Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten

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1 Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten Eine Analysestrategie mit MATLAB für das Infiltrationsmodul des Hochwasser-Vorhersage Modells LARSIM Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades B.Sc. Umweltingenieurwesen an der Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt der Technischen Universität München Betreut von Zweitbetreuer M.Sc. Johannes Mitterer Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Prof. Dr.-Ing Markus Disse Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Eingereicht von Brenda Rubens Venegas Geltinger Straße München Eingereicht am München, den 19. Februar 2018

2 Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich die von mir eingereichte Abschlussarbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. München,

3 Kurzfassung Sturzfluten sind Hochwasserereignisse mit einem hohen Schadenspotential, welche in Deutschland hauptsächlich die südlichen Bundesländer betreffen. Sie kommen in kleinen Einzugsgebieten, vor allem in den Sommermonaten, als Folge von konvektiven Starkregen vor. Besonders an diesen Ereignissen ist ihre kurze Reaktionszeit (eine bis sechs Stunden). Sturzfluten werden aufgrund des Klimawandels und des Bevölkerungswachstums immer häufiger. Deswegen ist eine akkurate Vorhersage von Sturzfluten von besonderer Bedeutung. Das hydrologische Modell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) wird in Bayern und weiteren Bundesländer benutzt, um die Hochwasservorhersage durch Wasserhaushaltsmodellierung durchzuführen. Doch nach den Sturzflutereignissen in Mai/Juni 2016 in Braunsbach und Simbach am Inn wurde ersichtlich, dass LARSIM nicht fähig ist, diese angemessen zu simulieren. Um dieser Problematik entgegen zu wirken, wurden erstmal Verbesserungspunkte für die Standardeinstellungen von LARSIM gesucht. LARSIM ist in unterschiedlichen Module gegliedert, jedes Modul ist für bestimmte hydrologische Prozesse verantwortlich. Im Fall von Sturzfluten ist das Bodenmodul von besonderer Bedeutung, da dieses als Verteiler des Wassers zum Abfluss und in den Bodenspeicher agiert. Darum wurde der Bodenspeicher ausführlich auf seine Funktionalität untersucht. Neue Entwicklungen, welche LARSIM erweitern bzw. seine Standardeinstellungen modifizieren sollen, werden als Optionen vorgestellt. Diese können beliebig eingesetzt und kombiniert werden. In diesem Fall wurde eine Auswahl an Optionen gesucht, welche die Probleme von LARSIM bei der Sturzflutsimulierung verringern sollen. Die Trennung des Direktabflusses in schnellen und langsamen Direktabfluss, die Berücksichtigung eines Infiltrationsgrenzwerts oder auch die Unterteilung der Teilgebiete in Bezug auf die Landnutzung, sind ein paar der vorgeschlagenen Veränderungen. Zusätzlich wurde einen Weg gesucht die Standardausgabe von LARSIM so zu erweitern, dass eine vollständige hydrologische Analyse gewährleistet werden kann. Zu diesem Zweck wurde auf eine Ausgabeoption gesucht, welche die Zu- und Abflüsse des Bodenspeichers darstellt. Im Fall, dass keiner der vorhandenen Optionen dieser Funktion erfüllen kann, wurde MATLAB als eine Alternative für die Ausgabesteuerung betrachtet. Nach der Optionenanalyse wurde jedoch keine Anwendung von MATLAB gebraucht, da die gesuchte Ausgabe möglich ist. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten I

4 Abstract Flash floods are flood events with a high damage potential. In Germany, they occur mainly in small catchment areas of the south federal states, as a consequence of convective heavy rainfall events. The special characteristic of this type of flood events is their short reaction time (one to six hours). Due to the climate change and the continuously rising population, the frequency of flash flood events will increase. This is why the importance of an accurate forecasting of flash floods is plain. The hydrologic model LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) is used for the flood forecasting in Bavaria, as well as in other federal states of Germany. After flash flood events which occurred in Braunsbach and Simbach am Inn in the year 2016, the ability of LARSIM to simulate those kinds of events was questioned. Therefore, proposals for improvement of the standard configuration were sought. LARSIM consists of different modules. Each one of them is responsible for particular hydrological processes. In the case of flash floods, the soil storage module is important, due to its decisive influence on water storage and runoff generation. In consequence, the analysis of the soil storage module was extensive. New developments, known as Options, have been made to improve or change the functionality of LARSIM. These can be activated and combined freely. For this matter, an analysis of different options has been made, to find a selection which may solve or improve the flash flood modeling in LARSIM. The distinction between fast subsurface runoff and overland flow, the consideration of a threshold value for the infiltration or the subdivision of the catchment areas according to their land use are a few examples of suggestions for the improvement. In addition, a second search for options was started. This time the purpose was to achieve the possibility of a complete hydrological analysis of the catchment area, based on the output data. Therefore, the analysis focused on options which amplify the standard output. The goal was to get an output describing the in- and outflows of the soil storage module. MATLAB was taken into consideration as an alternative output data generator, in case that no existent option in LARSIM could fulfill the aim of the search. Nevertheless, the use of MATLAB was not necessary, due to the existence of a combination of options which achieve the purpose of this search. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten II

5 Inhalt 1. Einleitung in die Problematik der Sturzfluten Naturgefahr Sturzflut Definition einer Sturzflut Hydrologie einer Sturzflut Starkregenereignisse Infiltrationsprozesse bei Starkregen Hortonscher Landoberflächenabfluss Sturzfluten und Klimawandel Das Wasserhaushaltmodel LARSIM Anwendungsbereiche Struktur von LARSIM Das Bodenmodul im Detail Grundlegender Aufbau Abflusskomponenten des Bodenspeichers Warum ist die Simulierung von Sturzfluten in LARSIM nicht optimal? Wichtige Optionen für die hydrologische Modellierung Vorgehensweise bei der Auswahl Option 4 Q-Komp mit A Option A2 Boden-Lanu-spezifisch Option Erw. Bodenparameter Option Korrekturfaktor Wasserdargebot Option Infiltration Grenzwert Option Bodenmodul Q-Typen Option Faktor Bodenfeuchte Wichtige Optionen zur Ausgabe der Modellberechnung Überblick der vorgeschlagenen Strategie für die LARSIM Anwendung bei Sturzfluten Diskussion und Ausblick Anhang Tabelle LARSIM Optionen Dominante Abflussprozesstypen nach Scherrer Literatur Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten III

6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Skizze des Verschlämmungsprozesses (Winter 2013, 21)... 6 Abbildung 2: Entwicklung der mittleren Lufttemperatur in den hydrologischen Halbjahren, Trend in C/85 Jahre im Zeitraum (KLIWA 2016, 21)... 9 Abbildung 3: Entwicklung der Lufttemperatur im hydrologischen Sommer- und Winterhalbjahr ( vs ) (KLIWA 2017)... 9 Abbildung 4: Vb-Wetterlage über Europa (Kasang 2017) Abbildung 5: Omega-Wetterlage (2010) über Europa. (Kasang 2017) Abbildung 6: Einordnung von LARSIM in das Klassifizierungsschema für hydrologische Modelle nach Singh (1995) (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 14) Abbildung 7: Struktur des Wasserhaushaltsmodells LARSIM (mit drei Abflusskomponenten, ohne Wassertemperaturen) (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 16) Abbildung 8: Aufteilung des Direktabflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit dem Schwellenwertansatz (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 81) Abbildung 9: Aufteilung des Direktabflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit Infiltrationsmodul (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 84) Abbildung 10: Simulation des Abflusses in Obermoschel ( ) mit LARSIMs Standardeinstellungen. 77% des Gebietsniederschlags wurde vom Boden aufgenommen (Bremicker et al. 2017, 6) Abbildung 11: Simulation des Abflusses in Obermoschel ( ) mit Begrenzung der Infiltrationskapazität auch bei trockenen Boden. 34% des Gebietsniederschlags werden im Boden aufgenommen (Bremicker et al. 2017, 7) Abbildung 12: Aufteilung des Abflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit dem Schwellenansatz (bei Aktivierung der Option 4 Q-Komp mit A2) Abbildung 13: Vergleich der LANU-Boden-Kompartimente mit und ohne ERW. BODENPARAMETER (Haag und Krumm 2017) Abbildung 14: Jahreszeitlich differenzierte Reduktion von Inf max durch Kombination aus Verschlämmungsfaktor und jahreszeitlichen Verschlämmungsgrad (Haag 2017, 13) Abbildung 15: Einsatzpunkte der möglichen unterschiedlichen Ausgabeoptionen in der LARSIM Gebietsunterteilung (mit ERW. BODENPARAMETER) Abbildung 16: Schematische Darstellung des Anwendungsvorschlags für LARSIM für die Sturzflutsimulierung Abbildung 17: Abflussprozesse an einem Hang (nach Scherrer 1997) (Wagner 2015, 68).. 48 Abbildung 18: Aus den charakteristischen Parameterwerten für die Abflussprozesstypen resultierende Abflussreaktionskurven (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 96) Abbildung 19: Überblick der dominanten Abflussprozesstypen (Haag 2010, 4) Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten IV

