241 242 35 Parabraunerde Pseudogley 251 252 30a Parabraunerde

260 60 Anmoorgley 271 272 28b Pararendzina

280 65c Anmoorgley 310 78 Niedermoor

321 322 22b Parabraunerde 331 332 31a Parabraunerde

340 65b Braunerde- Gley 350 71 Anmoorgley 360 77 Niedermoor

371 372 17 Pararendzina 380 9a Braunerde 390 90a Auengley- Auenrendzina 400 161 162 56a Pararendzina

421 422 86 Auenrendzina 430 62a Gley- Rendzina 450 64b Kalkh.- Gley 460 65a Gley- Braunerde 480 28c Pararendzina Jungmoräne 580 79 Hochmoor

Tabelle 6.6 Im Modell verwendete Bodencodes (ATKIS- Datensatz, 2007)

6.3.7 Dränagekarte

Die im Wasserwirtschaftsamt Weilheim in Kartenform vorliegenden Dränagepläne im Maßstab 1:5000 wurden zunächst eingescant und im Format .JPG als digitale Karte abgelegt. Die gesamte weitere Datenaufbereitung wurde mit ArcGIS durchgeführt. Im 2. Schritt wurde unter Verwendung einer Referenzkarte die neu erstellten Dränagekar-ten georeferenziert. Unter Georeferenzierung versteht man die Zuweisung raumbezo-gener Referenzinformationen zu einem Geodatensatz (vgl. WIKIPEDIA, 2008).


Abbildung 6.12 Dränageflächen im nördlichen Teilein-zugsgebiet

(WWA Weilheim, 1976/ ATKIS- Datensatz, 2007)

Bei diesem Vorgang werden in beiden Karten mehrere bekannte und genau zu definie-rende Punkte, zum Beispiel eingemessene Flur- oder Grenzsteine, gesetzt, mit deren Hilfe das zu überführende Koordinatensystem auf den neuen Datensatz übertragen wird. Die Anzahl der zu setzenden Punkte richtet sich nach der Verzerrung der zu überführenden Karte und der ausgegebenen Fehlerziffer.

Schritt 3 war die Erstellung der Polygone aller Dränflächen, um Informationen zuzuwei-sen, sowie die für WaSiM-ETH erforderlichen Dränagegrids erstellen zu können. Abbil-dung 6.12 stellt die Karte der Dränageflächen des nördlich vom Windachspeicher gele-genen Teileinzugsgebietes dar. Die vom Programm ermittelte Gesamtfläche aller drä-nierten Ackerflächen sowie des dränierten Grünlandes beträgt im nördlichen Teilein-zugsgebiet 666,90 [ha]. das entspricht 17,2 % der landwirtschaftlich genutzten Fläche.


6.4 Erzeugung der Sekundärdaten In Kapitel 5 wurde WaSiM-ETH und die für den Modellablauf notwendigen Daten be-schrieben. In diesem Kapitel soll nun auf die nächste Datenebene eingegangen wer-den. Für die Aufbereitung von den Primärdaten zu den Sekundärdaten wurde das vom Lehrstuhl für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz der Universität der Bundeswehr München von Herrn Professor Kleeberg entwickelte ASGi verwendet. ASGi stellt ein übergeordnetes Modell dar, das WaSiM-ETH als Modellkern enthält. Es soll im Fol-genden beschrieben werden. (KLEEBERG, 1999)

6.4.1 ASGi

ASGi bezeichnet ein Programm, zur rechnergestützten Simulation des Abflussgesche-hens und des Stoffaustrages in einem Flusseinzugsgebiet. WaSiM-ETH ist in ASGi als Programmkern integriert. Die genaue Bezeichnung lautet, Kontinuierlicher Abfluss und Stofftransport – integrierte Modellierung unter Nutzung von Geoinformationssytemen. Konzipiert wurde das Modell für folgende Leistungen:

- räumlich und zeitlich hochaufgelöste Berechnungen der Wasser- und Stoff-ströme

- beliebige Szenarienrechnungen unter veränderten Randbedingungen

- Einsatz in Einzugsgebieten mit schlechter Datenlage durch angepasste Be-rechnungsalgorithmen

- menü- und dialogorientierte Benutzerführung, bei weitgehend automatisierter Abarbeitung

- komplexe Modellierungsarbeiten in einem einzigen, modularen Programmsys-tem

Das Modell ist aus den Modulen Dateimanagement, Präprozessor (Datenbereitstel-lung), Prozessor (Simulation) und Postprozessor (Dokumentation und Präsentation) aufgebaut. Die wichtigsten, zur Erfassung des Abflussbildungsprozesses notwendigen Eingangsparameter, sind meteorologische Daten, Landnutzung, Topographie und die Bodeneigenschaften. Das Modell kann die Dynamik der Vorgänge des Wasserhaushal-tes abbilden und ist auch in der Lage etwaige Auswirkungen von Klimaveränderungen zu simulieren.

Für die Aufbereitung der meteorologischen Eingangsdaten stehen zwei Methoden zur Verfügung. Die höhenabhängige Regression mit Ausgleich der Residuen durch eine Trendfläche als vertikale Interpolation für höhenabhängige Größen wie Lufttemperatur, Dampfdruck, Windgeschwindigkeit und Globalstrahlung. Für abstandsabhängige Werte wie die Sonnenscheindauer oder der Niederschlag kann die abstandsgewichtete Inter-polation gewählt werden. Weiterhin ist eine Kombination aus horizontaler und vertikaler Interpolation möglich, (KLEEBERG, 1999).


Definitionen

häufigster Wert Der in den untergeordneten Grids am häufigsten vorkommender Wert. Beispiel: die gesamte Zelle wird als Wald gesetzt, wenn der Code der Landnutzungsart Wald am häufigsten vorkommt.

Mittelwert Aus den Codes der kleineren Maschenweite wird für die Zielgröße der Mittelwert gebildet, Beispiel: DHM.

simple scaling Ziel ist die Frequenzanalyse bei Winduntersuchungen, die maximale Intensität wird dabei in Abhängigkeit der gewählten Dauerstufe und der Wiederkehrperiode dargestellt.

Datengrids

Datengrids bezeichnen alle Ausgangsdaten die dem Modell zur Verfügung gestellt werden. Sie wurden im aufgebauten Modell mit einer Rasterweite von 25 m in der Da-teioberfläche abgelegt.

Abbildung 6.13 Erstellung der Sekundärdaten mit ASGi (ASGi 4.1)

Die Aufbereitung der Rasterdaten erfolgte über die Aggregierung in ASGi. Alle Mo-dellgrids wurden mit einer Rasterweite von 100 m angelegt. Bei dieser Auflösung erhält man eine immer noch sehr detaillierte Auflösung bei praktikablem Rechenaufwand. Landnutzung- und Bodengrid wurden händisch aufbereitet. Auf Grundlage des DHM wurde mit Hilfe von ASGI die nachfolgend näher beschriebenen Grids erzeugt. Abbil-dung 6.13 und 6.14 stellen den betreffenden Oberflächenausschnitt von ASGi dar. Die Aggregierung erfolgte anhand der statistischen Methoden Stichprobe, häufigster Wert, Mittelwert und simple scaling. Die Wahl der Methode für die Aggregierung der unter-schiedlichen Grids wurde aus der vom Lehrstuhl entwickelten „Einführung in ASGi 4.1 (WaSiM-ETH)“ übernommen.


