Abflussbildung bei Niederschlägen

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1 Abflussbildung bei Niederschlägen Naturgefahrenberater-Kurs - Kursdokumentation Abflussbildung 1 Einleitung Unter Abflussbildung (1) 1 versteht man die Umwandlung von Niederschlag in Abfluss. In einem Bach oder Fluss entsteht Hochwasser, wenn in seinem Einzugsgebiet (2) durch einen Niederschlag viel Abfluss gebildet wird. Hochwasser entstehen als Folge von ergiebigen und/oder intensiven Niederschlägen. Allerdings fliesst nur ein kleiner Teil des Niederschlags sofort und direkt ab. Oberflächlich abfliessender Niederschlag erfährt eine Verzögerung durch die Benetzung der Oberflächen und den jeweils durchflossenen Fliessweg. Das übrige Wasser infiltriert in den Boden, wo verschiedene Fliesswege vorhanden sind, die mit unterschiedlichen und teilweise sehr kleinen Fliessgeschwindigkeiten durchflossen werden. Die Hochwasserreaktion eines Flusses oder Baches auf Starkregen kann stark oder schwach verlaufen, je nachdem, wie viel Wasser sofort abfliesst und welche Fliesswege der infiltrierte Niederschlag im Boden nimmt. Die Hochwasserentstehung an einem Bach oder Fluss ist also einerseits vom Niederschlag, dessen zeitlichem Verlauf, Grösse (mm oder l/m 2 ) und Intensität (mm/h) und seiner räumlichen Ausdehnung abhängig. Andererseits bestimmt der Aufbau des Einzugsgebiets (Geländetopographie, Böden, Geologie, Landnutzung, etc.), wie viel Abfluss gebildet wird und wie gross das Hochwasser wird. Dieser Zusammenhang zwischen Abflussbildung und Einzugsgebiet wurde detailliert mittels Beregnungsversuchen untersucht (Scherrer, 1997; Naef et al., 1999; Kienzler und Naef, 2008). Darauf aufbauend wurde ein Bestimmungsschlüssel entwickelt, der die Identifikation hochwasserrelevanter Flächen erlaubt (Scherrer et al., 2002; Scherrer & Naef, 2003; Scherrer AG, 2004). 2 Abflussbildung und Hochwasserentstehung 2.1 Abflussreaktion eines Einzugsgebiet auf Dauerregen An den Pegelstationen in Bundkofen und Lyss wird der Abfluss am Lyssbach gemessen (Abflussganglinie, 4) und in Seedorf steht eine Niederschlagsstation. Solche Messungen liefern wesentliche Informationen über die Hochwasserentstehung. Wie rasch ein Bach der Bach auf den Niederschlag mit Abflusserhöhung reagiert ist z.b. für die Einleitung von Schutzmassnahmen wesentlich. Die Anstiegszeit (3) beschreibt die Zeit zwischen Niederschlagsbeginn und Erreichen der Abflussspitze (5). Im Fall des Hochwassers vom , das durch einen Dauerregen ausgelöst wurde, vergingen 6 Stunden bis die Abflussspitze von (25 30 m 3 /s) erreicht wurde. Insgesamt floss ein Abflussvolumen von ca m 3 Wasser ab (10.7 mm). Die Intensitätsspitzen des Niederschlags lagen bei 12 mm/h, die Niederschlagssumme betrug ca. 90 mm (Gebietsniederschlag, 6). Dies bedeutet, dass lediglich 12% des Niederschlags abflossen. Würde der Niederschlag, der über dem Lyssbach-Einzugsgebiet gefallen war, in Eisenbahntankwagen von je 58'000 l Inhalt abgefüllt, ergäbe dies ein Zug von der Länge Lyss bis Kiel an der Nordsee. Ein mit dem Abfluss gefüllter Tankzug würde nur von Lyss nach Basel reichen. D.h. ein grosser Teil des Niederschlags wurde vorübergehend im Einzugsgebiet gespeichert. 1 Begriff-Nr. im Glossar am Ende des Texts - 1 -