7 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Warnkriterien des Deutschen Wetterdiensts für Starkregen... 5 Tabelle 2: Name und Funktion der Eingabe- und Ausgabedateien in LARSIM Tabelle 3: Gegenüberstellung der verschiedenen Ansätze für die Berücksichtigung der vierten Abflusskomponente Tabelle 4: Beschreibung und Bewertung der LARSIM Optionen der Kategorie Optionen zur hydrologische Modellierung Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten V

8 Abkürzungsverzeichnis B BSF BBK Bodenfeuchte-Sättigungsfläche-Funktion Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe D DP DWD Tiefenversickerung (Deep Percolation) Deutscher Wetterdienst H HiOS HOF Hinweiskarte Oberflächenabfluss und Sturzflut Hortonischer Oberflächenabfluss K KLIWA Klimaveränderung und Wasserwirtschaft L LARSIM LfU LK LMU Large Area Runoff Simulation Modell Bayerische Landesamt für Umwelt Luftkapazität Ludwig Maximilians Universität München M MATLAB Matrix Laboratory N N-A-Modell nfk Niederschlag-Abfluss-Modell nutzbarer Feldkapazität Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten VI

9 P PFF Preferential-Flow-Function S SOF SSF stmuv Gesättigter Oberflächenabfluss (Saturated Overland Flow) Fließprozesse im Boden (Subsurface Flow) Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz T TUM Technische Universität München U USA United States of America (Vereinigte Staaten) V VDB Vertikaler Durchlässigkeitsbeiwert W WHM Wasserhaushaltsmodell Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten VII

10 1. Einleitung in die Problematik der Sturzfluten Das Jahr 2016 war in Deutschland durch außergewöhnliche Wetterlagen und -ereignisse geprägt. Sowohl Tornados in Hamburg und Schleswig-Holstein als auch ein später Wintereinbruch Ende April sorgten für Aufmerksamkeit im Verlauf des Jahres. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Art von Ereignissen, welche in Mai und Juni 2016 für viele Schäden deutschlandweit sorgten: Sturzfluten. Allein im Regierungsbezirk Niederbayern stieg die geschätzte Summe der Gesamtschäden infolge von Sturzfluten auf über 1,25 Milliarden Euro (Bayerisches Landesamt für Umwelt 2017). Vor allem nach den überraschenden Ereignissen in Braunsbach und Simbach am Inn stellte sich die Vorhersagbarkeit von Starkniederschlägen und daraus resultierenden Sturzfluten in Frage. In Bayern wird die Hochwasservorhersage durch die Wasserhaushaltsmodellierung mit dem konzeptionellen hydrologischen Modell LARSIM gestützt. Durch die Sturzflutereignisse im Jahr 2016 wurde ersichtlich, dass eine eindeutige Vorhersage von Sturzfluten mit LARSIM nicht gewährleistet werden kann. Grund dafür sind möglicherweise die unzureichenden hydrologischen Eingabedaten, die ungenügende Zeit- und Raumauflösung des Modells und die fehlende Fähigkeit des Modells sich an typische hydrologische Prozesse bei Sturzfluten anzupassen. LARSIM ist in verschiedene Module aufgebaut. Fokus dieser Arbeit ist das Bodenmodul, welches den Zufluss zum Bodenspeicher als auch die Aufteilung vom gesamten Abfluss in vier Komponenten steuert. Dadurch spielt dieses Modul eine hochrangige Rolle bei der Simulierung des Abflusses während eines Starkregenereignisses. Eine Ausgabe mit der Aufteilung aller Zu- und Abflüssen dieses Moduls ist bei der Standardprogrammierung in LARSIM nicht vorhanden. Deswegen ist eine genaue hydrologische Bewertung des Models nicht ohne weitere Angaben möglich. Erweiterungen der Standardeinstellungen von LARSIM werden durch so genannten Optionen ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist eine Steuerungsoption in LARSIM zu finden, welche dem Anwender eine anschauliche hydrologische Bewertung der Zu- und Abflüsse des Bodenmoduls erlaubt. Sollte solch eine Option nicht vorhanden sein, wird eine MATLAB Routine entwickelt. Mit dieser Routine wird versucht die fehlende Steuerungsfunktion zu ersetzen und den Anwender die Möglichkeit zu geben, die gewünschte Bewertung durchführen zu können. Besonders bei Sturzfluten ist die Aufteilung des Abflusses in vier Komponenten wichtig. Deswegen muss die gesuchte Funktion bzw. Routine all diese Abflüsse abbilden können. Die Rolle der Abflussaufteilung wird im Kapitel erläutert. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 1

11 Die Kapitel gliedern sich wie folgt: Am Anfang werden Sturzfluten näher betrachtet. Es werden ihre Definitionen diskutiert, da der Begriff Sturzflut nicht einheitlich definiert ist. Um die Entstehung von Sturzfluten sowie ihren Ablauf besser zu verstehen, werden daraufhin die Infiltrationsprozesse und die Abflussbildung bei Starkregenereignissen erklärt. Zusätzlich werden Sturzfluten im Bezug zum Klimawandel betrachtet. Im nächsten Kapitel wird das Modell LAR- SIM eingeführt. Dabei werden seine Anwendungsbereiche aufgelistet und seine generelle Struktur beschrieben. Wie bereits erwähnt, ist LARSIM aus verschiedenen Module aufgebaut. Wegen die besondere Bedeutung des Bodenmoduls wird dieser getrennt in ein eigenes Kapitel beschrieben. Die Steuerung von LARSIM erfolgt durch Eingabedateien, welche verschiedene Optionen (Spezialisierungen) aktivieren. Insgesamt verfügt LARSIM über 400 Optionen, unterteilt in verschiedene Kategorien. Es werden Optionen gesucht, welche die Zielausgabe erzeugen können. Die Auswahl an Optionen, welche relevant sind, wird in getrennten Kapiteln (Trennung nach Kategorien) vorgestellt. Sollte eine der ausgewählten Optionen einen Zu- oder Abfluss des Bodenspeichers berechnen, aber nicht ausgeben, wird eine MATLAB Routine entwickelt, welcher die Ausgabe ermöglichen soll. Im nächsten Kapitel wird einen Vorschlag dargestellt, welches die betrachtete Optionen zusammenstellt und auf eine optimierte LARSIM- Anwendung bei Sturzfluten zielt. Schließlich werden die Erkenntnisse und weitere Ausblicke im letzten Kapitel zusammengefasst. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 2