6.4.2 Aufbereitung der Sekundärdaten

Bereinigung des DHM

Die Bereinigung stellt die Voraussetzung aller nachfolgenden Schritte dar. Um zu ge-währleisten, dass jedes Grid eine eindeutige Fließrichtung besitzt, muss das DHM be-reinigt werden. Bei diesem Vorgang werden Senken oder Ebenen ohne Abfluss aus der Karte entfernt. Durch Interpolation der mittleren Höhen der betroffenen Grids mit den angrenzenden Zellen werden beispielsweise Senken so lange aufgefüllt, bis sie einen eindeutigen Abfluss besitzen.

Abbildung 6.14 Erstellung der Sekundärdaten mit ASGi (ASGi 4.1)

Ermittlung von Fließrichtungen und Fließzeiten

Für jede Rasterzelle wird die Entwässerungsrichtung ermittelt, möglich sind die vier Himmelsrichtungen und ihre Halbierenden zu den angrenzenden Zellen. Dargestellt wird die Interpolation mit den umliegenden Zellen durch eine Skalierung in 128 Farben. Die Ermittlung der Fließzeiten erfolgt nach Manning-Strickler.

Gewässer

In weiteren Schritten wurde mit Hilfe von ASGi das Flussnetz, sowie die Gewässerbrei-te und Tiefe ermittelt. Für die Bildung der Gewässerstruktur wurde der Schwellwertpa-rameter auf 2000 gesetzt (Erfahrungswert). Der Schwellwert definiert die Grenze zwi-schen temporärem Oberflächenabfluss und ständigem Abfluss in einem Gerinne.


Erzeugung der Teileinzugsgebiete

Zur Generierung der Teileinzugsgebiete wurde das vorher erzeugte Gewässernetz verwendet. Die durch ihre Koordinaten bekannten Pegel Werksabfluss Windachspei-cher und Greifenberg wurden wie in Abbildung 4.2 abgebildet dargestellt, händisch in einen Layer eingezeichnet der über dem Gewässergrid lag. Der Pegel wurde dabei als Balken über das Gewässer und die ufernahe Überschwemmungszone gelegt. Durch ein erneutes einlesen des Rasters Pegelstationen in ASGi konnten die einzelnen Teil-einzugsgebiete abgeleitet werden.

6.4.3 Erzeugung des Teileinzugsgebietes Finning

Das Teileinzugsgebiet Finning wurde durch Setzen eines künstlichen Pegels nördlich der Ortschaft Finning geschaffen. Abbildung 6.15 stellt das Teileinzugsgebiet mit sei-nen Strukturen, sowie den gekennzeichneten Dränageflächen dar. Ziel ist es, mit den über diesen Pegel gewonnen Daten die Einflüsse der Dränagen auf die Abflussbildung abzubilden.

Abbildung 6.15 Teileinzugsgebiet Finning (WWA Weilheim, 1976/ ATKIS- Datensatz, 2007)


6.5 Die Steuerdatei WaSiM arbeitet mit drei ineinander verschachtelten Schleifen. In jedem Zeitschritt wer-den für jede einzelne Rasterzelle mehrere Teilmodelle mit einer großen Menge an Raumdaten berechnet. In der Modellierung ist dabei die Zeitschleife die äußerste Schleife um alle Elemente in einem Zeitschritt zu erfassen. Innerhalb eines Zeitschrit-tes findet die Modellierung der Teilmodelle statt. Die innerste Schleife ist die Raum-schleife.

Mit dieser Organisation der Zeit-, Teilmodell- und Raumschleifen sind theoretisch un-begrenzte Modellierungszeiträume möglich. Während der Berechnung werden keine Raum- oder Zeitdaten zwischengespeichert. Raumdaten werden für die Steuerdatei abrufbar als Grids abgelegt. Die notwendigen meteorologischen und hydrlogischen Daten werden dafür in einer einzigen großen Datei für jede Größe zusammengefasst. Die Eingangsdaten können so für jeden Zeitschritt aus einer Zeitreihe abgerufen und abgearbeitet werden. Alle Abläufe werden im Modell mit einer konstanten Zeitschritt-weite abgearbeitet, die Länge der Zeitintervalle für die Teilmodelle werden dabei in der Steuerdatei festgelegt.

6.5.1 Aufbau der Steuerdatei

Alle für die Modellierung notwendigen Daten und Angaben sind in der Steuerdatei ent-halten. Der Aufbau der Steuerdatei ist thematisch organisiert, die Abarbeitungsreihen-folge der Teilmodelle für WaSiM ist somit festgelegt.

Die in der Steuerdatei enthaltenen Angaben für die Modellierung mit WaSiM können den folgenden Gruppen zugeordnet werden:

• Dateinamen für den Eingabe- und Ausgabedatenstrom,

• Steuerparameter für den Programmablauf und

• Modellparameter

• Statische Daten

• Tabellen (z.B. Boden- und Landnutzungskennwerte)

Die Steuerdatei ist Abschnittsweise aufgebaut, jeder Abschnitt steht für ein Thema oder definiert eines der Teilmodelle. Abbildung 6.16 stellt das Grundprinzip schema-tisch dar. Jedem Abschnitt ist ein Kommentar vorangestellt und jedem Eintrag folgt ebenfalls eine Erläuterung. Jede Zeile der nicht ein # vorangestellt ist wird ausgeführt beziehungsweise führt bei fehlenden oder fehlerhaften Daten zum Programmabbruch.

Der Erste Abschnitt beinhaltet allgemeine Einträge wie Ausgabelisten, definiert die Grids und gibt die Pfade an wo sie abgelegt sind und legt die Modellzeit fest. Im Zwei-ten Abschnitt sind die Meteorologischen Eingangsdaten sowie die notwendigen Daten für Interpolation und Regression abgelegt. Der Dritte Abschnitt führt die einzelnen


Teilmodelle auf und im Vierten Abschnitt sind die Landnutzungs- und Bodenabhängi-gen Parameter abgelegt.

Abbildung 6.16 Grundprinzip des Aufbaus der Steuerdatei (SCHULLA, 1998)

6.5.2 Anpassung der Steuerdatei

In Anlage B ist die für die Modellierung verwendete vollständig Steuerdatei angehängt. Grundlage für den Aufbau der Steuerdatei ist die in der WaSiM-ETH Dokumentation enthaltene Beispielsteuerdatei sowie die dazugehörigen Erläuterungen. Im Folgenden sollen nur Beispielhaft einzelne Abschnitten näher betrachtet werden. Der erste Ab-schnitt definiert die Eingabe- und Ausgabedateien und weist den Teilmodellen die Pfa-de zu den Abgelegten Daten zu.

