Home
Projektübersicht/overview
Karten/maps
Literatur
Mitglieder der AG Dürreych
GIS-Daten/gis data
Messdaten
Links
Waldenmeyer1999
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

Mailkontakt: Guido Waldenmeyer

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

AG Boden (1994): Bodenkundliche Kartieranleitung. (4. Auflage). Hannover

AK Standortskartierung (1996): Forstliche Standortsaufnahme - Begriffe, Definitionen, Einteilungen, Kennzeichnungen, Erläuterungen (5. Auflage). Eching b. München

Beven, K.J.; Kirkby, M.J. (1979): A physically-based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrol. Sci. Bull. 24, 43-69

Caspary, H.J. (1990): Auswirkungen neuartiger Waldschäden und der Bodenversauerung auf das Abflussverhalten von Waldgebieten. Mitteilungen des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft (IHW) Universtität Karlsruhe 37 (Dissertation). Karlsruhe

Dikau, R. (1994): Computergestützte Geomorphographie und ihre Anwendung in der Regionalisierung des Reliefs. In: Petermanns Geogr. Mitt. 138, 99-114

DVWK (1996): Bodenerosion durch Wasser - Kartieranleitung zur Erfassung akueller Erosionsformen. DVWK-Merkblätter zur Wasserwirtschaft 293. Bonn

Einsele G. und M. Hinderer, 1992. Stoffbilanzierung und langfristige Trends im Chemismus saurer, oberflächennaher Quell- und Bachabflüsse im kalkfreien, basenarmen Mittleren Buntsandstein. - Tübingen: Geologisches Institut der Universität Tübingen, (unveröffentlichter Abschlußbericht PWAB-Projekt PW 98.074)

Farrenkopf-Hildebrandt, D. (1996): Die Steuerfunktion des Reliefs für die Abflußbildung. Geograph. Inst. der Ruprecht-Karls- Univ. Heidelberg (Dissertation). Heidelberg

Fezer, F. (1957): Eiszeitliche Erscheinungen im nördlichen Schwarzwald. Forschungen zur deutschen Landeskunde 87. Bundesforschungsanstalt für Landeskunde und Raumordnung (Hrsg.). Arb. aus d. Geogr. Inst. d. - T.H.Stuttgart. Remagen/Rh.

Kleeberg H.B. (Hrsg.), 1992. Regionalisierung in der Hydrologie - Ergebnisse von Rundgesprächen der Deutschen Forschungsgemeinschaft. - In: Senatskommission für Wasserforschung (Hrsg.), Mitteilung XI. Weinheim

Krebs, A. (1979): Grundwasserhaushalt und Vergleich zwischen Stoffeintrag und –austrag im Eyachtal. Geowiss. Fakultät der Eberhard-Karls-Universität Tübingen (Dissertation). Tübingen

Langbein, W.D. und S. Müller (1986): Entwicklung hydropedologischer Forstkartiermethoden am Beispiel kleiner Bacheinzugsgebiete im Naturpark Schönbuch. In: Einsele, G. (Hrsg.): Das landschaftsökologische Forschungsprojekt Naturpark Schönbuch - Wasser- und Stoffhaushalt, Bio-, Geo- und Forstwirtschaftliche Studien in Südwestdeutschland - DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft Forschungsbericht 245-270. Weinheim

Meesenburg H. und H.E. Müller, 1992. Simulation des Stofftransportes im Sickerwasser, Interflow und Bachwasser basenarmer Einzugsgebiete des Nordschwarzwaldes. - Freiburg: Institut für Physische Geographie der Universität Freiburg, (unveröffentlichter Abschlußbericht PWAB-Projekt PW 89.076)

Peschke, G.; C. Etzenberg; G. Müller, J. Töpfer und S. Zimmermann (1999): Das wissensbasierte System FLAB - ein Instrument zur rechnergestützten Bestimmung von Landschaftseinheiten mit gleicher Abflußbildung. IHI-Schriften 10 Jhg. 1999 (Internationales Hochschulinstitut Zittau). Zittau

Seeger, T. (1990): Abfluß- und Stofffrachtseparation im Buntsandstein des Nordschwarzwaldes. Tübinger geowissenschaftliche Arbeiten / Reihe C, Hydro-, Ingenieur- und Umweltgeologie 6. Institut für Geologie und Paläontologie der Universität Tübingen (Dissertation). Tübingen

Stahr, K. (1973): Die Stellung der Böden mit Fe-Bändchen-Horizont (thin-iron-pan) in der Bodengesellschaft der nördlichen Schwarzwaldberge. In: Arb. Geol. Paläontol. Universität Stuttgart NF 69, 85-183. Stuttgart

[Home] [Projektübersicht/overview] [Karten/maps] [Literatur] [Mitglieder der AG Dürreych] [GIS-Daten/gis data] [Messdaten] [Links]