Die Identifikation hydrologischer Prozesse im Einzugsgebiet des Dürreychbaches (Nordschwarzwald) [online]

Kurzfassung

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde versucht, die wichtigsten
Abflussbildungsprozesse im Gebiet des Dürreychbaches (Nördlicher
Buntsandstein­Schwarzwald) in ihrer raum­zeitlichen Dynamik
zu erfassen:
Die Quellen des Gebietes stellen den gesamten Basisabfluss des
Gebietes. Eine direkte Kopplung von Quell­ und Bachabfluss
konnte nicht nachgewiesen werden. Nur für extreme Ereignisse
( > HQ1) und hohe Grundwasserstände konnte im Unterlauf des
Dürreychbaches ein nennenswerter Beitrag tieferen Grundwassers
nachgewiesen werden. In allen sonstigen Fällen muss angenommen
werden, dass dem Einzugsgebiet große Mengen an Grundwasser (ca.
400 mm a ­1 ) verloren gehen, eine geschlossene Wasserbilanz für
den Pegel am Gebietsauslass ist somit nicht möglich.
Abfluss aus der Bachaue und bachnahen Wegeflächen
(Sättigungsflächenabfluss und Horton'scher Oberflächenabfluss)
stellt die schnellsten Abflusskomponenten bereit. Mit maximal
1.2 % beitragender Fläche ist der Abfluss aus der Bachaue jedoch
nur bei trocknen Vorbedingungen die dominierende
Abflusskomponente.
Sehr schnell abflussaktiv werden die gut drainierten Flächen der
Hochlagen. ... mehrSie stellen für mittlere Feuchtebedingungen den
Hauptanteil (50­80 %) des Abflusses am Gebietsauslass
(überwiegend Sättigungsflächenabfluss). Wegen des hohen Gehaltes
an DOC (braune Farbe, Schaumbildung) ist dieser Beitrag auch
optisch leicht zu identifizieren.
Mit zunehmender Ereignisdauer dehnen sich die abflussaktiven
Flächen stark aus, auch die weniger gut ans Drainagenetz
angekoppelten Plateauflächen werden abflusswirksam.
Mit zunehmender Ereignisdauer kommt es auch auf den Hängen
infolge einer durch Ortsteinbildung gehemmten Tiefenversickerung
zu einer Zunahme der schnellen Interflowanteile.
Vor allem an Hangknicken und Wegeanschnitten wird dieser
Fliessvorgang im sehr makroporösen Oberboden sichtbar ("Pipe
Flow"). Zunehmende Ereignisdauer und auch hohe Intensitäten
verstärken den Interflowanteil am Gesamtabfluss immer mehr. Der
Anteil des Abflusses von den Hochlagen sinkt hingegen.
Während der Abfluss von den Hochlagen nach Ereignisende relativ
schnell versiegt, bleibt die Neigung der Hänge zur Bildung von
schnellem Interflow noch einige Zeit erhalten. Relativ
langsamer Interflow oberhalb der Ortsteinschicht hält die hohe
Sättigung der Böden aufrecht.
Deutlich wurde die hohe Infiltrationsleistung der Waldböden der
Hänge. Eine Abflussreaktion auf den Hängen ist deshalb nur bei
sehr feuchten Vorbedingungen oder extremeren Ereignissen zu
erwarten.
Die Abflussbereitschaft der Hänge korrelierte sehr gut mit den
Messungen in 23 und 7 cm Tiefe an einem Bodenprofil in steiler
Hanglage. Dieser Standort darf somit als repräsentativ für
Standorte mit schnellem Interflow angesehen werden.
Auch für die Sättigungsflächen der Hochlagen existiert ein
Schwellenwert, jenseits dessen Abfluss einsetzt. Vorher
infiltriert aller Niederschlag. Mittels TDR­Sonden gemessene
Sättigung in 20 cm Tiefe in einer Sättigungsfläche der Hochlagen
korrelierte sehr gut mit dem Einsetzen von Abfluss aus diesem
Einzugsgebiet. Die gute Drainage der Hochlagen führt zu einer
schnellen Bereitstellung von Bodenwasser. Isotopenmessungen und
der gleichmäßig hohe Gehalt an DOC ließen den Schluss zu, dass
es sich dabei größtenteils um Vorereigniswasser handelt, das bei