$set $year = 2002

$set $endyear = 2003

$set $outpath = /home/a61atoni/windachaktuell/Draenagen/ergebnisse/

$set $inpathgrd = /home/a61atoni/windachaktuell/Draenagen/modellgrids/

$set $inpathtab = /home/a61atoni/windachaktuell/Draenagen/tabellen/

$set $inpathreg = /home/a61atoni/windachaktuell/Draenagen/regress/

$set $exchngpath = D:\daten\m500\exchng\

$set $time = 60.0

$set $variante = Var_1

$set $grid = m100

$set $stack = _stack

$set $suffix = grd


$set $code = stat

:

Im zweiten Abschnitt wird unter anderem die zu modellierende Modellzeit festgesetzt, für dieses Beispiel die Daten eines hydrologischen Jahres. Beginn und Endjahr der Modellierung werden bereits in den ersten Zeilen festgelegt. Auf Grundlage der festge-setzten Modellzeit werden durch die Teilmodelle die Daten der hydrologischen und Meteorologischen Zeitreihen abgerufen.

:

[model_time]

1 # start hour

1 # start day

11 # start month

$year # start year

24 # end hour

31 # end day

10 # end month

$endyear # end year

:

Das Ungesättigte- Zone- Modell ist eines der Teilmodelle in WaSiM-ETH. Alle Teilmo-delle können durch setzten der ersten Zeile ein- bzw. ausgeschaltet werden, durch Auswahl verschiedener Komponenten variiert oder an die gesetzten Untersuchungszie-le angepasst werden.

:

[unsatzon_model]

1 # 0=ignore this module, 1 = run the module

$time # duration of a time step in minutes

2 # method, 1=simple method (will not work anymore from version 7.x), 2 = FDM-Method 3 = FDM-Method with dynamic time step down to 1 secound

2 # controlling interaction with surface water: 0 = no interaction, 1 = exfitration possible 2 = infiltration and exfiltration possible

0 # controlling surface storage in ponds: 0 = no ponds, 1 = using ponds for surface storage (pond depth as standard grid needed -> height of dams oround fields)

1 # controlling artificial drainage: 0 = no artificial drainage 1 = using drainage (drainage depth and horizontal pipe distances as standard grids needed!)

0 # controlling clay layer: 0 = no clay layer, 1 = assuming a clay layer in a depth, specified within a clay-grid (declared as a standard grid)

5e-8 # permeability of the clay layer (is used for the clay layer only)

4 # parameter for the initialization of the gw_level (range between 1..levels (standard: 4))

:

In diesem Teilmodell sind die sensitiven Parameter des Bodenmodells abgelegt. Wäh-rend der Kalibrierungsphase wurden die Variationen direkt an dieser Stelle vorgenom-men.


:

$outpath//intd//$variante//.//$code # name of a file containing the hydraulic head of the layers of the control point

2 3 #range for subbasin codes

10 10 #kelsqd

120 120 #kelsqi

5 5 #darainage density

3 3 #k in qb = Q0 * exp(-k/z) with z = depth to groundwater

0.01 0.01 #Q0 in the above formula

0.2 0.2 #fraction of surface runoff on snow melt

$readgrids # meanings are extended now! read the follwing comments

:

Für alle vorkommenden Landnutzungs- und Bodenarten wurden, wie am Beispiel der Ackerpararendzina gezeigt, alle für den Modellablauf notwendigen Parameter abgelegt. Dies stellt die innerste Schleife im Modellablauf dar.

:

[soil_table]

45 # number of following entries

#co- name of the

#de soil profile

#-- ---------------

010 Ackerpararendzina {method = MultipleHorizons;

PMacroThresh = 10.00;

MacroCapacity = 4.00;

CapacityRedu = 1.00;

MacroDepth = 2.00;

Horizon = 1 2 3 ;

Name = Lts Ls Su ;

Ksat = 0.364E-05 0.123E-04 0.405E-04;

k_recession = 1.000 1.000 1.000 ;

theta_sat = 0.390 0.410 0.430 ;

theta_res = 0.100 0.065 0.057 ;

alpha = 5.900 7.500 1.240 ;

Par_n = 1.480 1.890 2.280 ;

Par_tau = 0.500 0.500 0.500 ;

Thickness = 0.230 0.120 1.150 ;

Layers = 1 1 18 ;

}

:

7 Modellierung 98

7 Modellierung Im Bearbeitungszeitraum dieser Arbeit wurden zwei Wasserhaushaltsmodelle für das Einzugsgebiet der Windach aufgebaut. Für beide Modelle wurde eine Rasterweite von 100 m gewählt, der Datentransfer kann so ohne Umformatierungen durchgeführt wer-den.

Das Modell Windach 1 stellt das gesamte Einzugsgebiet mit einer modellierten Fläche von 11072 [ha] dar. Das Gebiet unterteilt sich in die Teileinzugsgebiete Pegel Greifen-berg – Windachspeicher und das Gebiet oberhalb des Windachspeichers.

Der Rechenumfang des zweiten Modells Windach 2 wurde halbiert. Es wird eine Flä-che von 5614 [ha] berechnet. Mit Hilfe dieses Modells soll die Rechenzeit bei der Be-stimmung des für das Gebiet optimalen Parametersatzes verkürzt werden. Weiterhin dient es der Ermittlung des Einflusses der Dränabflüsse auf die Abflussbildung.

Das Modell umfasst nur das flussabwärts des Speichers gelegene Teileinzugsgebiet bis zum Pegel Greifenberg. Der durch den Werksabfluss Windachspeicher gemessene Speicherabfluss wird als Zufluss in das Modell eingelesen und so beim Abflussrouting bis zum Pegel Greifenberg mit berücksichtigt. Zur näheren Untersuchung der Dräna-geabflüsse wurde nördlich der Ortschaft Finning ein zusätzlicher, künstlicher Pegel gesetzt. Die Aufgabe dieses Pegels ist es, die erwarteten Unterschiede in der Abfluss-bildung bei ein- und ausgeschalteten Dränagemodul zu erfassen. Die Lage des Pegels wurde so gewählt, dass ein möglichst hoher Anteil dränierter Fläche in seinem Teilein-zugsgebiet liegt. Der Dränageanteil entspricht nahezu dem für Bayern als repräsentativ angeführten Flächenanteil von etwa einem Drittel der landwirtschaftlich genutzten Ge-samtfläche.

7.1 Notwendige Schritte Die Aufbereitung der Daten ist in Kapitel 6 dokumentiert. Der Modellaufbau erfolgte in folgenden Schritten:

1. Erfassung und Digitalisierung der Dränageflächen

2. Zusammenstellung und Aufbereitung der meteorologischen Daten

3. Aufbereitung der Daten- und Modellgrids

4. Anpassung der Steuerdatei

5. Kalibrierung des Modells

7 Modellierung 99

7.2 Kalibrierung Die vom WaSiM verwendeten Parameter steuern die einzelnen Volumenströme in den Modellmodulen, sie reagieren unterschiedlich sensitiv und müssen teilweise speziell an die vorherrschenden Bedingungen im Einzugsgebiet angepasst werden. Besonders die Parameter für das Bodenmodell reagieren äußerst sensitiv und müssen an die im Ein-zugsgebiet herrschenden Bedingungen und Einflüsse angepasst werden.