12 2. Naturgefahr Sturzflut 2.1. Definition einer Sturzflut Der Begriff Sturzflut ist in der heutigen Literatur nicht überall gleich definiert. Um die Hydrologie einer Sturzflut zu untersuchen und ihre Vorhersage zu verbessern ist es jedoch notwendig, einen eindeutigen Begriff zu haben. Der Hauptunterschied der verschiedenen Definitionen liegt meist in der Abgrenzung der Einzugsgebietsgröße oder der Reaktionszeit. Im Folgenden werden zwei Definitionen diskutiert. Das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) hat 2017 einen Bericht über die Sturzflut- und Hochwasserereignisse im Mai und Juni 2016 veröffentlicht. In diesem Bericht findet man folgende Definition für ein Sturzflutereignis: Dieser Hochwassertyp tritt hauptsächlich bei kleinen Gewässern (Einzugsgebiete kleiner 200 Quadratkilometer) mit einer Dauer von nur wenigen Stunden auf. In der Regel führen dabei lokale Starkregenereignisse (häufig begleitet von Gewitter, Hagel und Sturmböen) zu Niederschlagsintensitäten, die die Infiltrationskapazität des Bodens überschreitet. Das Wasser fließt (unverzögert) oberflächig ab, wodurch die Bäche und Flüsse direkt auf den gefallenen Niederschlag reagieren (Bayerisches Landesamt für Umwelt 2017, 34). Borga 1 et al. (2011) definieren hingegen die maximale Größe eines Einzugsgebiets, bei einem Ereignis dieser Art, mit 400 Quadratkilometern. Die Reaktionszeit des Einzugsgebiets auf den Niederschlag wird auf maximal sechs Stunden begrenzt. Nach ihren Angaben ist dies die geläufige Definition der USA und kann auch für die kontinentale Fläche von Europa angewendet werden. Die Literatur bietet viele weitere Definitionen (Brasseur, Jacob und Schuck-Zöller 2017; Spektrum Akademischer Verlag 2000; Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz 2017). Der Konsens besteht darin, dass ein Sturzflutereignis als Folge eines starken, räumlich eng begrenzten, meist konvektiven Niederschlags entsteht. Das auftretende Hochwasserereignis ist nur von kurzer Dauer, wobei ein steiler Anstieg des Hydrographen im Vergleich zu großen Flusshochwassern charakteristisch ist. Sturzfluten werden vor allem in Gebieten mit aridem, semiaridem und mediterranem Klima beobachtet. Durch die Auswirkungen des Klimawandels wird Mitteleuropa deswegen zunehmend von solchen Ereignissen betroffen sein. Dieses wird im Kapitel 2.3 Sturzfluten und Klimawandel näher betrachtet. Aufgrund ihrer 1 Marco Borga, Professor in der Universität von Padua, Italien Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 3

13 hohen Fließgeschwindigkeit und der daraus resultierenden starken Erosion, besitzen Sturzfluten ein nicht zu unterschätzendes Schadenspotential (Brasseur, Jacob und Schuck-Zöller 2017; Spektrum Akademischer Verlag 2000). Das Auftreten einer Sturzflut ist nicht nur von der Größe des Einzugsgebiets abhängig, sondern auch von den orographischen und topographischen Gegebenheiten (Borga et al. 2011). So kommt es zum Beispiel, dass Einzugsgebiete mit stärkeren Neigungen anfälliger auf Sturzfluten sind als flache Gebiete. Durch stärkere Neigungen wird den Wasserfluss verstärkt auftreten und schneller zum Vorfluter fließen. Bei erhöhter Fließgeschwindigkeit steigt auch den Materialtransport und somit das Schadenspotential. Darüber hinaus ist es wichtig, Sturzfluten von wild abfließendem Wasser zu unterscheiden. Beide können nach einem Starkregenereignis auftreten. Wild abfließendes Wasser jedoch ist Wasser, welches außerhalb der üblichen Bach- und Flussbetten abfließt. Es folgt dem natürlichen Geländegefälle und kann auch breitflächig abfließen (Amtsblatt Landkreis Görlitz 2014). Es kann große Schäden in gewässerfernen Flächen verursachen (Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz 2017). Obwohl Sturzfluten und wild abfließendes Wasser teilweise zusammen auftreten, wird letzteres im Rahmen dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Grund dafür ist, dass das in dieser Arbeit benutze Modell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) nicht in der Lage ist dieses Auftreten zu modellieren. Wild abfließendes Wasser lässt sich nur in 2D-hydraulischen Modellen abbilden. LARSIM ist programmiert um ausschließlich Wasser aus definierten Gerinne-Strukturen zu modellieren. Letzteres trifft in Konflikt mit den Charakteristika von wild abfließendes Wasser Hydrologie einer Sturzflut Starkregenereignisse Sämtliche Regionen der Welt können von Starkregen betroffen sein. Aufgrund der regionalen Unterschiede ergeben sich große Abweichungen in der Auswirkung eines solches Ereignisses. Deswegen ist es sinnvoll, Starkregen bezüglich ihrer Regenmenge und Dauer zu beschreiben (Ruppert 2016). Starkregen sind statistisch große Niederschlagsmengen, die innerhalb kurzer Zeit (wenige Stunden) in einer geringen räumlichen Ausdehnung abregnen. Solch ein Regenereignis entsteht meist durch konvektive Strömung. In Deutschland wird ab einer Menge von 5 Litern pro Quadratmeter in 5 Minuten, mehr als 10 Liter pro Quadratmeter in 10 Minuten oder mehr als 17 Liter pro Quadratmeter und Stunde von einem Starkregenereignis gesprochen (Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz 2017; Ruppert 2016; Deutscher Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 4

14 Wetterdienst). Der Deutsche Wetterdienst (DWD) warnt die Bevölkerung bei unterschiedlichen Niederschlagsintensitäten entweder vor markanten Wetterlagen oder vor Unwetter. Die folgende Tabelle zeigt, ab wann welche Warnstufe ausgerufen wird (Deutscher Wetterdienst): Tabelle 1: Warnkriterien des Deutschen Wetterdiensts für Starkregen Starkregen (Warnungsstufen DWD) Menge Warnung Stufe 15 bis 25 l/m 2 in 1 Stunde Warnung vor 2 20 bis 35 l/m 2 in 6 Stunden markantem Wetter > 25 l/m 2 in 1 Stunde Warnung vor Unwetter 3 > 35 l/m 2 in 6 Stunden > 40 l/m 2 in 1 Stunde Warnung vor extremen 4 > 60 l/m 2 in 6 Stunden Unwetter Starkregenereignisse sind typisch für die warmen Jahreszeiten, da konvektive Ereignisse bei wärmerer Luft höhere Regenmengen ergeben. Dies hat mit der steigenden Speicherfähigkeit der Luft für Wasserdampf in Bezug auf die Lufttemperatur zu tun. Im Kapitel 2.3 wird dieses Prinzip auch in Bezug auf den Klimawandel betrachtet. Für Deutschland bedeutet diese Tatsache, dass Starkregenereignisse hauptsächlich zwischen April und September zu erwarten sind. Da Sturzfluten eine Konsequenz von Starkregenereignissen sind, treten diese ebenfalls in den warmen Monaten auf (Deutscher Wetterdienst; Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz 2017; Ruppert 2016) Infiltrationsprozesse bei Starkregen Starkregen können, besonders in kleinen Einzugsgebieten, zu sehr schnell ansteigenden Wasserständen führen und Überschwemmungen erzeugen (Sturzfluten und wild abfließendes Wasser). Abflüsse, die als Folge von Starkregenereignissen auftreten, fließen zwar schnell ab, haben jedoch ein hohes Erosionspotenzial. Nicht alle Starkregenereignisse führen zu einer Sturzflut, für ihre Entstehung sind verschiedene Faktoren verantwortlich. Dabei spielt der Boden eine entscheidende Rolle. Erreicht das Niederschlagswasser den Boden, wird sein weiterer Weg durch Infiltrationsprozesse bestimmt. Infiltration ist das Eindringen von Wasser durch die Bodenoberfläche in die ungesättigte Zone des Bodens. Die eindringende Wassermenge wird durch die Infiltrationskapazität bestimmt. Diese kann unter anderem durch die Beschaffenheit des Bodens begrenzt werden, da nicht alle Bodenarten dieselbe Fähigkeit haben, Wasser aufzunehmen (Winter 2013). Die Limitierung der Infiltrationskapazität hängt mit der Porengröße, der Porenverteilung Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 5