der Abflussbildung eine intensive Mischung mit dem
Ereigniswasser erfährt. Das Speichervermögen dieser Flächen ist
ebenfalls beträchtlich. Standorte ohne eine
infiltrationshemmende Stauschicht im Unterboden zeigen durch das
allgemein sehr sandige und stark makroporöse Substrat extrem
hohe Infiltrationsraten. Einzig größere Mengen an
Hangzuschusswasser (auch als Return Flow an Hangknicken) führen
auch hier zeitweilig zu oberflächlichem Abfluss. Extrem feuchte
Gebietszustände ziehen dann auch größere Erosionsvorgänge nach
sich. Neben starker Subrosion (Ausspülung des Oberbodens) wurde
auch Rinnenbildung in Tiefenlinien oder auf Rückegassen und eine
Abspülung von Wegeschotter beobachtet.
Im Zusammenhang mit dem HHQ vom 28./29.10.1998 kam es auch zu
kleineren Erdrutschen und einer vollständigen Umgestaltung des
Hauptgerinnes. Dabei wurde große Mengen an Steinen und Blöcken
umgelagert. Auch ein vor 150 Jahren angelegter Weg wurde
zerstört. Diese Vorgänge sind jedoch als äußerst selten zu
betrachten, für Ereignisse < HQ5 ist das Gerinne in jedem Falle
als stabil anzusehen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden drei Simulationsmodelle mit
unterschiedlichem Abstraktionsgrad eingesetzt, um ihre
prinzipielle Eignung für die Simulation der beobachteten
Prozesse zu ermitteln: Gerade bei den schnellen Prozessen
(Sättigungsflächenabfluss und schneller Interflow) hatten die
beiden mehr konzeptionellen Ansätze große Schwächen. Dies lag
zum einen an der zeitlichen Auflösung (eines der Modelle
rechnete in Tageszeitschritten), aber auch am zugrunde liegenden
Konzept, das es entweder nicht erlaubte, einen echten Raumbezug
herzustellen (räumliche Auflösung zu grob) oder aber die
notwendigen Prozesse gar nicht erst enthielt (z.B. Interflow auf
Hängen infolge Schichtung). Als sehr unbefriedigend erwies sich
der TOPMODEL­Ansatz nach BEVEN & KIRKBY (1979), da hier weder
die räumliche Lage der Indexwerte zum eigentlichen
Abflussgeschehen passte noch Sättigungsflächenabfluss unabhängig
vom Grundwasserstand simulierbar war. Als sehr flexibel erwies
sich hingegen ein mehr physikalisch­begründeter Ansatz, da hier
Prozess­ und Modellskale besser zusammenpassten. So ließ sich
ein Zusammenhang von beobachteten Vorgängen und
Simulationsergebnis herstellen. Allerdings wären hier noch
umfangreiche Parameterstudien notwendig gewesen, um
befriedigende Simulationsergebnisse zu erreichen. Denn es zeigte
sich eine sehr große Abhängigkeit der Ergebnisse von der
räumlichen Diskretisierung (v.a. Länge und Breite der einzelnen
Hangelemente und Berechnungsknotenabstand). Auch fehlte diesem
Modell ein geeigneter Grundwasserteil.
Erst eine detaillierte Prozesskenntnis setzt den Modellierer in
die Lage, die Ergebnisse eines Simulationsmodells zu bewerten.
Allerdings geht mit zunehmenden Abstraktionsgrad des
Modellkonzeptes der konkrete räumliche Bezug verloren. Die
Verwendung von Punktmessungen, Tracerdaten oder
Prozessbeobachtungen zur Modellkalibrierung tritt damit in den
Hintergrund. Der Übergang von einer echten Verhaltenserklärung
(durch "physikalisch­basierte" Modelle) zur einer reinen
Verhaltensnachahmung ("black box"­Ansätze) ist jedoch wegen der
hohen Komplexität natürlicher Systeme insbesondere für den
operationellen Einsatz unumgänglich. Hier muss jedoch darauf
geachtet werden, solche Modelle niemals zu Prognosezwecken
(Extrapolation) einzusetzen.

