Wie kommt es zum Hochwasser?

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1 Wildbachprozesse Wie kommt es zum Hochwasser? Maßnahmen in der Fläche G. Markart, B. Kohl, K. Klebinder, B. Sotier, F. Perzl BFW Praxistag 2014 Jänner 2014

2 Inhalt 1) Niederschlag als Ereignisauslöser 2) Prozesse der Abflussbildung 3) Hydrologische Modellierung 4) Erosion - Feststofftransport 5) Maßnahmen in der Fläche 6) Zusammenfassung

3 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Konvektiver Starkregen = Gewitterregen Foto: istockphoto.com Oftmals in Kombination mit Hagel

4 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Konvektiver Starkregen = Gewitterregen Zeitliche und räumliche Verteilung Quelle: Pistotnik

5 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Advektiver Starkregen = Dauerregen Zeitliche und räumliche Verteilung g 4,0 Vb Wetterlage Niede erschlagsintensittät [mm/h] 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0, Quelle: LfUKappl 0, : : :00 B i d t INCA Basisdaten INCA-ZAMG ZAMG :00 Uhrzeit : :00 (B (Bsp. P Paznaun 22 /23 August 22./23. A t 2005)

6 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Bemessungsniederschläge ehyd das Portal für hydrographische Daten Österreichs Doch oc - wie e nahe a e kommen o e wir de der Realität? ea ä

7 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Bemessungsniederschläge (5min 6d)

8 1) Niederschlag als Ereignisauslöser Bemessungsniederschläge (5min 6d) Bild: Hydrographischer h Dienst - Tirol

9 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Wasserumsatz Juli-September für die Vegetationsformen Wald und Rasen (Angaben in mm = l/m²) Beispiel Tiroler Inneralpen: 180 / / 40 Interzeption / / Versickerung Grafische Grundlage aus Mendel (2000)

10 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Vegetation und Landnutzung - Spiegel des Abflussverhaltens Einzugsgebiet Klingfurtherbach h Quelle: Google earth Hoher Oberflächenabfluss auf Maisacker Wäldern können Abfluss aus überliegenden Bereichen nur begrenzt puffern.

11 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Vegetation und Landnutzung - Oberflächenrauigkeit Rasen Je glatter die Oberfläche, umso rascher die Abflusskonzentration hohe Fließgeschw. reduzierte Infiltration Wald + alpine Zwergsträucher Bodenvegetation, Humusauflage, Totholz höhere Rauigkeit langsameres Fließen, leichtere Infiltration

12 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Systemzustand - Vorfeuchte Vorfeuchte hat einen signifikanten Einfluss auf die Abflussbildung beschleunigt erhöht Beregnungsfläche g Brixentalbach / Tirol ACRP-Projekt SERAC-CC

13 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren ] Abfluss sbeiwert [% Systemzustand - Beweidung Schesa BF11 Dobratsch BF1 Zettersfeld BF2 Dobratsch BF5 Patscherkofel el BF2 Patscherkofel el BF1 Frühjahr Spätsommer Intensivweide im Sommer Zunahme der toten Biomasse Abnahme des Deckunggrades Patscherkofel el BF3 Patscherkofel el BF4 Schesa BF10 Schesa BF9 Abflussbereitschaft ändert sich saisonal Flächen mit hoher Abflussbereitschaft im Frühjahr hohe Abflussspenden das ganze Jahr über Flächen mit geringem Frühjahrsabfluss, aber Intensivnutzung im Sommer starker Anstieg Beregnungsflächen

14 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Boden Subalpiner Fichtenwald Planie, beweidet Rasch dränender d Porenanteil auf fder planierten Fläche deutlich geringer

15 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Oberflächennaher Zwischenabfluss Präferenzielle Fließwege Wurzelkanäle, Wurm- und Mausröhren, Klüfte, Schwundrisse, Foto: H.Schume

16 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Tiefgründiger Zwischenabfluss Bei Dauerregen sehr hohe Beiträge zum Gebietsabfluss möglich z.b. Karst, grobtexturierte Substrate 1m Hölltobel, Vbg. (2005)

17 2) Abflussbildung - Einflussfaktoren Zwischenabfluss - Erosion Zwischenabfluss ss als Auslöser für flachgründige Rutschungen / Hangexplosionen

18 2) Abflussbildung - Messmethoden Oberflächenabfluss Simulation von Starkregen i N = mm/h Simulation von Dauerregen i N = 10 mm/h

19 2) Abflussbildung - Messmethoden Zwischenabfluss Geoelektrik - Messgerät Geoelelektrik-Profil 4 Geoelektrik, Temperatur-,LF-Messung Tracer (Salz, Isotopen), Projekt Dauerregen (BMLFUW) ; Projekt SHALLOW INTER- FLOW (ÖAW)

