Ausgliederung von Flächen gleicher
Abflußreaktion auf Grundlage
der Forstlichen Standortskarte und eines Digitalen
Höhenmodells
von
Dipl.-Geoökol. Guido Waldenmeyer
Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Geographie und Geoökologie (LS
I)
Kaiserstraße 12, 76128 Karlsruhe
erstellt: 27.8.1999
1 Hintergrund, Stand der Forschung
Das Teilprojekt "Ausgliederung von Flächen gleicher Abflußreaktion"
beschäftigt sich mit der Untersuchung und Regionalisierung oberflächennaher
Abflußprozesse. Untersuchungsobjekt ist das 7 km² große
Einzugsgebiet des Dürreychbaches im Buntsandstein-Schwarzwald, das
als hydrologisches Testgebiet im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs von
der Arbeitsgruppe Dürreych seit 1996 betrieben wird.
Zum vertieften Verständnis von Niederschlag-Abfluß-Prozessen
sowie zu deren Modellierung ist die Differenzierung eines Gewässereinzugsgebietes
in Flächen gleicher Abflußreaktion erforderlich. Die Ausweisung
solcher Flächen war eine der Aufgaben des 1998 abgeschlossenen DFG-Schwerpunktprogramms
"Regionalisierung in der Hydrologie" (Kleeberg, Hrsg. 1992; weiterer Band
in Vorbereitung). Als Ausgliederungsmethode hat sich die
GIS-gestützte
Verschneidung
einzelner
Standortinformationen wie Relief, Landnutzung, Bodeneigenschaften etc.
etabliert.
Eine bislang wenig beachtete Quelle für komplexe Standortinformationen
ist die Forstliche Standortskarte, die für die bewaldeten Einzugsgebiete
in Baden-Württemberg flächendeckend im Maßstab 1:10.000
vorliegt. Die Praxis der Forstlichen Standortsgliederung wird stark vom
Wasserfaktor bestimmt. Langbein & Müller (1986) nutzen deshalb
die Forstliche Standortskarte, um Fragen zum Bodenwasserhaushalt im Schönbuch
- insbesondere hinsichtlich der Bildung von Oberflächenabfluß
- zu beantworten. Gegenwärtig lotet der Sonderforschungsbereich 299
an der Universität Gießen das Informationspotential der Forstlichen
Standortskartierung und Forsteinrichtung aus und entwickelt Transferfunktionen
für Landschaftshaushaltsmodelle.
Farrenkopf-Hildebrandt (1996) verwendet im dem Dürreychtal übergeordneten
Einzugsgebiet Eyachtal ausschließlich geomorphographische Kennwerte
zur Identifikation abflußwirksamer Flächen. Informationen aus
der Forstlichen Standortskarte dienen neben eigenen Kartierungen lediglich
der Plausibilitätskontrolle und werden nicht in das Ausgliederungskonzept
einbezogen. An dieser Stelle knüpft das Teilprojekt 17 an die bisherigen
Forschungsergebnisse an: Es soll gezeigt werden, daß die Forstliche
Standortskarte einen wichtigen Beitrag zur Ausgliederung von Flächen
gleicher Abflußreaktion - insbesondere hinsichtlich schneller Abflußkomponenten
- leisten kann.
2 Ziele
Hauptziel des Teilprojektes ist die Erarbeitung einer digitalen
Karte, die Flächen gleicher Abflußbildung für das Einzugsgebiet
des Dürreychbaches ausweist. Hierzu sollen hydrologisch relevante
Informationen aus dem Digitalen Höhenmodell und der Forstlichen Standortskarte
abgeleitet und miteinander verknüpft werden. Zugleich sollen hydrologische
und bodenkundliche Untersuchungen im Verbund mit den anderen Teilprojekten
(Casper und Volkmann) zu einem verbesserten Prozeßverständnis
der Abflußbildung in bewaldeten Buntsandstein-Gebieten beitragen.
Die Ergebnisse werden eine wichtige Grundlage für die von der Projektgruppe
angestrebte Niederschlag-Abfluß-Modellierung sein.
3 Material und Methoden, Vorgehensweise
Eine erste Annäherung an das Gebietsverständnis
ermöglichte die Sichtung der regionalen Literatur. Als wichtigste
Quellen seien hier genannt: Fezer (1957), Stahr, (1973), Krebs (1979),
Caspary (1990), Seeger (1990), Einsele & Hinderer (1992), Meesenburg
& Müller (1992), Dikau (1994) sowie Farrenkopf-Hildebrandt (1996).