2 Das Einzugsgebiet des Lyssbaches ist in Abbildung 1 dargestellt. Abb. 1: Das Einzugsgebiet des Lyssbaches mit den beiden Teileinzugsgebieten: Pegel Bundkofen (Einzugsgebiet: 21 km²) und Pegel Lyss (52 km²) Anstiegszeit Abflussspitze Abflussvolumen Abb. 2: Das Hochwasser am am Lyssbach. Abflussganglinie (3) der Pegel Lyssbach- Bundkofen und Lyss mit dem Niederschlagsverlauf in Seedorf

3 2.2 Unterschiedliche Reaktion der Einzugsgebiete auf Dauerregen Im Puschlav liegen drei benachbarte, auf den ersten Blick ähnliche Einzugsgebiete, in denen Abfluss gemessen wird (Abb. 3). Die Einzugsgebiete Pednal und Ursé reagieren recht ähnlich auf den Niederschlag, die Varuna hingegen reagiert nur schwach und stark verzögert. Die genauere Untersuchung der Gebiete zeigte, dass in der Varuna ausgedehnte Gebiete mit Lockermaterial bedeckt sind, die viel Wasser speichern können und diese verzögerte Reaktion erzeugen. Einzugsgebiete unterscheiden sich in der Regel in ihrem Aufbau wie sich Fingerabdrücke unterscheiden. Deshalb reagieren sie auch unterschiedlich auf Niederschläge. Abb. 3.a: Kartenausschnitt vom Puschlav mit der Lage der drei Einzugsgebiete Val varuna, Val Pednal und Urse. Abb. 3b: Die Abflussreaktion der drei Einzugsgebiete auf einen ergiebigen Niederschlag vom Juni Für den Vergleich ist der spezifische Abfluss angegeben [m 3 /s x km²]. 2.3 Speicherfähigkeit der Böden Wie viel Wasser in einem Boden gespeichert werden kann, hängt von der Zusammensetzung des Bodens (Körnung), vom Vernässungsgrad, der Gründigkeit (Tiefe des Bodens) und vom Verdichtungsgrad (Lockerheit) ab. Abbildung 4 zeigt einen tiefgründigen (links) und einen flachgründigen Boden. Bei ähnlicher Zusammensetzung kann der Boden auf der linken Seite ein Mehrfaches an Wasser speichern als der Boden auf der rechten Seite. Tabelle 1 zeigt eine vereinfachte Einschätzung des Speichervermögens von Böden (7)

4 Abb. 4: Zwei Bodenprofile mit unterschiedlicher Gründigkeit (Tiefe). Die Parabraunerde (links) ist sehr mächtig und speichert viel Wasser. Im Vergleich dazu ist die Rendzina (rechts) flachgründig und kann bei ähnlicher Zusammensetzung des Bodens nur ein Bruchteil des Wassers speichern. Je nach Eigenschaften der Geologie (Durchlässigkeit, u. a.) kann das Speichervermögen eines Bodens wesentlich vergrössert werden (z.b. durchlässiger Boden auf Schotter, Moräne oder Bergsturzmaterial). 2.4 Abflussreaktion eines Einzugsgebiets auf Gewitter Das Einzugsgebiet des Lyssbaches wurde am von einem Gewitter getroffen (Abb. 5), das in der Folge in einen Dauerregen überging. Innerhalb einer Stunde fiel fast 40 mm Niederschlag, insgesamt wurden in 2 Tagen 130 mm Niederschlag gemessen. Die resultierende Abflussspitze erreichte m 3 /s und war damit wesentlich grösser als am Wiederum floss nur wenig Niederschlag ab (Abflusskoeffizient = 10%; 10). Während der intensivsten Phase war die Niederschlagsintensität ca. 8mal höher als beim Ereignis vom Während der intensivsten Phase des Niederschlags dürfte die Infiltrationsvermögen erschöpft gewesen sein. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Infiltration von Niederschlagwasser (Abb. 6). Grobporen beispielsweise wie Regenwurmgänge, Wurzeln, Risse etc. erhöhen das Infiltrationsvermögen (8), während tonige, porenarme Böden etc. die Infiltration hemmen (Tab. 2)