20 3) Hydrologische Modellierung Was braucht die Praxis? Praktikable, nachvollziehbare Modelle zur Bemessung von Hochwasserabflüssen in unbeobachteten Wildbacheinzugsgebieten unter Einbeziehung hochwertiger / verbesserter Felddaten realitätsnahe, realistische Ergebnisse (Abflussspitze, Fracht) waffenscheinpflichtige N/A-Modelle ZEMOKOST empirische ii Faustformeln Extremwertstatistik t t ti tik (z.b. Wundt HQ=13,8*AE 0,6 ) Regionalisierung

21 3) Hydrologische Modellierung ZEMOKOST (Zeller modifiziert von Kohl und Stepanek) v = Fließgeschwindigkeit t OB = Konzentrationszeit IZZARD (1946) v = L t OB OB = L OB J ( C it ) 527 c L Ob = Mittlere Fließlänge des Oberflächenabflusses bfl C*i T = Abflusskoeffizient * Regenintensität = Effektivniederschlag J = Hangneigung c = Rauhigkeitsbeiwert Abflusskoeffizient (C, ψ const ), Oberflächenrauigkeit (c) 2 ZEMOKOST ist frei verfügbar, Anfragen unter bernhard.kohl@uibk.ac.at hl@

22 3) Hydrologische Modellierung Geländeanleitung zur Abschätzung von Abflussbeiwerten (Markart et al. 2004) Vegetations- Nutzung Zeigerwerte Abfluss- Abfluss einheit Boden Besonderheiten Feuchte beiwertklasse in % von N he Vegetat tionsform heide, Wal ld, Rasen ) hy ydrologisc (Zwe ergstrauch Grob- keine Nutzung / 0 0 Boden, locker Fein- Boden, bindig, dicht dicht Belastung, keine Vernässung, kein Kleingerinnenetz tr-mf intensive Belastung, Intensivweide, Häufung von Tiefenlinien offene Wasserfläche, Asphalt, Beton etc. n n Überarbeitete Auflage 2014

23 3) Hydrologische Modellierung Geländeanleitung - Oberflächenrauigkeit

24 3) Hydrologische Modellierung Abflussbeiwertkarten Bsp. Mölsbach, Tirol Vegetation Art und Intensität der Bewirtschaftung/Nutzung Bodeneigenschaften Gerinne-/Gewässernetz Natürliche Retentionsräume

25 3) Hydrologische Modellierung Zwischenabfluss Abflussprofiltypen und Fließgeschwindigkeiten Methodik in: Pirkl und Sausgruber (2014) - Handbuch Bewertung untergrundabhängiger Abflüsse (WLV-Tirol) Substrat m/h Moräne 2 Karbonat-Hangschutt 25 Quarzphyllit, blockreiche Schuttkegel 0,4-3,2

26 3) Hydrologische Modellierung Beispiel: Hochwasser Paznauntal 2005 Abfluss [l/s] NS intensität [mm/h] Regen TA ZA OA SP VSP Regen Vorregen 100% 80% 60% 40% 20% Zeit [min] 100 0%

27 3) Hydrologische Modellierung Beispiel: Integralmelioration Vorderes Zillertal Taleggbach Taleggbach

28 4) Erosion - Feststofftransport Einflussfaktor: Vegetation - Bodendeckung Flächige Erosion - Splash Erosion Effect Quelle: Ghadiri and Payne (1989) Verschlämmung und flächige Erosion aus einem Maisfeld führt zur Vermurung der Autobahn. Ampass, Tirol (2005)

29 4) Erosion - Feststofftransport Vergleich Rutschungen Wald-Freiland kontroversielle Diskussion: kaum Unterschiede zwischen Wald und Freiland (z.b. Rickli) Tendenz zur Ausbildung von flachgründigen Rutschungen im Wald ist deutlich geringer g als im Freiland (z.b. BFW-Analysen) Wald : Freiland = 1 : 3 n = 181 Anzahl der Ru utschungen Wald Freiland Au Düns Dünserberg Laterns Lech Mittelberg Schnepfau Viktorsberg Zwischenwasser

30 4) Erosion - Feststofftransport Geschiebe Bereitstellung durch Ufer und Sohlerosion Seitlicher Masseneintrag durch Rutschungen, Muren Prozessbereiche Erosions-, Umlagerungs- und Akkumulationsbereich Geschiebepotenzialband (entwickelt im Projekt ETAlp BMLFUW, 2003): Foto: H.P. Rauch, E. Schulev-Steindl (BOKU)