In einem zweitenSchritt wurde für das Dürreychgebiet eine Karte
des Abflußbildungspotentials auf Grundlage der digitalisierten Forstlichen
Standortskarte (Forstbezirk Kaltenbronn) erstellt, die sukzessive weiterentwickelt
werden soll (vgl. Abb. 2). Folgende Standortseigenschaften wurden dabei
berücksichtigt:
-
Reliefform (flach / geneigt / steil / konkav / konvex)
-
Durchlässigkeit des Oberbodens (kf-Stufen nach Kartieranleitung
AG Boden, 1994)
-
Stärke der Ortsteinentwicklung (stark / mäßig
/ gering oder fehlend)
-
Stauwassereinfluß (stark / mäßig / gering
oder fehlend)
-
Hinweise auf Wasserzug (ja / nein)
-
Feuchtezeiger (fehlend / untergeordnet / dominierend)
-
Ökologische Feuchte (AK Standortskartierung, 1996).
Des weiteren wurde ein gegenüber Farrenkopf-Hildebrandt
(1996) verbessertes Digitales Höhenmodell auf Basis der Deutschen
Grundkarte (M 1:5.000) mit Hilfe von ARC/INFO erzeugt. In Zusammenarbeit
mit Casper wurde der Topographische Index (Beven und Kirkby 1979) als Maß
für die Neigung zur Bildung von Sättigungsflächenabfluß
unter Vernachlässigung der Transmissivität neu berechnet (vgl.
Abb. 3).
Die vorgestellten Arbeitsschritte stützen sich auf
Abflußbildungstheorien, die zum einen aus der Literatur stammen und
zum anderen in einem iterativen Prozeß im Dürreychgebiet selbst
erarbeitet werden. Hierzu kommen teils im Kollektiv durchgeführte
Untersuchungen in verschiedenen Skalen zum Einsatz. Die erhobenen Daten
können über eine Projektdatenbank mit GIS-Anbindung (Arc/INFO)
von allen Teilprojekten gemeinsam genutzt werden (vgl. Casper).
Im Rahmen dieses Teilprojektes werden vorrangig die pedohydrologischen
Eigenschaften des Einzugsgebietes erfaßt: Zahlreiche Bodenprofile
werden nach AG Boden (1994) aufgenommen, um die o.g. Eigenschaften der
Forstlichen Standortseinheiten zu überprüfen und zu ergänzen.
Aus der im Labor überprüften Bodenart sowie aus Lagerungsdichte,
Humus- und Skelettgehalt lassen sich hydrologisch relevante bodenphysikalische
Parameter wie etwa die gesättigte Wasserleitfähigkeit, nutzbare
Feldkapazität etc. ableiten (AG Boden, 1994).
Zum detaillierten Studium des Bodenwasserhaushaltes wurde
GIS-gestützt ein steiler, vernäßter Hang mit vorherrschendem
lateralen Abfluß (Bändchen-Staupodsol) sowie eine Hangverebnung
mit überwiegend vertikaler Sickerung (podsolige Braunerde) ausgewählt.
An diesen Standorten wurde jeweils ein Profil aufgegraben, horizontweise
mit
TDR-Sonden, Tensiometern, Temperaturfühlern und Saugkerzen bestückt
und wieder verfüllt. In Zusammenarbeit mit Mehlhorn (Graduiertenkolleg
450 "Naturkatastrophen") erfolgte auf einer kleinen Testfläche am
Hangstandort ein Beregnungsversuch mit NaCl-Tracer-Aufgabe, um schnelle
Wasserbewegungen im Bereich des Oberbodens nachzuweisen.
Um den oberflächennahen Zwischenabfluß im Gebiet
räumlich zu erfassen, wurden nach stärkeren Niederschlägen
und insbesondere nach dem Jahrhundertniederschlägen vom 29./30.10.1998
Hangwasseraustritte und Rutschungen entlang der Forstwege kartiert. Gleichzeitig
wurden die Erosionsspuren auf den Wegen in Anlehnung an DVWK (1996) in
fünf Intensitätstufen erfaßt, um so besonders abflußaktive
Hänge zu identifizieren.