15 und der Verdichtung des Bodens zusammen. Schlechte oder geringe Infiltrationseigenschaften sind ein Kennzeichnen von kleinkörnigen Böden, in denen die Makroporen entweder unterbrochen, verstopft oder nicht vorhanden sind. Durch Verkrustung oder Verdichtung der Bodenoberfläche kann die Wasserleitfähigkeit des Bodens weiter verringert werden (Liebscher 2000). Auch die Verschlämmung des Bodens spielt eine Rolle bei der Minderung der Infiltrationskapazität. Grund dafür ist, dass Grobporen mit Feinmaterial verkitten und der Raum für Wasserspeicherung dadurch nicht mehr zugänglich ist. In der folgenden Abbildung wird das Prinzip des Verschlämmungsprozesses gezeigt, welches während eines Starkregenereignisses auftritt. Dabei werden die Bodenaggregate durch den mechanischen Tropfenaufprall zerstört. Diese lagern sich dann in gröberen Poren ab und verursachen eine Abtrennung der Infiltrationswege in der Bodenmatrix (Winter 2013). Abbildung 1: Skizze des Verschlämmungsprozesses (Winter 2013, 21) Weiterhin kann die Infiltrationskapazität durch den Bedeckungsgrad, die Landnutzung und/oder die Vorfeuchte (durch aufeinander folgende Niederschlagsereignisse) beeinflusst werden. Deshalb ist es für Modelle, welche den Abfluss simulieren wichtig, diese Parameter mit zu berücksichtigen. Das verwendete Modell LARSIM berücksichtig diese Eigenschaften in seine Standardeinstellungen jedoch nicht (vgl. Kapitel 3). Durch bestimmte Spezialisierungen kann seine Berechnung erweitert werden. Auf diese Erweiterungsmöglichkeit wird im Kapitel 4 eingegangen. Bei Starkregen wird die Infiltration wird auch durch den hohen Nachschub von Niederschlag (Infiltrationsrate) (Winter 2013, 8). Im Normalfall ist die Infiltrationsrate geringer als die Infiltrationskapazität. Dementsprechend kann das gesamte ankommende Wasser, welches nicht Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 6

16 oberflächig, zum Beispiel durch Interzeption gespeichert wird, in den Boden infiltrieren. Es wird von einer direkten Beziehung zwischen Niederschlagsintensität und Infiltrationsrate gesprochen. Wenn aber die Niederschlagsintensität über die Infiltrationskapazität steigt, kann sich diese Beziehung umkehren, da die Infiltrationskapazität während eines Niederschlagereignisses geringer wird (Winter 2013). Diese Art von Oberflächenabfluss wird Hortonscher Landoberflächenabfluss genannt Hortonscher Landoberflächenabfluss Ein Hortonscher Landoberflächenabfluss tritt meistens bei hochintensiven Niederschlägen auf, welche auf Böden treffen, deren Infiltrationsrate kleiner ist als die Niederschlagsintensität. Infolge des Infiltrationsüberschusses fließt das Wasser über die Landoberfläche hinweg. Der generierte Landoberflächenabfluss kann entweder bis zum Vorfluter fließen oder auf dem Weg dorthin in den Boden infiltrieren (Liebscher 2000). Während eines Niederschlags nimmt die Infiltrationsrate des Bodens mit zunehmender Befeuchtung ab, bis die Endinfiltrationsrate erreicht ist (Sättigungsflächenabfluss). Diese ist bei hohen Niederschlagsintensitäten und wenig durchlässigen Böden gering und schnell erreicht, man spricht von einem absoluten Hortonschen Landoberflächenabfluss. Beispiele für besonders betroffenen Böden sind gefrorene Böden, versiegelte Flächen oder Böden mit oberflächig anstehendem Fels. Auch sehr trockene Böden wirken infiltrationshemmend aufgrund des Benetzungswiderstandes seiner Partikel (Liebscher 2000). Hortonscher Landoberflächenabfluss kann auch verzögert auftreten. Dies ist der Fall, wenn der Boden am Anfang des Niederschlagereignisses eine hohe Infiltrationskapazität besitzt und durchlässig ist. Hier muss zunächst eine Sättigung erreicht werden, bevor das Wasser als Oberflächenabfluss abfließen kann (Liebscher 2000). Am meistens vom Hortonschen Landoberflächenabflüssen betroffen sind aride und semiaride Gebiete. Der Grund hierfür sind die häufig auftretende Oberflächenverkrustung, Vegetationsarmut und ausgetrocknete Böden. Der Hortonsche Landoberflächenabfluss ist der Hauptverursacher von Sturzfluten (Liebscher 2000). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 7

17 2.3. Sturzfluten und Klimawandel Sturzfluten waren weltweit besonders in den letzten Jahren für große Schäden (materielle und immaterielle) verantwortlich. So starben beispielsweise 1000 Menschen infolge eines Sturzflutereignisses im Jahr 2011 auf den Philippinen (Kölnische Rundschau, 18. Dezember 2011). Die besondere Gefahr der Sturzfluten ist die Tatsache, dass sie äußerst schwer vorherzusagen sind und somit kaum eine Vorwarnzeit existiert. Dazu kommt das erhöhte Schadenspotential. Dieses entsteht durch die hohe Fließgeschwindigkeit, die eine enorme kinetische Energie besitz und einem hohen Anteil an Sedimentfracht verursacht. Durch die großen Mengen an Transportmaterial kann es schnell zu Verklausungen 2 in der Kanalisation oder an Brücken und Durchlässen kommen, was wiederrum das Überschwemmungspotential erhöht (Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe 2015). Eine wichtige Frage stellt sich in Bezug auf den Klimawandel. Werden Starkregenereignisse und dadurch Sturzfluten häufiger? Das Kooperationsvorhaben der Länder Bayern, Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft (KLIWA) hat verschiedene Studien durchgeführt, um die Folgen des Klimawandels zu erfassen. Durch die Analyse von verschiedenen Messzeitreihen besagt KLIWA, dass ein Anstieg an größeren Niederschlagsmengen prinzipiell bei steigender Temperatur zu erwarten ist. Diese Annahme erklärt sich insofern: bei gleichbleibender relativer Luftfeuchtigkeit ist wärmere Luft fähig, mehr Wasser aufzunehmen, als kältere Luft, weshalb stärkere Niederschläge zu erwarten sind. Extreme Kurzzeitereignisse sind nur durch den maximalen Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre limitiert, dies kann zu einer überproportionalen Zunahme an kurzen Starkregenereignissen führen (KLIWA 2017; Bronstert et al. 2017). 2 Verklausung ist das Anstauen eines Wasserspiegels bei Fließgewässern durch Treibgutansammlungen (Spektrum Akademischer Verlag 2001). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 8

18 In den folgenden Abbildungen werden die Temperaturveränderungen der letzten 85 Jahre in den KLIWA-Gebieten dargestellt sowie die zu erwartenden Temperaturveränderungen für das Jahr Abbildung 2: Entwicklung der mittleren Lufttemperatur in den hydrologischen Halbjahren, Trend in C/85 Jahre im Zeitraum (KLIWA 2016, 21) Abbildung 3: Entwicklung der Lufttemperatur im hydrologischen Sommer- und Winterhalbjahr ( vs ) (KLIWA 2017) Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 9

