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Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten der Region

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Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten der Region

Margret Johst (UDATA, Neustadt/Weinstr.)Michael Schuhmacher (SGD Nord, Trier)

Frankelbach-Einzugsgebiet

Burscheider Mauer

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Gliederung

1. Einführung zur hydrologischen Prozessforschung

2. Hydrologische Untersuchungsgebiete der Region

3. Fallbeispiel Frankelbach-Einzugsgebiet• Messnetz und Datengrundlage• Dominierende Abflussprozesse

4. Beobachtung von gewässerseitigem Hochwasser• Frankelbach• Burscheider Mauer

5. Fazit zur Abschätzung von Außengebietszuflüssen

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1.1 Problemspezifizierung

• Überlastung des Kanalnetzes durch Außengebiets-zuflüsse

• Verfahren zur Abschätzung der Außengebiets-zuflüsse müssen auf Messungen beruhen

• Kleinsteinzugsgebiete (10 ha – 1 km²) können als repräsentativ für Außengebiete gesehen werden

• Hydrologische Messnetze der Länder enthalten kaum Pegel in Kleinsteinzugsgebieten

• Abflussmessungen und Prozessuntersuchungen im Rahmen von Forschungsprojekten

Austausch von Forschung und Praxis!

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1.2 Hydrologische Repräsentativgebiete

• Einrichtung zahlreicher hydrologischer Forschungsgebiete während der Internationalen Hydrologischen Dekade (1965 – 1974)

• Fragestellungen: – Wasserhaushalt (insbes. mittl. jährliche Verdunstung)– Zusammenhang Bewirtschaftung/Nutzung – Abfluss– Abflussbildung

• Kleinstgebiete mit langjährigen Messungen: – Sperbelgraben und Rappengraben (Alpenvorland): > 100 Jahre– Lange Bramke (Oberharz): > 60 Jahre

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1.3 Hydrologische Prozessforschung

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2.1 Kleinsteinzugsgebiete der Region

Gebiet Größe [km²] Nutzung Betreiber

Frankelbach 0,08 – 5,00 Wald, Grünland, Acker

Uni Trier (Phys. Geographie), FAWF Trippstadt

Burscheider Mauer 0,57 Wald FP Spangdahlem, SGD Nord, FH Trier

Detzem / Enkirch 0,19 / 0,16 Weinberg SGD Nord

Kartelbornsbach 3,00 Acker, Grünland Uni Trier (Hydrologie)

Zemmer 0,05 Acker Uni Trier (Bodenkunde)

Holzbach 4,20 Wald FH Trier, Ing-Büro ihg

Baasem 0,33 Wald Land Nordrhein-Westf.

Berk 0,49 Wald Land Nordrhein-Westf.

Huewelerbach 2,70 Wald CRP Lippmann, Luxemburg

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2.2 Datenlage (Niederschlag, Abfluss)

Gebiet Zeitraum Literatur

Frankelbach seit 10/2004 Johst & Casper (2007)1, Segatz et al. (2009)2, Johst (2011)

Burscheider Mauer seit 01/2011 ---

Detzem / Enkirch Sommer 1985 ---

Kartelbornsbach seit den 80er Jahren Symader et al. (1999), Symader et al. (2002), Symader (2007)1

Zemmer 06/2005 – 12/2007 Müller et al. (2009)2, Müller (2010)

Holzbach seit 07/2004 Sartor & Kreiter (2007)1, Segatz et al. (2009)2

Baasem 1975 – 1989 ---, gemäß DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 (2008)

Berk 1963 – 1989 ---, gemäß DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 (2008)

Huewelerbach seit 09/2002 Hellebrand & Juilleret (2009)2

1: in Schüler et al. (2007) 2: in Seeling et al. (2009)

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3.1 Einzugsgebiet Frankelbach

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3.1 Messnetz

Ausstattung:

8 Pegel (0,08 – 5 km²)1 Klimastation1 Niederschlagswippe10-minütige Auflösung

Messungen seit 2005 87 Abflussereignisse

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3.2 Abflussereignisse

HHq = 142 l/s/km² (Pegel GA mit 5 km²) 375 l/s/km² (Pegel WI mit 30 ha)

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3.3 Schwellenwertverhalten

DauerregenereignisDez 2008

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3.3 Dauerregenereignis Dezember 2008

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3.3 Dominanz des unterirdischen Zuflusses

KÖLLA, E. (1987): Estimating flood peaks from small rural catchments in Switzerland.Journal of Hydrology 95, S. 203-225.