31 4) Exkurs Neue Technologien in der Oberflächendokumentation UAV Drohnen Ziel: detaillierte Oberflächenaufnahmen kostengünstig in schwer zugänglichen Bereichen Mögliche Einsatzgebiete: Ereignisdokumentation Bauwerksdokumentation Geländemodelle Waldzustand, Wildholz, vom Käfer geschädigte Bestände Methodik entwickelt im Rahmen des INTERREG-Projektes NEWFOR NEW technologies for a better mountain FORest timber mobilization

32 4) Exkurs UAV Drohnen Beispiel: Firschnitztal, Virgen, Osttirol Murereignis vom 4.Aug.2012: ca m³ Annahme: Feststofffracht zu 100% aus dem waldfreien Bereich über der Waldgrenze Quelle: Google Earth Ergebnis der Auswertung der Flugaufnahmen: nur ca m³ aus diesem Bereich. Nahezu die doppelte Menge muss unterhalb der Waldgrenze erodiert worden sein.

33 4) Exkurs UAV Drohnen Beispiele: Luftbilder von Waldbeständen St. Lorenzen, Stmk. Stubnerbach, b Pfunds, Tirol

34 4) Erosion - Feststofftransport Muren Wald als potenzieller Mitverursacher: Blockade / Verklausung eines Gerinnes durch seitliche Rutschungen oder Verklausungen von Grob-Geschiebe und Wildholz an Engstellen plötzlicher, schwallartiger Abfluss beim Bruch Rehmerbach, Vorarlberg

35 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Maßnahmen in der Fläche = dezentrale Maßnahmen (Lineare) Maßnahmen am Gewässer = zentrale Maßnahmen Quelle: nach Mendel (2000

36 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Hochwasser - Schutzwald Quelle: Schwitter & Bucher (2009)

37 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Hydrologische Wirkung des Waldes; Maßnahmen zur Abfluss- und Abtragsteuerung in der Fläche Hydrologische Pufferzonen entlang der Gerinne Standortsangepasste waldbauliche Behandlung (BA-Kombination, Hiebsführung, ) Fotos: S. Sauermoser Einheiten mit hohem Abflusspotential entfernt von steilen Hanglagen oder kleinflächig und verteilt angeordnet.

38 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Ein Hochwasser - Schutzwald braucht mehrschichtige, gestufte Bestände zur dosierten Ableitung des Niederschlages Geringe Rauigkeit, (Hydrophobie), geringe Durchwurzelungstiefe, ungenügende Übertragung der Scherkräfte auf tiefere Bodenschichten Standortsangepasste Baumarten Mischbestände geschichtet mit dichtem Unterwuchs ohne Zusatzbeanspruchung (Weide, Wild )

39 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Hydrologische Wirkung des Waldes Im Siedlungsraum ist die Palette der Maßnahmen stark eingeschränkt Das Gefahrenpotential im Gewässer nimmt zu Ableiten Versickern Retendieren Ischgl / Tirol 1950 Ischgl / Tirol 2008 Klebinder et al. (2010): Auswirkungen von Versiegelungen

40 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Erosion, Rutschung Quelle: Schwitter & Bucher (2009)

41 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Erosion, Rutschung Stabilisierende Wirkung der Baumwurzeln: Armierung der Hangoberfläche baumartenspezifisch Fichte = Maschennetz im Oberboden Standortsangepasste Baumarten-Mischung

42 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Rutschungsdisposition im Wald , Problem: In vielen Bereichen ist eine steigende Dotierung der Wälder mit Oberflächen- und Hangwässern aus waldfreien Bereichen festzustellen Rutschungen im Bregenzerwald 22./23. August Blößen 2 extensivierte Flächen 3 Hangwasser 4 Übergang zum Freiland Forstwege

43 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Erosion, Rutschung Extensivierte / zuwachsende Almflächen brauchen Betreuung Vermeidung sekundärer Vernässungen (Pflege von Entwässerungs- und Bewässerungssystemen) Schließung von Bestandeslücken Angepasste Baumartenkombination und Bewirtschaftung besonders bei hohem natürlichem Hangwasserangebot Trügerische Sicherheit: Aufforstung einer aufgelassenen Almweide die gepflanzten Zirben stehen jedoch teilweise i im Wasser

44 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Quelle: Schwitter & Bucher (2009)

45 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Quelle: Schwitter & Bucher (2009) Bevorzugte Nachlieferungspfade (PRP) differenziert nach: Boden-/Wasserprozessen Massenbewegung (lineare) Prozesse, Lawinenzüge Verklausungspotential Beurteilung nach dem Risiko

46 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Wildholzbewirtschaftung Entfernen von Holz im Gerinne laut FG 1975 i.d.g.f. (vorbildlich: Wildbachbetreuungskonzept WLV/LFD-Tirol) Entfernen absturzgefährdeter Bäume bzw. Baumgruppen Dauerwaldartige Bewirtschaftung der Grabeneinhänge / höherer Laubholzanteil Rehmerbach, Vorarlberg Dawinbach, Tirol Foto: P. Dobesberger