5 Anstiegszeit Abb. 5: Das Hochwasser vom am Lyssbach. Abflussganglinie der Pegel Lyssbach- Bundkofen und Lyss mit dem Niederschlagsverlauf in Seedorf. 2.5 Welche Niederschläge erzeugen die grössten Abflüsse? Der Kern einer Gewitterzelle, wo die grössten Niederschlagsintensitäten auftreten, ist auf wenige km 2 begrenzt. Daher können kleine Einzugsgebiete voll von einem Gewitter getroffen werden, was grosse Abflüsse auslösen kann. Ein Grossteil des Lyssbach-Einzugsgebiets kann von einem Gewitter getroffen werden. Bei grösseren Einzugsgebieten (beispielsweise Saane) ist dies nicht mehr möglich. Dort können Gewitter nur Teile des Einzugsgebiets abdecken. In grossen Einzugsgebieten sind deshalb eher längere Niederschlagsereignisse für grosse Abflüsse massgebend. Abb. 6: Die Grösse von Gewitterzellen im Vergleich zur Grösse verschiedener Einzugsgebiete. Kleinere Einzugsgebiete können von einem Gewitter voll getroffen werden, während beispielsweise das Einzugsgebiet der Saane nicht von einem einzelnen Gewitter voll getroffen werden kann

6 2.6 Welche Flächen tragen zum Abfluss bei? Flächen in einem Einzugsgebiet, die Böden mit hohem Speichervermögen und günstigem Infiltrationsvermögen aufweisen, tragen bei Niederschlag kaum zur Abflussbildung bei, während Böden mit geringem Speichervermögen oder schwacher Infiltration stärker zum Abfluss beitragen. Abbildung 7 zeigt das Einzugsgebiet des Lysbachs klassifiziert nach unterschiedlich stark beitragenden Flächen. Diese Karte wurde unter Berücksichtigung der Böden, der Geologie, der Landnutzung, der Geomorphologie, etc. erstellt. Mehr als die Hälfte des Einzugsgebiets besitzt eine stark verzögerte bis sehr stark verzögerte Abflussreaktion. Verglichen mit voralpinen Einzugsgebieten reagiert das Lyssbach-Einzugsgebiet eher schwach auf Starkregen. Abb. 7: Das Einzugsgebiet des Lyssbachs unterteilt in unterschiedlich stark zum Abfluss beitragenden Flächen

7 2.7 Die Abflussbildung verschärfende / mindernde Faktoren Vorregen Werden in einem Gebiet die Böden durch einen Niederschlag vorbefeuchtet, verstärkt sich die Abflussbildung bei einem nachfolgenden Niederschlag. Allerdings sind Böden je nach Aufbau unterschiedlich empfindlich auf sog. Vorregen (9). Dazu ein praktisches Beispiel mit Beregnungsversuchen (Niederschlagsintensität ca. 100 mm/h), die am selben Standort im Abstand von einem Tag durchgeführt wurden (Abb. 8): Auf dem Standort 1 (links) fliesst bei trockenen Vorbedingungen (braune Linie) innerhalb 100 Min. nur ca. 10% des Niederschlags ab. Bei nassen Verhältnissen (blau) fliesst 60% ab, also ca. 6 Mal mehr. Die Reaktion ist bei nassen Verhältnissen also wesentlich stärker. Beim Standort 2 und 3 ist der Abfluss bei nassen Verhältnissen nur leicht höher. In Einzugsgebieten, die vor allem Böden aufweisen wie der Standort 1, ist die Reaktion bei nassen Verhältnissen wesentlich höher als bei trockenen. In Gebieten mit Böden des Standorts 2 und 3 ist die Reaktion bei nassen Vorbedingungen nur wenig stärker. Abb. 8: Volumenabflusskoeffizienten (10) von Beregnungsversuche (Intensität ca. 100 mm/h) auf verschiedenen Standorten. Gefrorene Böden und Schneeschmelze Bei winterlichen Verhältnissen kann ein Niederschlag auf gefrorene Böden treffen. Bodenfrost kann die Infiltration einschränken. Da in Wintermonaten aufgrund der kühlen Luft sich kaum intensiver Niederschlag in Gewitterstärke bilden kann, ist ein Grund weshalb Bodenfrost bei der Entstehung grosser oder extremer Hochwasser keine grosse Rolle spielt. Schneeschmelzen in Kombination mit winterlichen Dauerregen und evtl. Bodenfrost werden hingegen öfters beobachtet und verstärken die Abflussbildung (Beispiel: Jura-Einzugsgebiet Schüss bei Biel). Karst Unter Karst versteht man stark verwitterte Kalklandschaften wie sie im Jura und in den Kalkalpen vorkommen. Solche Gebiete sind sehr durchlässig und weisen deshalb nur wenig Oberflächengewässer auf. Je nach Durchlässigkeit des Untergrundes und Fliesswege des Wassers dämpft Karst die Abflussbildung, deshalb treten extreme Abflüsse in Karstgebieten weniger häufig auf