19 Zusätzlich spielt beim Anstieg an Starkregenereignisse die Veränderung von Großwetterlagen eine Rolle. Hochwasserereignisse wie solche im Juni 2013 in Ost- und Süddeutschland oder wie die in Braunschweig im Jahr 2016 wurden durch Vb-Wetterlagen verursacht. Bei Vb-Wetterlagen ziehen Tiefdruckgebiete vom Mittelmeer her, wo sie sich mit Wasserdampf aufladen, nach Mitteleuropa, meistens östlich um die Alpen herum (Kasang 2017). Sie regnen sich, sobald sie auf Gebirge stoßen aus. Vb-Wetterlagen können über mehrere Tage (etwa ein bis zwei Wochen) anhalten. In diesem Fall wird von einer blockierenden Wetterlage gesprochen. Im Sommer können solche Wetterlagen Hitzewellen oder auch Starkniederschläge erzeugen. Die Häufigkeit dieser blockierenden Wetterlagen ist in den letzten Jahren gestiegen. Dies lässt sich durch das Abschmelzen des arktischen Meereises erklären. Das Abschmelzen schwächt den Temperatur- und Luftdruckgegensatz zwischen hohen und mittleren Breiten. Dadurch wird eine schwächere planetare Welle des Jetstreams erzeugt, was wiederrum eine langsamere West-Ost-Bewegung zur Folge hat (Kasang 2017). Die beiden folgenden Abbildungen dienen einem besseren Verständnis der besprochenen Wetterlagen. In Abbildung 4 sind die Tiefdruckgebiete und die Luftmassenbewegungen bei einer Vb-Wetterlage dargestellt. In der Abbildung 5 hingegen wird die sog. Omega-Wetterlage vorgestellt. Diese ist eine im Sommer auftretende blockierende Wetterlage, welche zum Beispiel Hitzewellen im Hochdruckgebiet und gleichzeitig Starkregenereignisse in den Tiefdruckgebieten erzeugen kann. Abbildung 4: Vb-Wetterlage über Europa (Kasang 2017) Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 10

20 Abbildung 5: Omega-Wetterlage (2010) über Europa. (Kasang 2017) Ein Anstieg an Sturzfluten ist allerdings nicht nur wegen des Klimawandels zu erwarten, sondern auch durch die soziale und ökonomische Entwicklung, welche bestimmte Herausforderungen an die Landnutzung erzeugt (Borga et al. 2011; Bout und Jetten 2018). Ein Beispiel dafür ist die erhöhte Erosion durch Wasser, welche durch Vergrößerung der Felder und die Verlängerung von Hängen verursacht wird. Darüber hinaus kann auch eine höhere Bearbeitungsintensität des Bodens zu schnellerer Abflussbildung führen, da dadurch die Population der Regenwürmer sinkt und somit auch der Anteil an Makroporen im Boden (Winter 2013). Mit einer wachsenden Bevölkerung ist es jedoch schwierig, zahlreiche Landwirtschaftsflächen mit reduzierter Intensität zu bearbeiten ohne sie dabei zu vergrößern bzw. zu verlängern. Gebiete, welche heute schon durch Sturzflutereignisse betroffen sind, müssen mit intensiveren Starkniederschlägen rechnen. In Deutschland sind die südlichen Bundesländer davon am meistens betroffen. Hier zeigten die Sommerhochwasser in den letzten Jahren eine zunehmende Tendenz (Bronstert et al. 2017). Deswegen besteht die Notwendigkeit, vor allem in den betroffenen Gebieten, ein Modell zu haben, welches Sturzfluten verlässlich simulieren kann. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 11

21 3. Das Wasserhaushaltmodel LARSIM 3.1. Anwendungsbereiche In der Praxis werden heutzutage Wasserhaushaltsmodelle (WHM) gegenüber Niederschlags- Abfluss-Modellen bevorzugt, da diese eine prozessorientierte Simulation des gesamten Abflussgeschehens über längere Zeiträume hin erlauben. Sie sind dadurch nicht ereignisabhängig. Außerdem werden bei Wasserhaushaltsmodellen Teilkomponenten des Wasserhaushalts besser nachgebildet, wie zum Beispiel der Bodenwasserhaushalt. Wasserhaushaltsmodelle werden für verschiedene hydrologische Aufgaben verwendet. Modelle dieser Art können den aktuellen Zustand eines Systems darstellen oder geänderte Systemzustände simulieren. Sie können unter anderem für die Vorhersage von Niedrig- oder Hochwasser benutzt werden (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b). LARSIM ist ein Wasserhaushaltsmodell, welches im Rahmen von Auftragsarbeiten und Forschungsvorhaben entwickelt wurde. Aktuell wird es in verschiedenen Bundesländern in Deutschland, wie zum Beispiel in Bayern, Baden-Württemberg und Hessen, sowie in Dienststellen in Frankreich, Luxemburg, Österreich und der Schweiz angewendet (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017a). Hydrologische Modelle können nach dem Klassifizierungsschema von Singh (2012) unterteilt werden. Diese Klassifizierung wird in der folgenden Abbildung dargestellt: Abbildung 6: Einordnung von LARSIM in das Klassifizierungsschema für hydrologische Modelle nach Singh (1995) (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 14) Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 12

22 Nach diesem Schema ist LARSIM als ein deterministisches, konzeptionelles Modell zu betrachten. Es ist konzipiert, um eine flächendetaillierte Anwendung zu ermöglichen, es handelt sich also um ein räumlich verteiltes Modell (Singh 2012). Obwohl LARSIM in dieser Arbeit als Wasserhaushaltsmodell betrachtet und angewendet wird, kann es auch als Niederschlag-Abfluss-Modell (N-A-Modell) verwendet werden. In diesem Modus können ereignisbezogene Abflussprozesse simuliert werden Struktur von LARSIM LARSIM wurde entwickelt, um die Modellierung größerer Einzugsgebiete mit unterschiedlichen Landnutzungen, Hangneigungen, Bodentypen und Flächenexpositionen zu ermöglichen. Es verfügt über folgende hydrologische Prozesse (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b): Interzeption und Interzeptionsverdustung Akkumulation, Metamorphose und Ablation von Schnee Infiltration, Bodenwasserhaushalt, Abflussbildung und Tiefenversickerung Evapotranspiration nach Penman-Monteith oder anderen einfacheren Ansätzen Abflusskonzentration (Speicherung und lateraler Transport in der Fläche) Translation und Retention in den Gerinnen Wirkung von Seen, Talsperren und Rückhaltebecken Ein-, Aus-, und Überleitungen Wärmehaushalt der Fließgewässer mit natürlichen und anthropogenen Einflüssen Ein Schema der Struktur in LARSIM und der Interaktionen zwischen den hydrologischen Prozessen befindet sich in Abbildung 7. LARSIM bietet zwei Möglichkeiten die Flächenauflösung vorzunehmen. Zum einen kann eine Rasterung durchgeführt werden mit einer Auflösung von bis zu 1 km 2. Zum anderen kann LARSIM mit reellen Einzugsgebieten arbeiten. Die vorliegenden hydrologischen Prozesse werden dabei in Landnutzungs-Boden-Kompartimenten für jede Zelle berechnet. Alle Abflussströme, die in der Ebene der Landnutzungs-Boden-Kompartimente berechnet werden, fließen zusammen und bilden den Direktabfluss, den Interflow und den Grundwasserabfluss eines Teilgebiets (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b; Mitterer 2015). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 13

23 Abbildung 7: Struktur des Wasserhaushaltsmodells LARSIM (mit drei Abflusskomponenten, ohne Wassertemperaturen) (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 16) Die Standardeinstellungen von LARSIM berücksichtigen nur drei Abflusskomponenten (vgl. Abbildung 7 Gebietsspeicher). Bei Bedarf, kann der Direktabfluss in zwei Komponenten, schneller und langsamer Direktabfluss, unterteilt werden. Auf diese Möglichkeit wird im folgenden Kapitel und auch in Kapitel 4.2 weiter eingegangen. Es wurden zahlreiche Erweiterungen für LARSIM entwickelt. Diese werden als Optionen bezeichnet. Die LARSIM Simulation wird dadurch optimiert. Erweiterungen, welche für den Fall einer Sturzflutsimulierung hilfreich sein können, werden im Kapitel 4 näher besprochen. Wie jedes andere Modell versucht LARSIM die Realität mit Prozessen nachzubilden, muss dabei jedoch auf Vereinfachungen zurückgreifen. Trotz zahlreicher vereinfachter Prozesse, ist LARSIM ein komplexes Modell (Mitterer 2015). Die für diese Arbeit relevanten Prozesse werden in den folgenden Seiten erklärt und beschrieben. Alle anderen Prozesse können in der Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 14