Folgende Parameter des Bodenmodells müssen für das Einzugsgebiet kalibriert wer-den:

• k D [h] Parameter, der die Dynamik des Direktabflusses steuert

• k I [h] Parameter, der die Dynamik des Zwischenabflusses steuert

• d r [-] Parameter, der die Dränfähigkeit des Bodens steuert

• k b [m] Parameter, der die Dynamik des Basisabflusses steuert

• q 0 [mm/h] Parameter, der das Volumen des Basisabflusses steuert

Durch die Beobachtung des Modellverhaltens bei der Verwendung unterschiedlicher Parametersätze werden für das Modell folgende Grenzwerte gesetzt:

Parameter Einheit Unterer Grenzwert Oberer Grenzwert

k d [h] 0,01 150,00

k i [h] 0,01 150,00

d r [-] 0,10 10,00

k b [m] 0,50 1,50

q 0 [mm/h] 0,01 0,3

Tabelle 7.1 Parametergrenzen

Für alle Parameter k lässt sich grundsätzlich sagen, dass sie mit zunehmender Größe den jeweiligen Abfluss vergleichmäßigen, im Umkehrschluss nimmt die Dynamik in Bezug auf die einzelnen Niederschlagsereignisse mit abnehmender Parametergröße deutlich zu.

Beim Setzen des Parameters q 0, wird ein Schwellwert für den Basisabflussvolumens gesetzt, der nicht unterschritten wird.

7.2.1 Automatisierte Kalibrierung

Es bestehen zwei Möglichkeiten die im Folgenden näher beschriebenen Parameter zu kalibrieren. Mittels SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizonas, Du-

7 Modellierung 100

an et al., 1992, 1993, 1994), dieses Programm basiert auf einer automatisch ablau-fenden Kalibrierungsschleife, welches die tatsächlich am Pegel gemessenen Abflüsse über den Kalibrierungszeitraum hinweg mit den berechneten Werten vergleicht und solange die Ausgangsparameter variiert, bis das Modell realitätsnahe Ergebnisse lie-fert.

7.2.2 Manuelle Kalibrierung

Die zweite Möglichkeit ist die manuelle Kalibrierung der benötigten Parameter. Die Wahl der Ausgangsgrößen für den ersten Durchlauf erfolgt über Erfahrungswerte, Ver-gleiche mit ähnlichen Gebietsmodellen oder Schätzungen. In weiteren Durchläufen werden die Parameter einzeln variiert und so den gemessenen Pegelwerten angegli-chen.

Sollen Parameter manuell Kalibriert werden, müssen alle Variationen in der Steuerda-tei vorgenommen werden. In einem ersten Durchlauf werden vom Programm weitere benötigte Speichergrids, Abflusstabellen und Dokumentationen für interne Abläufe er-stellt. In mehreren weiteren Durchläufen mit den gleichen Werten des Parametersat-zes, dienen die im ersten Durchlauf erzeugten Daten nach einer Einschwingphase zur Verfeinerung und Vergleichmässigung der Berechnung.

7.2.3 Vorgehensweise bei der manuellen Kalibrierung

Die Optimierung beziehungsweise Kalibrierung der Modellparameter wurde im Zeit-raum der hydrologischen Jahre 2003-2005, von 01.11.2002 bis zum 31.10.2005 manu-ell durchgeführt.

In einem ersten Schritt sollen die Parameter für den Zeitraum 01.11.2003 bis 31.10.2004 ermittelt werden. Mit diesen Werten erfolgt im vollen Kalibrierungszeitraum eine Feinabstimmung.

Das Ziel bei der Kalibrierung ist es, die Teilabflüsse bestmöglich abzubilden und das im Modell abgeführte Volumen an den natürlichen Prozess anzupassen. Der Basisabfluss soll über den Jahresgang annähernd konstant sein und auf die niederschlagsreichen Perioden mit einem deutlich, zeitlich verzögerten, erhöhten Abfluss reagieren. Der Di-rektabfluss muss mit einer dem Niederschlagsereignis entsprechenden Dynamik rea-gieren. Ein Nachlauf darf sich dabei nur für den Interflow einstellen.

Zur Bestimmung des Parameters q0 wurde der errechnete Abfluss mit den gemesse-nen Werten in den niederschlagsarmen Sommermonaten verglichen. Nach einigen Durchläufen konnte dieser Parameter festgesetzt werden. Die Ermittlung der anderen Parameter erfolgte in mehreren Schritten durch eine Vielzahl von Modelldurchläufen. Erste Berechnungen erfolgten ohne eine Einbeziehung des Interflows, die Dränage-dichte wurde dafür auf null (dr= 0) gesetzt. Die Dynamik des Basisabflusses wurde zu diesem Zeitpunkt noch nicht berücksichtigt kb = 1. Fallende Niederschläge werden so komplett über den Oberflächenabfluss abgeführt, was zu einer überhöhten Modellie-rung der Hochwasserspitzen führt. Stimmen die modellierten Wellen annähernd mit

7 Modellierung 101

den gemessenen überein, wird der Interflow über den Parameter dr zugeschaltet. Der Oberflächenabfluss wird dadurch reduziert und der Interflow erhält seine Funktion als Zwischenspeicher. Die Stärke der Dränagedichte muss dabei in Zwischenschritten den Gebietsabflüssen angepasst werden. In weiteren Durchläufen wurde die Dynamik des Basisabflusses durch Variation von kb angepasst. Um die Abflüsse noch besser anzu-nähern, wurden weitere abwechselnde Anpassungen der Entwässerungsdichte und Dynamik des Basisabflusses durchgeführt. Der Optimierungsfortschritt wird Anhand von zwei Beispielen dargestellt.

7.2.4 Durchlauf 1

Bei jedem Modelldurchlauf wird von WaSiM-ETH eine Vielzahl von Statistiken ange-legt, welche die Modellabläufe dokumentieren. Für die Auswertung der Parametergüte wurden folgende Dateien verwendet:

- qdir.stat

- qgesVar_1.stat

- qgkoVar_1.stat

- qiflVar_1.stat

- qbasVar_1.stat

In Tabelle 7.2 ist der verwendete Parametersatz, zusammen mit dem gemessenen und den errechneten Abflüssen dargestellt.

Modellparameter

kd 5,000 [h] ki 5,000 [h] dr 10,000 [-] kb 1,000 [m] q0 0,010 [mm/h

cmelt 0,200 [-] Gesamtabflussspendenvolumen

Pegel 295,85 [mm/a*km²] Direkt 108,61 [mm/a*km²] Interflow 44,04 [mm/a*km²] Bas 51,80 [mm/a*km²] Total 155,28 [mm/a*km²] Routing 312,72 [mm/a*km²]

Tabelle 7.2 Parameter, Durchlauf 1

Mit diesen Parametern können die einzelnen Volumenströme nur ungenügend erfasst werden. Die Einzelspenden sind in Summe nicht schlüssig. Eine Auswertung der mit ausgegebenen Gütewerte der Datei qgkoVar_1.stat zeigt ebenfalls eine schlechte

7 Modellierung 102

Qualität dieser Werte. Die ausgegebenen Werte beziehen sich auf die zehn vorange-gangenen und folgenden Zeitschritte. Tabelle 7.3 stellt die Gütewerte für diesen Mo-delldurchlauf dar. Ein optimaler Parametersatz sollte durchweg Gütewerte von 0,8 und besser enthalten.

