Transcript Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten

Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten der Region
Abflussmessdaten aus
Kleinsteinzugsgebieten der Region
Burscheider Mauer
Frankelbach-Einzugsgebiet
Margret Johst (UDATA, Neustadt/Weinstr.)
Michael Schuhmacher (SGD Nord, Trier)
UDATA
19.05.2011, FH Trier
Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten der Region
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 Außengebietszuflüsse
• Verfahren zur Abschätzung der Außengebietszuflüsse 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
Frankelbach
Burscheider Mauer
Größe [km²]
0,08 – 5,00
Nutzung
Wald, Grünland,
Acker
Betreiber
Uni Trier (Phys. Geographie),
FAWF Trippstadt
FP Spangdahlem, SGD Nord,
FH Trier
0,57
Wald
Detzem / Enkirch
0,19 / 0,16
Weinberg
Kartelbornsbach
3,00
Acker, Grünland
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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SGD Nord
Uni Trier (Hydrologie)
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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
Müller et al. (2009)2, Müller
(2010)
Zemmer
06/2005 – 12/2007
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:
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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 Klimastation
1 Niederschlagswippe
10-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
Dauerregenereignis
Dez 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
©Klaus
 Ψ = 0,20
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 Scheiteldurchfluss
Vorregenindex
rc = 0.44
rc = 0.08
Vorereignisdurchfluss [l s-1]
21-tägig. Vorregenindex [mm]
Vorereignisabfluss
Scheiteldurchfluss [l s-1]
Scheiteldurchfluss [l s-1]
*
Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April)
Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober)
rc: Korrelationskoeffizient
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4.2 Einzugsgebiet Burscheider Mauer
Buntsandstein
Relativ flach
Jan 2011:
Nds = 80 mm 3d-1
Hq = 161 l s-1 km-2
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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 skalenund 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. OnlinePublikation 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, 8793.
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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Summe
Nds-Summe [mm]
r = 0.5
Scheiteldurchfluss [l/s]
*
r:
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max. Nds-Intensität [mm/30 min]
Niederschlag und Scheiteldurchfluss
Intensität
r = -0.05
Scheiteldurchfluss [l/s]
Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April)
Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober)
Korrelationskoeffizient
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3.2 HHQ nach Sturmtief „Emma“
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