8 3 Zusammenfassung Abflussbildung ist die Umwandlung von Niederschlag in Abfluss. Naturgefahrenberater-Kurs - Kursdokumentation Abflussbildung Nur ein Bruchteil des Niederschlags fliesst bei Hochwasser ab, der Rest wird vorübergehend im Gebiet gespeichert. Die Böden und die Geologie spielen dabei eine wichtige Rolle, indem sie die Infiltration und die Speicherung von Niederschlagswasser beeinflussen. Je nach Aufbau (Böden, Geologie, Topographie, etc.) der Einzugsgebiete ist die Abflussbildung unterschiedlich stark und damit sind auch die Hochwasser unterschiedlich gross. Aufgrund von Indizien lässt sich einschätzen, welche Gebiete eine stärkere Abflussbildung aufweisen und welche eine schwächere. 4 Weitere Infos zum Thema Scherrer, S. (1997): Abflussbildung bei Starkniederschlägen _ Identifikation von Abflussprozessen mittels künstlicher Niederschläge. VAW Mitteilung Nr Hrsg. Prof. Dr. D. Vischer. Naef F., Scherrer S., Zurbrügg Ch. (1998): Grosse Hochwasser unterschiedliche Reaktionen von Einzugsgebieten. Hydrologischer Atlas der Schweiz, Blatt 5.7. Scherrer S., Naef F. (2003): A decision scheme to indicate dominant flow processes on temperate grassland. Hydrological Processes, 17, Scherrer S., Naef F. (2003): Grundlagen zu den Abflussbildungsprozessen. Hochwasserabschätz ung in schweizerischen Einzugsgebieten Praxishilfe Berichte des BWG, Bern. Serie Wasser; Nr. 4, ( Scherrer AG (2006): Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von hochwasserrelevanten Flächen. Hrsg. Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz. Kienzler P. and Naef F. (2008): Subsurface storm flow formation at different hillslopes and implications for the old water paradox. Hydrological Processes, 22, Die meisten Publikationen sind als pdf zu finden unter: Reinach, Scherrer AG Hydrologie und Hochwaserschutz Dr. Simon Scherrer, Dipl. Geograph Universität Basel Dr. Peter Kienzler, Dipl. Hydrologe Universität Freiburg/Br

9 Glossar Abflussbildung 1. Abflussbildung ist die Umwandlung von Niederschlag in Abfluss. 2. Einzugsgebiet: Das Gebiet, das durch einen Bach oder Fluss entwässert wird. 3. Anstiegszeit beschreibt die Zeit zwischen Niederschlagsbeginn und Erreichen der Abflussspitze. 4. Abflussganglinie ist der gemessene Verlauf des Abflusses an einem Fliessgewässer. 5. Abflussspitze ist der Scheitel der Abflussganglinie. 6. Gebietsniederschlag: Niederschlagsmenge in mm, der über einem bestimmten Einzugsgebiet während einer bestimmten Zeit fällt. 7. Speichervermögen: Niederschlagsmenge, die im Boden vorübergehend gespeichert werden kann und daher verzögert abfliesst. 8. Infiltrationsvermögen: Wassermenge, die während eines Niederschlags in einen Boden eindringen kann. 9. Vorregen ist der Niederschlag, der einem Niederschlagsereignis vorausgeht. 10. Abflusskoeffizient beschreibt den Anteil des abfliessenden Niederschlags. Der Volumenabflusskoeffizient bezieht sich auf das Abfluss- und Niederschlagsvolumen