Zeitschritt lin, R-square log, R-square coeff,var,lin coeff,var,log -10 -0,0679 -0,0851 0 -0,0288

-9 -0,068 -0,085 0 -0,0287 -8 -0,0681 -0,085 0 -0,0285 -7 -0,0682 -0,085 0 -0,0284 -6 -0,0683 -0,085 0 -0,0283 -5 -0,0684 -0,0849 0 -0,0282 -4 -0,0685 -0,0849 0 -0,028 -3 -0,0686 -0,0848 0 -0,0278 -2 -0,0687 -0,0848 0 -0,0277 -1 -0,0688 -0,0847 0 -0,0275 0 -0,0689 -0,0846 0 -0,0273 1 -0,069 -0,0845 0 -0,0271 2 -0,0691 -0,0844 0 -0,0268 3 -0,0692 -0,0842 0 -0,0266 4 -0,0693 -0,0842 0 -0,0264 5 -0,0694 -0,084 0 -0,0262 6 -0,0695 -0,0839 0 -0,0259 7 -0,0696 -0,0837 0 -0,0256 8 -0,0697 -0,0835 0 -0,0253 9 -0,0698 -0,0834 0 -0,0251

10 -0,0699 -0,0832 0 -0,0248

Tabelle 7.3 Gütewerte, Durchlauf 1

11/03 - 10/04

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

simuliert

gemessen

Abbildung 7.1 Abflüsse, Durchlauf 1

7 Modellierung 103

Abbildung 7.1 stellt die simulierten Abflüsse den errechneten gegenüber. Die durch die Modellierung berechneten Werte sind in den niederschlagsreichen Perioden deutlich zu hoch und reagieren in den niederschlagsarmen Zeiträumen zeitlich verzögert, oder schlecht. Die Dynamik von Direktabfluss und Interflow kann als zu hoch eingestuft werden, der Nachlauf bei Niederschlagsereignissen und die Flächenentwässerung im Frühjahr sind zu kurz. Der Einfluss des Direktabflusses ist wie erwartet zu hoch.

Teilabflüsse

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

dir

ifl

bas

Abbildung 7.2 Teilabflüsse, Durchlauf 1

7.2.5 Durchlauf 2

Durchlauf 2 stellt die Modellergebnisse der Parametervariation eines späteren Durch-laufs dar. Die mit diesem Parametersatz erzielten Ergebnisse zeigen eine qualitativ gute Abbildung der Volumenströme und der Güteparameter. (vgl. Tab. 7.4 / 7.5)

Modellparameter kd 120,000 [h] ki 120,000 [h] dr 20,000 [-] kb 4,000 [m] q0 0,200 [mm/h

cmelt 0,200 [-] Gesamtabflussspendenvolumen

Pegel 295,85 [mm/a*km²] Direkt 125,38 [mm/a*km²] Interflow 19,78 [mm/a*km²] Bas 54,81 [mm/a*km²] Total 199,50 [mm/a*km²] Routing 401,46 [mm/a*km²]

7 Modellierung 104

Tabelle 7.4 Parameter, Durchlauf 2

Zeitschritt lin, R-square log, R-square coeff,var,lin coeff,var,log -10 0,5349 0,516 0,6513 0,7148

-9 0,524 0,514 0,6404 0,7128 -8 0,5081 0,5107 0,6245 0,7094 -7 0,4861 0,5053 0,6025 0,7041 -6 0,4602 0,4984 0,5765 0,6971 -5 0,432 0,4897 0,5484 0,6883 -4 0,4025 0,4801 0,5189 0,6788 -3 0,3724 0,47 0,4888 0,6686 -2 0,3416 0,4596 0,4579 0,6581 -1 0,3085 0,4489 0,4249 0,6475 0 0,2715 0,4376 0,3878 0,6361 1 0,2308 0,425 0,3471 0,6235 2 0,1902 0,4123 0,3065 0,6107 3 0,1504 0,3999 0,2667 0,5983 4 0,1108 0,3876 0,2271 0,5859 5 0,0715 0,3752 0,1878 0,5735 6 0,0328 0,3632 0,149 0,5614 7 -0,0056 0,3512 0,1107 0,5494 8 -0,0428 0,3396 0,0735 0,5377 9 -0,0791 0,3279 0,0372 0,526

10 -0,1144 0,3163 0,0018 0,5144

Tabelle 7.5 Gütewerte, Durchlauf 2

11/03 - 10/04

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

simuliert

gemessen

Abbildung 7.3 Abflüsse, Durchlauf 2

Die Darstellung der simulierten Abflüsse ist deutlich höherwertiger als im vorher darge-stellten Durchlauf (vgl. Abb. 7.3). Die Differenz in der Abflussspendenübersicht (vgl.

7 Modellierung 105

Tab 1.4) zwischen Pegeldaten und berechnetem Routing kann auf den deutlichen Nachlauf für die einzelnen Niederschlagsereignisse zurückgeführt werden. Den zu lan-gen Nachlauf stellt Abbildung 7.4 ebenfalls dar, der Direktabfluss muss in weiteren Durchläufen kürzer modelliert werden.

Teilabflüsse

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

diriflbas

Abbildung 7.4 Teilabflüsse, Durchlauf 2

7.3 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse In dieser Arbeit wurde eine Vielzahl von Kalibrierungsdurchläufen durchgeführt, die Auswertung von zwei Parametersätzen ist im Durchlauf 1 und Durchlauf 2 beispielhaft dargestellt.

Die Kalibrierung des Einzugsgebietes der Windach mit einem optimalen, den natürli-chen Niederschlag- Abfluss- Prozess darstellenden Parametersatz, konnte in dieser Arbeit nicht abgeschlossen werden. Weitere Durchläufe zur Erfassung des Ist- Zustan-des sind daher notwendig.

Eine Aussage über den Einfluss der Dränagen auf die Abflussbildung kann daher nur bedingt gemacht werden.

8 Ergebnisse und Postprocessing 106

8 Ergebnisse und Postprocessing Die erworbenen Kenntnisse und die daraus für das Einzugsgebiet abgeleiteten Auswir-kungen der Dränagen sollen in diesem Kapitel überprüft werden. Es werden dafür zwei Simulationen durchgeführt, die erste mit eingeschaltetem Dränagemodul und die zwei-te ohne die Dränagen. Die Simulation wurde für das hydrologische Jahr 2003/ 2004 durchgeführt.

8.1 Eingangsdaten Der verwendete Parametersatz ist in Tabelle 8.2 dargestellt. Aufgrund der nicht abge-schlossen händischen Kalibrierung, wurde der beste Durchlauf der parallel durchge-führten SCE Optimierung verwendet. Ob mit diesen Werten das globale oder nur ein lokales Optimum erreicht wurde, ist unklar und muss in weiteren Kalibrierungsläufen überprüft werden. Die Ausgegebenen Gütewerte zeigen eine gute Anpassung an die natürlichen Abflüsse (vgl. Tabelle 8.1).