4 Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse lassen sich zweigegliedert darstellen: Zunächst
werden einige Geländebefunde präsentiert. Anschließend
wird anhand von zwei Kartenentwürfen ein Einblick in den Regionalisierungsansatz
vermittelt.
4.1 Beobachtungen und Thesen zur Abflußbildung
Bedeutsam für die Abflußbildung im Dürreychgebiet
sind vor allem die Bildung von Sättigungsflächen und die damit
verbundene Ausdehnung des Gewässernetzes im Winterhalbjahr. Oberflächennahes,
stark DOC-haltiges Bodenwasser im Bereich der Hochflächen wird nach
Aufsättigung der Flächen bereits durch relativ geringe Niederschläge
mobilisiert und über Drainagen abflußwirksam. Ähnlich verhalten
sich Sättigungsflächen auf Karböden oder in Quellnischen.
Selbst kleinmaßstäbige konvexe Formen am Hang (Größenordnung
1-10 m) können zur Bildung von Sättigungsabfluß führen,
der bei Anschluß ans Gewässer abflußwirksam wird.
Vom Sättigungsabfluß sind der interflow
(Zwischenabfluß),
pipe
flow und return flow am Hang nicht scharf zu trennen (vgl. Peschke
et al. 1999). Infolge mehr oder weniger starker Ortsteinbildungen, insbesondere
aber im Falle einer Bändchenentwicklung, ist eine temporäre laterale
Wasserbewegung im Bleichhorizont häufig zu beobachten (vgl. Zwischenabfluß
2, Abb. 1). Wie Bohrstockeinschläge und die Beobachtung von Wasseraustritten
an Hanganschnitten zeigten, erfolgt der Hangwasserzug nicht flächig,
sondern bevorzugt entlang flacher Rinnen.
Abb. 1: Laterale Wasserbewegung am Hang
Als weiterer Zwischenabflußhorizont konnte die Organische
Auflage und vor allem der Übergangsbereich zum Mineralboden ausgemacht
werden. Hier ermöglichen Wurzelröhren und Tunnelerosionserscheinungen
nach Aufsättigung der Auflage schnelle Wasserbewegungen oberhalb des
ungesättigten Mineralbodens mit Schwerpunktsgeschwindigkeiten in der
Größenordnung von
10-3 m/s. Dieses oberste Zwischenabfluß-System
scheint für die Abflußbildung im Dürreychgebiet eine wichtige
Rolle zu spielen: Erhöhte DOC-Gehalte bei Abflußereignissen
weisen auf die Herkunft des Wassers aus organischen Horizonten hin; Bodenlösungen
aus dem Zwischenabfluß-Horizont 2 zeigen dagegen nur geringe DOC-Konzentrationen
(vgl. Volkmann).
Beide Zwischenabflußkomponenten können an Weganschnitten
zutage treten und über das Wegenetz beschleunigt abfließen.
Die Abflußwege lassen sich anhand der Erosionsspuren leider nur selten
bis zum Vorfluter verfolgen, so daß über den tatsächlichen
Beitrag der Wege zur Hochwasserwelle noch nicht viel ausgesagt werden kann.
Es zeichnet sich ab, daß starke Erosion bevorzugt in einigen wenigen
Standortseinheiten auftritt. Flächenanteile und Wegneigung müssen
jedoch vor einem endgültigen Rückschluß auf die Abflußaktivität
noch normiert werden.
4.2 Regionalisierungsansatz
Nach der in Kap. 3 beschriebenen Vorgehensweise wurde
eine Karte mit Flächen gleicher Abflußbildung aus der Forstlichen
Standortskarte abgeleitet. Die Zuordnung von Flächen mit potentiellem
Zwischenabfluß ist in vielen Fällen noch unsicher. Dahingegen
ergibt sich eine mit den Geländebeobachtungen konsistente Einschätzung
für die potentiellen Feucht-/ Sättigungsflächen (vgl. Abb.
2), die im Bereich der Bachaue, der flachen Einzugsgebietsränder sowie
der Karböden erscheinen.
Die Reliefinformationen der Standortskarte erweisen sich
- abgesehen von konkaven Lagen - als zu unspezifisch für die Einschätzung
hydrologischer Eigenschaften und müssen deshalb durch Informationen
aus dem Digitalen Höhenmodell ergänzt werden. Abb. 3 zeigt die
Verteilung des Topographischen Indexes im Dürreychgebiet auf der Basis
eines 50-m-Rasters.