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4.1 Gewässerseitiges Hochwasser

Jan 1995:Nds ≈ 50 mm 2d-1

Hq ≈ 1000 l s-1 km-2 Mai 2002:Nds ≈ 40 mm 4h-1 Hq ≈ 1000 l s-1 km-2

März 2008:Nds = 38 mm d-1 Hq = 150 l s-1 km-2

Ψ = 0,5

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4.1 Hochwasser Jan 1995

SCS-Verfahren nach Zaiß:

CNII = 70

Bodenspeicherkapazität = 108 mm

Vorregenindex 21 = 19 mm

Anfangsverlust = 12 mm

Regen ≈ 50 mm 2d-1

Ψ = 0,20

©Klaus

Schneeschmelzbeeinflusstes Hochwasser großflächige Überflutungen

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4.1 Hochwasser Mai 2002

SCS-Verfahren nach Zaiß:

CNII = 70

Bodenspeicherkapazität = 108 mm

Vorregenindex 21 = 33 mm

Anfangsverlust = 11 mm

Regen ≈ 40 mm 4h-1

Ψ = 0,15

Mehrere Gewitter bei nassem Ausgangszustand Erosionsschäden und Schäden an der Infrastruktur

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4.1 Vorfeuchte und ScheiteldurchflussV

orer

eign

isdu

rchf

luss

[l s

-1]

Scheiteldurchfluss [l s-1] Scheiteldurchfluss [l s-1]21

-täg

ig.

Vor

rege

nind

ex [

mm

]

Vorereignisabfluss Vorregenindex

Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April)Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober)Korrelationskoeffizient

*rc:

rc = 0.44 rc = 0.08

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4.2 Einzugsgebiet Burscheider Mauer

Jan 2011:Nds = 80 mm 3d-1 Hq = 161 l s-1 km-2

BuntsandsteinRelativ flach

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5.1 Fazit zur Abflussbildung

• In humiden Mittelgebirgen hat der unterirdische Abfluss einen großen Anteil am Scheiteldurchfluss

• ABER: Dominanz der Abflussprozesse ist skalen- und ereignisabhängig (Stauwasserkörper angeschnitten? Niederschlagsintensität? Wellenüberlagerung?)

• Sprunghafter Abflussanstieg wenn Bodenfeuchte nahe Sättigung ( Sättigungsflächenabfluss, schneller

Zwischenabfluss)• Einzelne Ereignisse sind nicht unbedingt

repräsentativ für größere Hochwasser Einrichtung kontinuierlich messender Pegel!

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5.2 Fazit zur Abschätzung von Außengebietszuflüssen

• Verfahren sollten anhand der vorliegenden Abflussmessungen für Kleineinzugsgebiete geprüft werden ( Abflussbeiwerte, Erstellung von Einheitsganglinien)

• Problem: nur wenige große Ereignisse• Stärkere Integration der Saisonalität (Analyse getrennt für

Sommer und Winter)• Berücksichtigung der schneeschmelzbegründeten Vorfeuchte

im Vorregenindex• Alternativer Ansatz: Verwendung von Abflussprozesskarten

(z.B. Bodenhydrologische Potentialkarte RLP) oder gebietsspezifischen Schlüsseln zur Herleitung des Abflussbeiwerts

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Literatur zu den genannten Einzugsgebieten

DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 (2008): Abflüsse aus Außengebieten der Kanalisation. Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 „Abfluss- und Schmutzfrachtsimulation“. Korrespondenz Abwasser, Abfall, Nr. 8.

Johst, M. (2011): Experimentelle und modellgestützte Untersuchungen zur Hochwasserentstehung im Nordpfälzer Bergland unter Verwendung eines neuartigen Spatial-TDR-Bodenfeuchtemessgeräts. Dissertation an der Universität Trier. Online-Publikation Universitätsbibliothek Trier.

Müller, C. (2010): Hochwasserschutz in der Landwirtschaft – Validierung und Modellierung ausgewählter Maßnahmen. Trierer Bodenkundliche Schriften, Universität Trier.

Schüler, G., Gellweiler, I. & Seeling, S. (Hrsg.) (2007): Dezentraler Wasserrückhalt in der Landschaft durch vorbeugende Maßnahmen der Waldwirtschaft der Landwirtschaft und im Siedlungswesen. Mitteilungen der Forschungsanstalt für Waldökologie und Frostwirtschaft Rheinland-Pfalz, Nr. 64/07.

Seeling, S., Gellweiler, I., Hill, J. & Schüler, G. (Hrsg.) (2009): Wege zum dezentralen Hochwasserschutz. Trierer Geographische Studien, Heft 31.

Symader W., Bierl R. & Gasparini F. (1999): Abflussereignisse, eine skalenabhängige, multiple Ant-wort von Einzugsgebieten auf Niederschläge. - Acta hydrochim. Hydrobiol., 27, 2, 87-93.

Symader, W., Bierl, R., Gasparini, F. & Krein, A. (2002): Effective monitoring of small river basins. Sci. World. - Internetzeitschrift. (www.scientificworld.com)

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Niederschlag und Scheiteldurchfluss

Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April)Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober)Korrelationskoeffizient

*

Nd

s-S

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e [m

m]

Scheiteldurchfluss [l/s] Scheiteldurchfluss [l/s]m

ax.

Nd

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min

]Summe Intensitätr = 0.5 r = -0.05

r:

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3.2 HHQ nach Sturmtief „Emma“

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