Mit Dränagen Ohne Dränagen Zeit-schritt

lin, R-square

log, R-square

coeff, var,lin

coeff, var,log

-10 0,5355 0,5128 0,6563 0,7276-9 0,5246 0,5108 0,6454 0,7256-8 0,5087 0,5075 0,6295 0,7222-7 0,4867 0,5021 0,6075 0,7169-6 0,4607 0,4952 0,5815 0,71-5 0,4326 0,4865 0,5534 0,7012-4 0,4031 0,4771 0,5239 0,6917-3 0,373 0,467 0,4938 0,6817-2 0,3422 0,4567 0,463 0,6713-1 0,3092 0,4461 0,4299 0,66070 0,2721 0,4349 0,3929 0,64941 0,2314 0,4224 0,3522 0,63692 0,1909 0,4098 0,3116 0,62423 0,1511 0,3975 0,2718 0,61194 0,1116 0,3853 0,2323 0,59965 0,0723 0,373 0,193 0,58746 0,0335 0,3611 0,1542 0,57547 -0,0048 0,3492 0,1159 0,56358 -0,0419 0,3377 0,0787 0,55199 -0,0782 0,3262 0,0424 0,5404

10 -0,1136 0,3147 0,0071 0,5288

lin, R-square

log, R-square

coeff, var,lin

coeff, var,log

0,5899 0,5913 0,6741 0,74820,5791 0,5893 0,6633 0,74620,5632 0,5859 0,6474 0,74280,5412 0,5804 0,6254 0,73730,5154 0,5734 0,5995 0,73030,4872 0,5644 0,5714 0,72130,4578 0,5547 0,542 0,71150,4277 0,5444 0,5119 0,7012

0,397 0,5337 0,4811 0,69050,3639 0,5229 0,4481 0,67960,3269 0,5113 0,4111 0,6680,2863 0,4985 0,3704 0,65510,2457 0,4856 0,3299 0,6422

0,206 0,473 0,2901 0,62960,1665 0,4605 0,2506 0,61710,1272 0,448 0,2113 0,60450,0885 0,4358 0,1726 0,59230,0502 0,4237 0,1343 0,58010,0131 0,4119 0,0971 0,5683

-0,0232 0,4002 0,0609 0,5565-0,0585 0,3884 0,0256 0,5447

Tabelle 8.1 Gegenüberstellung der Gütewerte


Modellparameter

kd 499,000 [-] ki 490,000 [-] dr 1,700 [-] kb 0,960 [-] q0 1,030 [-] cmelt 0,200 [-]

Tabelle 8.2 Verwendeter Parametersatz

8.2 Modellergebnisse Tabelle 8.3 stellt die Teilabflüsse mit ein und ausgeschaltetem Dränagemodul gegen-über. Während die Auswirkungen auf den Oberflächen- und Basisabfluss gering ausfal-len, kann eine deutliche Verminderung des Interflows verzeichnet werden. Allgemein wird im Modell bei beiden Varianten aber immer noch ca. ein Viertel zuviel Abfluss ab-geführt. Bei eingeschaltetem Dränagemodul wird geringfügig mehr Wasser abgeführt. Dies kann hauptsächlich dem höheren Zwischenabfluss zugeschrieben werden.

Mit Dränagen Ohne Dränagen

Gesamtabflussspendenvolumen Pegel 295,85 [mm/a*km²]

Oberfl.a. 121,77 [mm/a*km²] Interflow 23,52 [mm/a*km²]

Bas. 56,47 [mm/a*km²] Total 201,27 [mm/a*km²]

Routing 403,45 [mm/a*km²]

Gesamtabflussspendenvolumen Pegel 295,85 [mm/a*km²]

Oberfl.a. 124,98 [mm/a*km²] Interflow 8,19 [mm/a*km²]

Bas. 57,11 [mm/a*km²] Total 189,82 [mm/a*km²]

Routing 385,63 [mm/a*km²]

Tabelle 8.3 Gegenüberstellung der Gebietsabfussspendenvolumen

8.2.1 Abflussergebnisse mit Dränagemodul (mdr)

In Abbildung 8.1 ist die Anpassung des Models durch den Parametersatz dargestellt. Die einzelnen Niederschlagsereignisse sind dabei gut erkennbar. Die Dynamik von Direktabfluss und Interflow sind noch nicht optimal eingestellt. Durch die Simulation können die realen Abläufe nur befriedigend abgebildet werden. Die Abflussspitzen nach Niederschlagsereignissen werden nicht in voller Höhe getroffen. Der Nachlauf klingt zu schnell ab und einzelne Sommerereignisse werden teilweise gar nicht erfasst.

Qualitativ wird dennoch erwartet, dass dieser Durchlauf eine Aussage über den Ein-fluss der Dränagen liefert.


Simulation mit Dränagen

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,3500

0,4000

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

simuliert

gemessen

Abbildung 8.1 Abflüsse mit Dränagemodul am Pegel Greifenberg

8.2.2 Abflussergebnisse ohne Dränagemodul (odr)

Für die Simulation ohne Dränagen liefert der verwendete Parametersatz gleichwertige beziehungsweise geringfügig bessere Ergebnisse. Abbildung 8.2 zeigt keine nennens-werten Abweichungen zum Durchlauf ohne Dränagen. Eine Gegenüberstellung einzel-ner Volumenströme soll im Folgenden Aufschluss geben.

Simulation ohne Dränagen

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

simuliert

gemessen

Abbildung 8.2 Abflüsse ohne Dränagemodul am Pegel Greifenberg


8.3 Bewertung der Ergebnisse Der Oberflächenabfluss wird durch die Dränagen nur gering beeinflusst. Es ist jedoch erkennbar, dass er durch die Dränagen reduziert wird.

Oberflächenabfluss

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdr

odr

Abbildung 8.3 Direktabfluss mit und ohne Dränagemodul

Wie erwartet wird eine starke Abweichung beim Interflow erzielt. Bedingt wird dies bei der Simulation mit Dränagen durch den Zuschlag der Dränabflüsse zum Interflow. Das für den Berechnungsfall ohne Dränagen über den Interflow abgeführte Gesamtvolumen beträgt nur ca. ein Drittel des Abflusses mit Dränagen.

Interflow

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdr

odr


Abbildung 8.4 Interflow mit und ohne Dränagemodul

8.3.1 Abschnittsweise Betrachtung der Ereignisse

Die folgenden Abbildungen zeigen das unterschiedliche Abflussverhalten des Modells in vier Abschnitten. Es ist grundsätzlich bei dem Durchlauf mit Dränagen über das ge-samte Jahr hinweg ein erhöhter Abfluss zu verzeichnen. Der ansteigende Abfluss ist bei beiden Varianten jahreszeitlich unabhängig und stellt sich in einem ähnlichen Ver-lauf dar.