47 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Hangentlastung, Beispiel Löhnersbach/Salzburg (Grauwackenzone) Differenzierte und auf den Standort abgestimmte Maßnahmen notwendig Geplant: Abräumen des unteren Hanges Begründung: Wildholzgefahr Durch Geologen unterbunden wegen einer tiefgründigen Auflockerungen und Massenbewegungen im Fels Gefahr der Aktivierung der Rutschung

48 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Hangentlastung, Beispiel Löhnersbach/Salzburg (Grauwackenzone) Nach Mayer und Beinsteiner (1972): Masse des Bodens (Tiefe 1m) = 85% Masse des Wassers bei Feldkapazität = 13% Masse des Bestandes = 2% Überschlagsmäßige Berechnung: Annahmen: Bodenmächtigkeit 1m; FD = 2,5 g/cm³; Porenvolumen (PV) = 50% Masse Boden (50%) = 0,5 * 2,5 = 1,25 t/m³ * = t/ha Masse Wasser (35%) = 035* 0,35 1=0 0,35 t/m³ = t/ha Masse Bestand (400 Bäume) = (400 * 0,8 t) + (400*0,5 t) = 520 t/ha Masse des Bestandes = 3% Gerechnet mit: Volumen eines Baumes nach Denzin = (40 cm)²/1000 = 1,6 m³ (bei 50 cm DM = 2,5 m³) 1m³ Holz = 0,5 t; Astmaterial/Baum = 0,5 t (Wurzeln vernachlässigt)

49 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Hangentlastung, Beispiel Löhnersbach/Salzburg (Grauwackenzone) Wassermehranfall bei einem Jahresniederschlag von 1200 mm: Interzeption: Fichtenaltbestand p.a. = 500 mm = m³/ha (Mendel 2000) Schlagflora p.a. = 250 mm = m³/ha Bestandesentnahme = kurzfristige Reduktion = m³/ha (Minimum) Transpiration: Fichtenaltbestand tbesta p.a. = ca mm (Lyr et al. 1992) nackter Boden p.a. = ca. 200 mm (Molchanov 1960) diverse Gräser p.a. = ca mm (Molchanov 1960) Bestandesentnahme = kurzfristige Reduktion = ~ m³/ha Überschlagsmäßig ca m³/ha und Jahr mehr an Tiefensickerung!

50 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Hangstabilisierung mit naturnahen Bauweisen Beispiel Rutschung Vögelsberg bei Wattens, Tirol Rutschungsaktivität mit Beginn Herbst 2008, sukzessive weitere Setzung in den Folgejahren Von der WLV mit naturnahen und technischen Maßnahmen verbaut

51 5) Prävention Maßnahmen in der Fläche Gerinnerelevanter Schutzwald Grabeneinhang Hangstabilisierung mit naturnahen Bauweisen Beispiel Rutschung Vögelsberg bei Wattens, Tirol

52 6) Zusammenfassung (1) Hydrologische Schutzfunktionen des Waldes Beschreibung Abflussretention Hochwasserschutz Pufferpotential (Interzeption, Minderung der Schlagwirkung ) Infiltrationskapazität insbes. auf Böden mit gehemmter Durchlässigkeit it Erhöhung der Speicherkapazität Schutz vor Rutschung und Erosion Schutz vor (tiefgründiger) Massenbewegung Verminderung von spontanen Lockergesteinsrutschungen Ufererosion Rinnen- und Runsenerosion Schnee-/Lawinenschurf /Lawinenschurf, Blaikenbildung Wasserentnahme aus dem Boden durch Evapotranspiration im Zuzugsgebiet oder auf der Bewegungsmasse selbst

53 6) Zusammenfassung (2) Wald und alpine Zwergsträucher können einen signifikanten Beitrag zum Hochwasserschutz leisten. Deutlich geringerer Oberflächenabfluss auf bewaldeten Einheiten Waldwirkung abhängig vom Niederschlagstyp (Stark-, Dauerregen) Intensive Pflege notwendig gestufter Bestandesaufbau Hydrologisch optimierte Waldbewirtschaftung insbesondere in Grabeneinhängen wichtig Geeignete hydrologische Modelle sind in der Lage die Wirkung von Landnutzungsänderungen auf den Hochwasserabfluss in unbeobachteten Einzugsgebieten realitätsnah abzubilden.

54 DANK unseren Projektpartnern für die ausgezeichnete Zusammenarbeit GeoÖko Dr. Herbert Pirkl Techn. Büro für Geologie Österreichische Akademie der Wissenschaften und Ihnen für Ihr Interesse!