24 Dokumentation der LARSIM Entwicklungsgemeinschaft: Das Wasserhaushaltsmodell LAR- SIM Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele nachgeschlagen werden. Für das bessere Verständniss der Funktionalität von LARSIM wird nun kurz auf die unterschiedlichen Eingabe- und Ausgabedateien des Modells eingegangen. Für diesen Zweck wird folgende Tabelle benutzt (LARSIM Online Hilfe 2018; Mitterer 2017): Tabelle 2: Name und Funktion der Eingabe- und Ausgabedateien in LARSIM Dateiname Dateityp Funktion tape10 Eingabedatei Steuerung der Berechnung tape12 Eingabedatei Gebietsdatei tape35 Eingabedatei Gebietsabhängige Parameter (Eichgrößen) lanu.par Parametrisierungsdatei Systemdaten zur Parametrisierung der Landnutzung (nur WHM) pegel.stm Parametrisierungsdatei Stammdaten für die Pegel pfade.dat Steuerungsdatei Pfade für Ein- und Ausgabedateien station-xxx.lila Eingabedatei Eingabe der meteorologischen und hydrologischen Zeitreihen in lila Format punktausgaben.str Parametrisierungsdatei Ausgabeanforderungen von punktuellen Berechnungsergebnissen flaechenausgaben.strungsdatei Parametrisie- Ausgabeanforderungen der Ergebnisse für die Fläche tape11 Ausgabedatei Protokolldatei (Standard Ausgabedatei) tape18 Ausgabedatei Ausgabe Zeitreihen ###.whm Ausgabedatei Zustandsdatei am Ende der Simulierung ergebnis.lila Ausgabedatei Ergebnisse der Wasserhaushaltsmodellierung flaeche-xxx.kala Ausgabedatei Beinhaltet die räumlichen Daten, definiert durch flaechenausgaben.str 3.3. Das Bodenmodul im Detail Der Boden spielt dank seiner Regel- und Verteilungsfunktion im Wasserhaushalt eine wichtige Rolle. In LARSIM basiert das Bodenmodul auf dem Xinanjiang-Modell, entwickelt von Zhao im Jahr 1977 für große Einzugsgebiete in den feuchten Regionen Chinas. Dieser Ansatz ist auch unter dem Namen Variable Infiltration Capacity Model oder ARNO-Modell bekannt. Damit wird der Bodenwasserhaushalt mit einem einzelnen Speicher modelliert. Dieser agiert als das Retentionsvolumen des Bodens und besitzt verschiedene Pfade um entleert bzw. gefüllt zu werden (Mitterer 2015; LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b; Zhao 1980). Nachfolgend wird das Grundprinzip des Bodenmoduls erklärt. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 15

25 Grundlegender Aufbau Der Bodenspeicher wird in drei Bereiche unterteilt. Diese sind: oberer Bodenspeicher (Grobporen), mittlerer Bodenspeicher (Mittelporen) und unterer Bodenspeicher (Feinporen, nicht pflanzenverfügbar). LARSIM verfügt über zwei Ansätze, um die Unterteilung durchzuführen. Die erste Möglichkeit entsteht, wenn das gesamte Bodenspeichervolumen W M vorgegeben wird. Mit den Formeln: W Z = 0,7 W M (1) W B = 0,05 W M (2) mit: W Z = obere Begrenzung des mittleren Bodenspeichers [mm] W B = obere Begrenzung des unteren Bodenspeichers [mm] W M = gesamtes Bodenspeichervolumen [mm] werden die Begrenzungen der Bodenspeicherunterteilung festgelegt. Alternativ können die Begrenzungen durch die Angabe der nutzbaren Feldkapazität (nfk) und der Luftkapazität (LK) des Bodens festgelegt werden. In diesem Fall repräsentiert das Volumen der LK das Volumen des oberen Bodenspeichers und das Volumen der nfk, das des mittleren Bodenspeichers. Der untere Bodenspeicher entfällt bei diesem Ansatz, da das Totwasser nicht in der nutzbaren Feldkapazität enthalten ist (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b; Mitterer 2015). Beide Ansätze lassen sich durch unterschiedliche Optionen aktivieren. Diese werden im Kapitel 4 vorgestellt Abflusskomponenten des Bodenspeichers Der Wassergehalt im Boden wird, wie bereits erwähnt, standardgemäß in LARSIM mit drei Abflusskomponenten abgebildet. Jedoch ist in diesem Fall die Betrachtung einer vierte Komponente sinnvoll, da sie explizit für die Hochwassermodellierung entwickelt worden ist (LAR- SIM Entwicklergemeinschaft 2017b). Deswegen wird nun der Bodenspeicher mit vier Abflusskomponenten beschrieben. Die vierte Komponente des Abflusses kommt aus der Trennung des Direktabflusses in den schnellen (Oberflächenabfluss) und den langsamen (schneller unterirdischer Abfluss) Direktabfluss. Die Füllung des Bodenspeichers zum Zeitpunkt t wird mit der folgenden Formel berechnet: W 0 (t + 1) = W 0 (t) + P(t) E ai (t) QS D2 (t) QS D (t) QS I (t) QS G (t) (3) mit: W o(t) = Füllung des Bodenspeichers zum Zeitpunkt t [mm] Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 16

26 P(t) = Wasser aus Niederschlag oder Schneeschmelze [mm] E ai(t) = Aktuelle Evapotranspiration [mm] QS D2(t) = Schneller Direktabfluss [mm] QS D(t) = Langsamer Direktabfluss [mm] QS I(t) = Laterale Drainage aus dem Bodenspeicher (Interflow) [mm] QS G(t) = Vertikale Perkolation aus dem Bodenspeicher (Basisabfluss) [mm] Für die Aufteilung des Direktabflusses verfügt LARSIM über zwei Möglichkeiten. Die erste ist der robuste Schwellenwertansatz. Die zweite ist ein stärker prozessbasierter Ansatz, mit Infiltrationsmodul. Beide Ansätze werden gegenübergestellt, um die Unterschiede besser zu verstehen, außerdem wird im Kapitel 4.2 über die Option 4 Q-KOMP MIT A2 ausführlicher berichtet. Tabelle 3: Gegenüberstellung der verschiedenen Ansätze für die Berücksichtigung der vierten Abflusskomponente Schwellenwertansatz Benötigte Option für Anwendung: 4 Q- KOMP MIT A2 einfach, daher auch robust Aufteilung der gesamten Direktabfluss anhand der Bodenfeuchte Sättigung Funktion (BSF) Gebietsabhängiger Schwellenwert A2[mm/h] Infiltrationsmodul Benötigte Option für Anwendung: 4 Q-KOMP INFILTRATION Berücksichtigung des Hortonschen Landoberflächenabflusses 1.Schritt: Wasserdargebot durch Infiltrationsmodul in Infiltrationswasser und Infiltrationsüberschuss getrennt 2.Schritt: Das infiltrierende Wasser wird mithilfe der Preferential Flow Function (PFF) und des Sättigungsfaktors (SL) in schnelles und langsames Direktabfluss getrennt Abbildung 8: Aufteilung des Direktabflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit dem Schwellenwertansatz (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 81) Abbildung 9: Aufteilung des Direktabflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit Infiltrationsmodul (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b, 84) Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 17