Betrachtet man die einzelnen Gebietsabflüsse und vergleicht sie mit den aufgetretenen Jahresniederschlägen in Abbildung 6.7, wird neben dem Einfluss der Niederschlags-höhe auch der Einfluss der Verdunstung sichtbar. In den Wintermonaten und im zeiti-gen Frühjahr werden bei relativ niedrigen Niederschlägen hohe Abflüsse abgeführt. In den Sommermonaten dagegen haben einzelne Niederschlagsereignisse nur einen geringen Einfluss, oder werden gar nicht abgeführt. Deutlich wird das am Nieder-schlagsereignis vom 12. August 2004 mit bis zu 30 mm in einer Stunde. Auch dieses Ereignis wirkt sich bedingt durch die vorherige Trockenphase nur gering auf den Ab-fluss aus. Im letzten Quartal des hydrologischen Jahres, läst sich bedingt durch die vorherige Trockenperiode eine geringe abflussmindernde Wirkung bei der Variante mit Dränagen feststellen. Dies kann auf einen weitgehend entleerten und dadurch sehr aufnahmefähigen Bodenspeicher zurückgeführt werden. Bei den folgenden Nieder-schlagsereignissen sind keinerlei Unterschiede im Entwässerungsverhalten mit und ohne Dränagen festzustellen. Nach ausreichender Bodensättigung und damit Füllung des Bodenwasserspeichers führen die Dränagen mit zeitlicher Verzögerung ihre Funk-tion aus.

Gesamtabfluss 11/03 - 01/04

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

11 12 1 2

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdrodr

Abbildung 8.5 Abflussverhalten I. Quart.



0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

2 3 4

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdrodr

Abbildung 8.6 Abflussverhalten II. Quart.


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

5 6 7

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdrodr

Abbildung 8.7 Abflussverhalten III. Quart.


Abbildung 8.8 Abflussverhalten IV. Quart.

8.3.2 Zusammenfassung und Bewertung

Obwohl die Kalibrierung der sensitiven Parameter des Bodenmodells noch nicht abge-schlossen ist, wurde die Simulation des Niederschlag- Abfluss- Prozesses mit WaSiM-ETH für das Windachgebiet durchgeführt. Aus diesem Grund müssen die vorliegenden Ergebnisse kritisch betrachtet werden. Die Modellierung zeigt jedoch, dass die in Kapi-tel 3 gewonnenen Kenntnisse über den Einfluss der Dränagen auf die Abflussbildung qualitativ bestätigt werden können.

Die durchgeführten Simulationen bestätigten die getroffenen Annahmen für das Win-dachgebiet. Die durch die örtlichen Bodenverhältnisse herrschenden Bedingungen führen generell in Verbindung mit den Dränagen zu einem schnelleren Abfließen der Niederschläge und dadurch zu einer Hochwasserverschärfung.

Besonders wird dies während der Frühjahrsereignisse deutlich, bei denen oft Nieder-schläge mit der Schneeschmelze zusammenfallen. Inwieweit die Fließzeit des Drä-nabflusses einen Einfluss auf die Abflussspitzen besitzt, kann über das Model nicht erfasst werden. Es ist jedoch von einer deutlich rascheren Abführung auszugehen.

Es wird angenommen, dass sich die gewonnenen Ergebnisse bei erneuter Berechnung mit besser an das Gebiet angepassten Parametern bestätigen, oder die aufgezeigten Unterschiede noch deutlicher werden.


0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

8 9 10

Monat

Abf

luss

[mm

/h]

mdrodr

9 Zusammenfassung und Ausblick 113

9 Zusammenfassung und Ausblick Grundlage zur Ermittlung des Einflusses der Dränagen auf den Hochwasserabfluss war der Aufbau des Wasserhaushaltsmodells für das Windachgebiet. Bei dem verwen-deten Modell handelt es sich um WaSiM-ETH. Dieses Modell ist rasterbasiert und kann mit beliebiger zeitlicher und räumlicher Diskretisierung verwendet werden. Darauf auf-bauend wurde mit Hilfe alter Dränagekarten nach erfolgter Digitalisierung die Datenba-sis für das Dränagemodul geschaffen. In Bezug auf die in der Zielstellung gestellten Anforderungen zur Untersuchungen der Dränagen, konnte WaSiM-ETH gute Ergebnis-se liefern.

Die gewonnenen Kenntnisse über den Aufbau des Bodens, mit den daraus resultieren-den Eigenschaften wie die hydraulische Leitfähigkeit, stellen die wesentliche Grundla-ge zur Ermittlung des Einflusses von Dränagen auf Hochwasserabflüsse dar. Zusam-men mit der dargestellten Funktionsweise der Dränagen und den daraus resultieren-den Auswirkungen auf den Bodenwasserhaushalt, konnten Annahmen für die örtlichen Gegebenheiten im Windachgebiet getroffen werden.

Die aus der Literatur abgeleitete Annahme über einen Hochwasser verschärfenden Einfluss konnte mit den vorliegenden Ergebnissen noch nicht an einem konkreten Bei-spiel bestätigt werden. Aufgrund der noch nicht abgeschlossenen Parameteroptimie-rung empfiehlt es sich, die gewonnen Erkenntnisse nach Abschluss der Validierung nochmals am Hochwasser des Jahres 2005 zu überprüfen.

Selbst mit einer abgeschlossenen optimalen Simulation können keine definitiven Aus-sagen über das Verhalten der Dränagen gemacht werden. Um die erbrachten Ergeb-nisse zu manifestieren, sind daher örtliche Messungen notwendig. Das Gebiet bietet dafür optimale Bedingungen. Die Drängen sind flächenmäßig erfasst, repräsentative Abteilungen lassen sich gut im Modell selektieren und mit wenig Aufwand könnten so Messungen durchgeführt werden. Kenntnisse über den horizontalen Bodenaufbau soll-ten durch Probebohrungen überprüft und das Datennetz dadurch verfeinert werden.

9.1 Mögliche Maßnahmen zur Regulierung Um den Einfluss der Dränabteilungen auf die Abflussbildung zu reduzieren oder zu kontrollieren, sind verschiedene Maßnahmen denkbar.

Eine Möglichkeit stellt der Rückbau der Dräns dar. Diese Variante wirkt sich allerdings sehr nachteilig auf die Landwirtschaft aus und stellt zudem einen großen Kostenfaktor dar. Ein Zerstören der Dräns durch das Wurzelwerk von Neuanpflanzungen mit bei-spielsweise Weiden oder Erlen ist zwar kostenmäßig denkbar, allerdings ebenfalls zum Nachteil für die Landwirtschaft.

9 Zusammenfassung und Ausblick 114

Da die Flächen in diesem Gebiet gut erfasst wurden und die Einleitungen aus den Kar-ten ermittelbar sind, könnte eine Regulierung durch den Einbau von Schützen oder Sperrbauwerken erfolgen. Bei Dränagen mit geringem Gefälle könnte so ein zeitweili-ger Einstau Hochwassersituationen abmindern. In Abhängigkeit der Niederschlagser-eignisse oder vor notwendigen Bearbeitungsmaßnahmen auf den Flächen, kann dann der Bodenspeicher entleert werden. Der Vorteil dieser Möglichkeit sind geringe Eingrif-fe mit vergleichsweise niedrigem Aufwand und Kosten.