Abstract

The first part of this work deals with the most important runoff
generation processes and their spatial and temporal distribution
in the study area, the catchment of the Duerreychbach, Northern
Black Forest, Germany:
The perennial springs generate the entire base flow in the study
area. A direct interaction of base flow and surface runoff could
not be proven. Only for extreme events ( > HQ1) and high ground
water levels a substantial contribution of deep ground water to
runoff could be measured in the lower part of the catchment.
The calculation of a closed water balance for the catchment
outlet is not possible: Large amounts of groundwater (approx.
400 mm a ­1 ) are exported. Runoff from the alluvial plain and
the tracks near the stream (saturation excess flow and
Hortonian overland flow) are the fastest runoff components. But,
with a maximum contributing area of 1.2%, runoff generated in
the alluvial plain dominates the hydrograph only for dry
pre­event conditions. The well drained plateau area shows a fast
runoff reaction. For medium moisture conditions these
contributions dominate the runoff at the catchment outlet
(50­80%). Caused by its high DOC concentration (brown colour,
scum) water from the plateau areas can be visually detected.
With longer event duration the contributing area grows and also
areas with lower connectivity to the drainage network start to
contribute to runoff. The abundance of iron pans in the
hillslope soils (mostly Podsols) reduces the percolation rate
of the soils and causes fast interflow in the macroporous humic
layer for larger rainfall events. In depressions or where the
soil is cut by tracks this flow process ("Pipe Flow") becomes
visible. Growing event duration and high intensities rises the
portion of interflow within the total runoff at the catchment
outlet. However, the portion of runoff from the plateau region
decreases. While runoff from the plateau region dries up quite
fast, the tendency of interflow generation on the hillslopes
remains for a certain time: Relatively slow interflow on top of
the iron layer keeps the saturation of the soil high.
The infiltration capacity of the upper horizons of the forest
soils is very high. Only for very wet pre­event conditions or
extreme events a strong reaction of the hillslope can be
expected. Runoff production on the hillslope showed a strong
correlation to TDR­measurements in depths of 22 and 7 cm in a
soil profile on a steep hillslope (Podsol). This location can be
seen as representative for areas able to produce fast interflow.
A threshold for runoff generation exists also for the saturation
areas of the plateau region. Prior to saturation at this
location, all rain infiltrates and no runoff is generated.
Saturation measured by TDR­probes in 20 cm depth at one location
correlates very well with the starting point of runoff at the
local gauging station. A dense drainage network delivers soil
water very fast. Using isotope and DOC measurements (showing a
stable isotope composition and a high and stable
DOC­concentration) it could be concluded that (for
wet pre­event conditions) the runoff consists mainly of
pre­event water which is very well mixed with event­water during
the runoff process. But nevertheless the storage capacity (for
dry pre­event conditions) of the plateau area is very high.

Locations without horizons of low infiltration capacity
sometimes show extremely high infiltration rates, caused by its
sandy, macroporous soil properties (mostly Cambisols or
Cambisols­Podsols). Surface runoff could only be observed in the
case that large contributions of hillslope water and return flow
in depressions cumulates. For these conditions different
erosion processes were active: Besides subrosion (wash out
within the upper soil layer) also rill and gully erosion along
natural channel structures or tracks was observed.
During the largest observed flood (HHQ, 28./29.10.1998) small
landslides were generated. The main channel was completely
rebuilt. Large amounts of stones and blocks were transported
over long distances. A 150 year old track has been destroyed.
The structure of the main channel remains stable for events with
a recurrence interval of 5 or less years.
In the second part of this study three numerical simulation
models with a different degree of abstraction were applied to
determine their principal suitability for the simulation of the
observed processes: Concerning the fast processes (e.g.
saturation excess flow and fast interflow) the two conceptual
approaches showed disappointing results. On the one hand this
was caused by their temporal resolution (one of the models uses
daily time steps). But on the other hand this was caused by
the underlying concepts which do not allow to maintain a spatial
relation between model and reality (spatial resolution too
coarse) or which do not reflect the real processes at all (e.g.
interflow in hillslope caused by layered soil).
Simulations based on the TOPMODEL­approach by BEVEN & KIRKBY
(1979) were very disappointing. Neither the spatial distribution
of the Index values fitted the observed runoff generation
processes nor the simulation of saturation excess flow
independently from the local groundwater table was possible.
The physically based approach was very flexible. The relation
between process and model scale was closer to reality. It was
possible to find a strong correlation between observed processes
and simulation results. For more satisfying simulation results
further parameter studies are necessary. The results depended
very much on the spatial discretisation of the model (length
and width of the hillslopes; distances between simulation
nodes). In addition this simulation model lacks a groundwater
part.
Only a detailed process knowledge enables the modeller to
evaluate simulation results. But an increasing degree of model
abstraction results in loss of spatial relation. This makes
point measurements, tracer data or process observations less
useful for model parameterisation, calibration and evaluation.
Because of the high complexity of natural systems the transition
from explanation of system behaviour (by "physically based"
models) towards a pure behaviour imitation (by ``black box''
approaches) is necessary, especially for the operational
application of models. But in this case it must be guaranteed
that those models are not used for extrapolation purposes.

Stichworte:
Hydrologie
Hydrologische Prozessforschung
Abflussprozesse
Abflussbildung
Abflussbildungsprozesse
Komponententrennung
Tracerhydrologie
Sättigungsflächenabfluss
Interflow
N-A-Modelle
Hydrologische Simulation