27 In beiden Fällen werden Interflow und Basisabfluss gleich berechnet. Diese Vorgänge entsprechen auch denen einer Modellierung mit nur drei Abflusskomponenten. Der Interflow, oder auch laterale Drainage genannt, wird nach DKRZ (1994) berechnet: für W B<W 0<W Z QS I = D min W 0 W m t (4) für W 0 W Z QS I = (D min W 0 W m + (D max D min )( W 0 W Z W m W Z ) c ) t (5) für W 0 W B QS I = 0 (6) mit: W B = Schwellenwert für den Wasserinhalt im tiefen Bodenspeicher (nicht pflanzenverfügbares Wasser) [mm] W 0 = Füllung des Bodenspeichers zu Beginn des Berechnungszeitschrittes [mm] W Z = Schwellenwert für den Wassergehalt im mittleren Bodenspeicher [mm] QS I = Laterale Drainage aus dem Bodenspeicher [mm] D min = Drainage des Bodenspeichers bei Füllung W Z [mm/h] D max = Drainage des Bodenspeichers bei Füllung W m [mm/h] t = Berechnungszeitschritt [d] c = Formparameter. In LARSIM ist c = 1,5 [-] Die Werte W Z und W B werden nach einem der Ansätze im Kapitel ermittelt (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b). Der Basisabfluss, auch als vertikale Perkolation bezeichnet, berechnet sich ebenfalls nach DKRZ (1994) wie folgt: für W 0 W B QS G = 0 (7) für W 0 > W B QS G = β(w 0 W B ) t (8) mit: QS G = Wasserabgabe aus dem Bodenspeicher durch vertikale Perkolation im Berechnungszeitschritt in den Gebietsspeicher für Basisabfluss (Grundwasser) [mm] β = Vertikaler Drainageindex für den Bodenspeicher, Kalibrierungsparameter. Im ursprünglichen Modell ist β zwischen den Werten 0,0005 und 0,02 definiert (Mitterer 2015) [1/d] Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 18

28 W 0 = Füllung des Bodenspeichers zu Beginn des Berechnungszeitschrittes [mm] W B = Schwellenwert für den Wasserinhalt im unterem Bodenspeicher [mm] t = Berechnungszeitschritt [d] Unterschiedliche Optionen können die Vorgehensweise von LARSIM modifizieren und/oder. erweitern. Diese Veränderungen werden im Kapitel 4 weiter erläutert Warum ist die Simulierung von Sturzfluten in LARSIM nicht optimal? Der Fokus der LARSIM Vorhersagen lag noch nicht auf kleinräumigen, sehr intensiven Starkregenereignisse (Bremicker et al. 2017). Deswegen ist es nachvollziehbar, dass die Simulierung von Sturzfluten in LARSIM nicht optimal funktioniert. Vor allem nach den Ereignissen in Mai/Juni 2016, rutschte diese Problematik in die Aufmerksamkeit der LARSIM Anwender. Es gibt verschiedene Verbesserungsvorschläge, wovon sich manche bereits in der Bearbeitung durch die LARSIM Entwicklergemeinschaft befinden. Zunächst werden diese in Kurzfassung präsentiert. Bei der Simulation von Starkregen in LARSIM, tendiert die Abflussreaktion zu gering zu sein. Dies ist durch eine unrealistische Infiltration verursacht (Bremicker et al. 2017; Haag 2017). Um das Problem zu beheben, wird eine Begrenzung der Infiltration auch bei trockenem Boden vorgeschlagen. Dieser Ansatz wurde in Obermoschel in der Rheinlandpfalz getestet. Die Ergebnisse sind vielversprechend, da der Abflussbeiwert von 0,23 auf 0,67 gestiegen ist. Somit ist die Simulierung der Abflusskurve realistischer geworden. Die folgenden Graphen zeigen diese Verbesserung. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 19

29 Abbildung 10: Simulation des Abflusses in Obermoschel ( ) mit LARSIMs Standardeinstellungen. 77% des Gebietsniederschlags wurde vom Boden aufgenommen (Bremicker et al. 2017, 6) Abbildung 11: Simulation des Abflusses in Obermoschel ( ) mit Begrenzung der Infiltrationskapazität auch bei trockenen Boden. 34% des Gebietsniederschlags werden im Boden aufgenommen (Bremicker et al. 2017, 7) Haag 2017 schlägt einen Schwellenwert für die Infiltration als Lösung vor. Dies wird in LARSIM mit der Option INFILTRATION GRENZWERT berücksichtigt. Das Kapitel 4.6 beschäftigt sich mit dieser Option. Weiterhin ist die Rolle der Rauheit des Bodens nicht zu vernachlässigen. Nguyen et al untersuchten den Einfluss der Rauheit auf die Abflusskurve im hydrologisch-hydraulischen Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 20

30 Modell für Sturzflutmodellierung HiResFlood-UCI. Sie stellten fest, dass zumindest dieses Modell sensitiv auf die Veränderung der Rauheit reagierte (Nguyen et al. 2016). Es wäre interessant diesen Parameter auch in LARSIM auf Relevanz zu untersuchen, da es auch in diesem Modell einen Einfluss haben könnte. Die Bodenfeuchte ist wegen ihres Einflusses auf die Abflussgenerierung (Winter 2013) wichtig bei der Entstehung von Sturzfluten. LARSIM berücksichtig diese jedoch in seinen Standardeinstellungen nicht. Durch die Option FAKTOR BODENFEUCHTE (Kapitel 4.8) wird eine Einbeziehung dieses Parameters in der LARSIM Berechnung durchgeführt. Ein weiteres Problem ist, dass die Niederschlagsstationen beim Starkregen häufig die Ereignisse nicht erfassen können. Dadurch hat LARSIM auch keine Eingabedaten für die Simulierung. Im schlimmsten Fall kann es passieren, dass Pegel durch ein Sturzflutereignis zerstört werden. Außerdem ist es möglich, dass bei hochwassergefährdeten kleineren Gewässern manchmal keine Pegel (oder keine online abrufbare Pegel) vorhanden sind (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b). Um dem entgegenzuwirken könnten Radardaten verwendet werden. Dadurch wird eine realistische Abbildung des Niederschlagsereignisses geschaffen. Außerdem könnte die Zeitschrittweite somit verkürzt werden. Wie Bremicker et al erklärten, ist die Anwendung von Zeitschritten kleiner als eine Stunde (zum Beispiel 10 min) bei der Simulierung von Stutzfluten extrem vorteilhaft, da diese in der Minuten- und Stundenskala auftreten. Seit 2016 kann LARSIM mit Zeitintervallen kleiner als eine Stunde rechnen (Bremicker et al. 2017). Aktuell wird aber noch nicht geschafft, mittels Radardaten eine ausreichend aufgelöste und qualitative Niederschlagsaufzeichnung zu bekommen. Bei der Hochwasservorhersage erschwert sich die Situation für kleine Einzugsgebiete (<200 km 2 ) weiter. Die räumliche Auflösung und Genauigkeit der meteorologischen Vorhersagen (Niederschlagshöhe, Zeitpunkt und Lage) sind unzureichend (Meyer 2017). Die numerischen Niederschlagsvorhersagen können die lokalen Variabilitäten der Niederschlagshöhen nicht akkurat abbilden. Aus diesem Grund können keine verlässlichen pegelbezogenen Vorhersagen gemacht werden. Durch die fehlenden online verfügbaren Pegel ist eine pegelspezifische Vorhersage unmöglich. Deswegen werden regionsbezogene Hochwasserfrühwarnkarten erstellt (LARSIM Entwicklergemeinschaft 2017b). Derzeit wird, zum Beispiel, eine Sturzflutgefahrenzonenkarte von Bayern entwickelt. Unter dem Projektnamen HiOS (Hinweiskarte Oberflächenabfluss & Sturzflut) arbeiten die Technische Universität München (TUM), die Ludwig Maximilians Universität (LMU) und das Leibniz-Rechenchezentrum unter dem Auftrag des Bayerischen Landesamt für Umwelt an der Erstellung dieser Warnkarte (Stahl 2017; HiOS 2017). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 21