Eine weitere Alternative stellt der Bau von Regenfangbecken dar. Über gesteuerte oder ungesteuerte Auslässe kann der Abfluss vergleichmäßigt werden. Dadurch wird die geringere Bodenwasserspeicherfähigkeit durch Schaffung eines künstlichen Speichers ausgeglichen. Von Nachteil ist der erneute Flächenbedarf, wobei eine weitere Nutzung der Flächen als Grünland bei regelmäßiger Maht denkbar ist. Diese Variante löst zugleich präventiv einige Probleme, die generell wegen der hohen Schäden auf Grund von Hochwasserereignissen diskutiert werden. So können beispielsweise negative Einflüsse von Begradigungen oder Flurbereinigungen aufgefangen werden und der zeitliche Druck für geplante Renaturierungsmaßnahmen wird reduziert.

Abschließend kann die vorliegende Arbeit als Grundlage für weitere Untersuchungen bewertet werden. Mit dem aufgestellten Wasserhaushaltsmodell sind nach erfolgter Kalibrierung und Validierung Möglichkeiten für die Entwicklung von Kleinspeicherkon-zepten oder die Untersuchungen der Einflüsse von Feldfrüchten beziehungsweise Energiepflanzen auf den Wasserhaushalt gegeben.

Anhang A: VBA Algorithmen 115

Anhang A: VBA Algorithmen

A.1 Aufbereitung der Meteorologischen Daten

Dim Zaehler As Integer

Dim tag As Integer

Dim monat As Integer

Dim jahr As Integer

Dim i As Long

Dim n As Long

Dim k As Long

Zaehler = 4

i = 0

k = 0

n = 0

While Cells(Zaehler + n, 10) <> ""

n = n + 1

Wend

For k = 0 To n - 1

jahr = 0

jahr = Cells(Zaehler + k, 10)

monat = 0

monat = Cells(Zaehler + k, 11)

tag = 0

tag = Cells(Zaehler + k, 12)

stunde = 0

stunde = Cells(Zaehler + k, 13)

If Cells(Zaehler + i, 3) = jahr And Cells(Zaehler + i, 2) = monat And Cells(Zaehler + i, 1) = tag And Cells(Zaehler + i, 4) = stunde - 1 And Cells(Zaehler + k, 10) = jahr And Cells(Zaehler + k, 11) = monat And Cells(Zaehler + k, 12) = tag And Cells(Zaehler + k, 13) = stunde Then

Cells(Zaehler + k, 14) = Cells(Zaehler + i, 5)






i = i + 1

Else: Cells(Zaehler + k, 14) = -999

Cells(Zaehler + k, 15) = -999




End If

Next k

End Sub

A.2 Aufbereitung der Landnutzungskarte mit Wald Sub datenpruefen_wald()

Dim Zeile As Integer

Dim Bodentyp As Double

Dim i As Long

Dim n As Long

Dim k As Long

Dim m As Long

Zeile = 7

neue_Matrix = 250

i = 0

k = 0

n = 0

m = 0

While Cells(Zeile + n, 1) <> ""

n = n + 1

Wend

While Cells(Zeile, 1 + m) <> ""

m = m + 1

Wend


For i = 0 To n - 1

For k = 0 To m - 1

If Cells(Zeile + i, 1 + k) = "-9999" Then

Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = Cells(Zeile + i, 1 + k)

ElseIf Cells(Zeile + i, 1 + k) = "1000" Then

Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = 4





End If

Next k

Next i

End Sub

A.3 Aufbereitung der Bodenkarte ohne Wald Sub datenpruefen_sonstige_Landnutzung()


Dim i As Long

Dim n As Long

Dim k As Long

Dim m As Long

Zeile = 7

neue_Matrix = 250

i = 0

k = 0

n = 0

m = 0


n = n + 1

Wend


m = m + 1

Wend


For i = 0 To n - 1

For k = 0 To m - 1


Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = Cells(neue_Matrix + i, 1 + k)































Else: Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = 2

End If

Next k

Next i

End Sub


A.4 Aufbereitung der Bodenkarte - Wald Sub datenpruefen_boden_wald()



Dim i As Long

Dim n As Long

Dim k As Long

Dim m As Long

Zeile = 7

neue_Matrix = 250

i = 0

k = 0

n = 0

m = 0


n = n + 1

Wend


m = m + 1

Wend

For i = 0 To n - 1

For k = 0 To m - 1




Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = Cells(Zeile + i, 1 + k) * 10 + 1


























Else Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = Cells(Zeile + i, 1 + k) * 10

End If

Next k

Next i

End Sub

A.5 Aufbereitung der Bodenkarte – ohne Wald Sub datenpruefen_Boden_ohne_Wald()



Dim i As Long

Dim n As Long

Dim k As Long

Dim m As Long

Zeile = 7

neue_Matrix = 250

i = 0

k = 0

n = 0

m = 0


n = n + 1


Wend


m = m + 1

Wend

For i = 0 To n - 1

For k = 0 To m - 1





























Else: Cells(neue_Matrix + i, 1 + k) = Cells(Zeile + i, 1 + k) * 10

End If

Next k

Next i

End Sub

Anhang B: Steuerdatei 122

Anhang B: Steuerdatei

Literaturverzeichnis 123

Literaturverzeichnis

Armstrong, a.c., Garwood, e.a, Hydrilogical consequences of artificial draiage of grass-land, (1991)

ATTENBERGER, E., Abfluss und Nährstoffaustrag am Dränauslauf von rohrgedränten und kombiniert gedränten Flächen, (1990)

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Bodenkundliche Kartieranleitung (2005)

Bundesforschungsanstallt für Landwirtschaft (FAL), Bodenschutz und landwirtschaftli-che Bodennutzung, (2003)

Bayerisches Geologisches Landesamt, Standortkundliche Bodenkarte von Bayern (1986)

Bayerische Staatsregierung, Klimaprogramm Bayern 2020 (2007)

Datensammlung Wasserwirtschaftsamt Weilheim, (2007)

DIN 1185, Regelung des Bodenwasserhaushaltes durch Rohrdränung,(1973)

DISSE, M., Hydrologie und Wasserwirtschaft I

EGGELSMANN, R., Dränanleitung (1973)

EGGELSMANN, R., Dränanleitung (1981)

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Untersuchung des Dränerfolges an 50 Jahre alten Anlagen

Fachgemeinschaft DWA, Hydrobrief Nr. 39 (2007)

Google Earth

HARMS, R.W., The effects of artificial subsurface drainage on flood discharge, (1986)

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Erklärung 126

Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig angefertigt habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel be-nutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches kenntlich gemacht.

Ort, Datum Unterschrift Frank Schirmer

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Wasserhaushaltsmodellierung des Windacheinzugsgebietes mit … · 2018. 4. 17. · Windacheinzugsgebietes mit WaSiM-ETH und Ermittlung des Einflusses von Dränagen auf den Hochwasserabfluss