Ein Vergleich von Abb. 2 und Abb. 3 zeigt erwartungsgemäß
gute Übereinstimmungen im Bereich der Bachaue und der Karböden.
Es wird aber deutlich, daß die Forstliche Standortskarte die Feuchtflächen
auf den flachen Rändern des Einzugsgebietes besser repräsentiert,
während der Topographische Index die im Gelände beobachtete Abflußbildung
in den seitlichen Tiefenlinien besser wiedergibt. Wie die bisherigen Ergebnisse
der AG Dürreych zeigen, wird der Beitrag der feuchten Hochflächen
zur Abflußbildung von Farrenkopf-Hildebrandt (1996) weit unterschätzt.
Die bessere Identifizierung dieser Flächen auf Basis der Forstlichen
Standortskarte spricht für den vorgestellten kombinierten Regionalisierungsansatz
aus Digitalem Höhenmodell und Forstlicher Standortskarte.
Abbildung2: Potentielle Sättigungsflächen

Abbildung 3: Topographischer Index
5. Ausblick
Die Geländeuntersuchungen sollen noch bis Oktober 1999 fortgeführt
werden und das Verständnis der Abflußbildungsprozesse ergänzen:
In Kürze wird eine Diplomarbeit über die pedohydrologischen Eigenschaften
eines Teileinzugsgebietes auf Grundlage der Forstlichen Standortskarte
zum Abschluß kommen. Die Ergebnisse werden zeigen, ob bzw. in welchem
Umfang hier noch Ergänzungen notwendig sind. Weitere Tracerversuche
zur Erforschung oberflächennaher Wasserbewegungen sind in Zusammenarbeit
mit Mehlhorn geplant. Neu entstandene Hanganschnitte infolge des Hochwassers
1998 eröffnen die Möglichkeit, auch Kenntnisse über das
Abflußgeschehen in tieferen Schuttdeckenlagen zu gewinnen. Auf einer
Windbruchfläche soll ferner die Abgrenzung von Feuchtflächen
anhand von Vegetationstransekten überprüft werden.
Der nächste Schritt zur Regionalisierung ist die Ableitung pedohydrologischer
Parameter aus den Geländebefunden für jede Forstliche Standortseinheit.
Beim Vergleich der Befunde mit den Angaben der Forstlichen Standortskarte
wird sich die Brauchbarkeit der Standortskarte als Quelle hydrologisch
relevanter Parameter erweisen. Die Ergebnisse sollen mit den aus dem Digitalen
Höhenmodell abgeleiteten Eigenschaften verschnitten werden, wobei
geplant ist, weitere von Farrenkopf-Hildebrandt (1996) erarbeitete Reliefparameter
zu berücksichtigten. In Anlehnung an Peschke et al. (1999) soll versucht
werden, ein operationalisiertes Entscheidungssystem für die Zuordnung
von Flächen gleicher Abflußbildung zu entwickeln, das möglichst
auch zusätzliches im Gelände erarbeitetes Prozeßwissen
berücksichtigt.
Das Ausgliederungsergebnis soll schrittweise durch die Geländebefunde
überprüft und ggf. korrigiert werden. Einen wichtigen Beitrag
dazu kann die Lokalisierung abflußaktiver Hänge mit Hilfe der
Erosionsbeobachtungen leisten. Weitere Möglichkeiten der Validierung
ergeben sich aus Untersuchungen zum Niederschlag-Abfluß-Verhalten
der Teileinzugsgebiete sowie deren 18O- und DOC-Charakteristika (Teilprojekte
Casper, Volkmann, Mehlhorn). Aufbauend auf der Ausgliederung von Flächen
gleicher Abflußbildung soll der Versuch unternommen werden, in Kooperation
mit Volkmann Flächen gleichen DOC-Exportes zu identifizieren.
6. Referenzen
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Definitionen, Einteilungen, Kennzeichnungen, Erläuterungen (5. Auflage).
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area model of basin hydrology. Hydrol. Sci. Bull. 24, 43-69
Caspary, H.J. (1990): Auswirkungen neuartiger Waldschäden und der
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des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft (IHW) Universtität
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10 Jhg. 1999 (Internationales Hochschulinstitut Zittau). Zittau
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