31 4. Wichtige Optionen für die hydrologische Modellierung 4.1. Vorgehensweise bei der Auswahl Wie schon in den vorherigen Kapiteln erwähnt, ist das Ziel dieser Arbeit eine Ausgabe aus LARSIM zu erhalten, die möglichst viele Informationen über die verschiedenen Abflusskomponenten geben kann. Idealerweise werden die Abflusskomponenten für die Landnutzung und Teilgebiete getrennt voneinander ausgegeben. Dafür wurden mehrere Optionen in LARSIM betrachtet und auf ihre Nützlichkeit hin bewertet. Der beste Überblick über alle Optionen, welche LARSIM zur Verfügung stellt, ist in der Online Hilfe von LARSIM zu finden. Unter steht dieser Einleitung frei zur Verfügung. Die verschiedenen Optionen sind in die folgenden Kategorien aufgeteilt. (LARSIM Online Hilfe 2018): Optionen zur Berücksichtigung der Meteorologie Optionen zur Berücksichtigung meteorologischer Vorhersagen Optionen zur Schneemodellierung Optionen zur hydrologischen Modellierung Optionen zur Berechnung des Flood-Routing Optionen zur Modellierung der Wassertemperatur Optionen zur Berechnung von Speichern, Einleitern und Verzweigungen Optionen zur Modellsteuerung Optionen zur Steuerung der Optimierung Optionen zur Steuerung der Eingabe Optionen zur Steuerung der Ausgabe Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei der Kategorien näher betrachtet. Zum einen wurden die Optionen zur hydrologischen Modellierung untersucht. Diese sind wichtig, da sie auf das Bodenmodul zugreifen und seine Standardeinstellungen verändern können. Logischerweise ist das Bodenmodul verantwortlich für die Abflusskomponenten, weswegen es sinnvoll ist, sich auf die Optionen zu konzentrieren, welche dieses Modul beeinflussen. Zum anderen wurden Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 22

32 die Optionen zur Steuerung der Ausgabe untersucht. Diese Optionen beeinflussen die Ausgabe von LARSIM, indem sie neue Ausgaben fordern oder die vorhandenen in anderer Weise ausgeben. Nach einer Analyse dieser beiden Kategorien wurde eine Auswahl getroffen. Die selektierten Optionen können entweder die Simulierung des Abflusses bei Starkregenereignissen optimieren, die Zu- bzw. Abflüsse des Bodenmoduls beeinflussen. Oder sie können die Ausgabe LAR- SIMs erweitern. Mehrere dieser Optionen sind von anderen abhängig bzw. sind nur dann sinnvoll, wenn andere spezifische Optionen auch aktiviert werden. Zunächst werden die ausgewählten Optionen der Kategorie für die hydrologische Modellierung vorgestellt. Im Anhang (Kapitel 8.1) befindet sich eine Tabelle, in der alle evaluierten Optionen aufgelistet sind. Zusätzlich befinden sich in der Tabelle eine kurze Beschreibung zu jeder Option und eine Begründung, weshalb sie relevant bzw. irrelevant für diese Arbeit sind Option 4 Q-Komp mit A2 Bei der Standardberechnung in LARSIM werden nur drei Abflusskomponenten berücksichtigt (vgl. Kapitel 3.3), doch durch die Aktivierung der Option 4 Q-KOMP MIT A2 (oder auch als Schwellenansatz bekannt), wird die Simulierung des Abflusses in LARSIM nicht mehr nur mit drei Abflusskomponenten betrachtet, sondern mit vier. Diese Abflüsse sind folgend aufgelistet: Schneller Direktabfluss (Oberflächenabfluss) Langsamer Direktabfluss (Makroporenfluss) Interflow Basisabfluss Jeder dieser Abflüsse besitzt eine unterschiedliche Konzentrationszeit. Die vierte Abflusskomponente kommt durch eine Aufteilung des Direktabflusses zustande. Diese Aufteilung erfolgt in zwei Schritten. Als erstes wird der Direktabfluss über die Bodenfeuchte-Sättigungsflächen- Funktion (BSF) ermittelt. Danach wird der Schwellenwert A2 [mm/h] verwendet, um den Direktabfluss in schnellen und langsamen Direktabfluss zu teilen. Ist der Direktabfluss kleiner als den Schwellenwerts A2, gelangt er vollständig in den langsamen Direktabflussspeicher. Der Direktabflussanteil, der ggf. oberhalb von A2 liegt, wird als schneller Direktabfluss abgegeben (LARSIM Online Hilfe 2018). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 23

33 Die folgende Abbildung veranschaulicht die Aufteilung des Abflusses bei der Verwendung der Option 4 Q-KOMP MIT A2: Abbildung 12: Aufteilung des Abflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit dem Schwellenansatz (bei Aktivierung der Option 4 Q-Komp mit A2) Eine Aufteilung des Abflusses in vier Komponenten ist bei Sturzflutereignissen wichtig, da der Oberflächenabfluss eine besondere Rolle spielt. Bei der Aktivierung von 4 Q-KOMP MIT A2 nimmt der Anteil an schnellem Direktabfluss während dem Anstieg einer Hochwasserwelle zu. Für die Berechnung des Abflusses mit vier Komponenten bietet LARSIM eine weitere Option: 4 Q-KOMP INFILTRATION. Diese bildet den schnellen Direktabfluss anhand des Prinzips des Hortonschen Infiltrationsmodels. In diesem Fall wird die aktuelle Infiltrationskapazität des Bodens in Abhängigkeit von der Füllung des Bodenspeichers bestimmt. Überschreitet das Wasserdargebot die aktuelle Infiltrationskapazität, wird der Differenzbetrag als Infiltrationsüberschuss direkt in den Gebietsspeicher für Oberflächenabfluss abgeführt (LARSIM Online Hilfe 2018). Obwohl der Hortonsche Landoberflächenabfluss bei Sturzfluten eine wichtige Rolle spielt, wird die Option 4 Q-KOMP MIT A2 bevorzugt. Grund dafür ist, dass der Schwellenansatz bei der Hochwasservorhersage mit LARSIM schon benutzt wurde (van der Heilden 2017) und daher für die Hochwassermodellierung empfohlen wird (LARSIM Online Hilfe 2018). Außerdem ist der Einsatz von 4 Q-KOMP MIT A2 einfacher, da für diese Option weniger Zusatzangaben in den Steuerungsdateien benötigt werden. Eine genauere Gegenüberstellung von 4 Q-KOMP MIT A2 und 4 Q-KOMP INFILTRATION erfolgt in Kapitel 7. Weitere Optionen, welche in Kapitel 4 behandelt werden, können unterschiedliche Auswirkungen auf die Modellierung haben, je nachdem ob den Schwellenwertansatz oder das Infiltrationsmodel benutzt wurde. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 24

34 4.3. Option A2 Boden-Lanu-spezifisch Diese Option wird nur in Verbindung mit 4 Q-KOMP MIT A2 eingesetzt. Normalerweise wird der Direktabfluss als schneller und langsamer Direktabfluss mithilfe eines A2 Parameterwertes für das gesamte Teilgebiet berechnet. Wird A2 BODEN-LANU-SPEZIFISCH eingesetzt, erfolgt die Teilung des Direktabflusses für jede Landnutzung getrennt. Für die in der Arbeit erzielten Ausgabe, ist es wichtig die Teilgebiete und somit auch die unterschiedlichen Landnutzungen so genau wie möglich zu untersuchen. Beim Einsetzen dieser Option werden die unterschiedlichen Auswirkungen der Landnutzungen auf das Infiltrationsverhalten des Bodens innerhalb eines Teileinzugsgebiets zur Kenntnis genommen (LARSIM Online Hilfe 2018) Option Erw. Bodenparameter Mit der Option Erweiterte Bodenparameter wird jedes Teilgebiet in eine beliebige Anzahl an Unterteilgebieten geteilt. Dadurch werden Landnutzungsangaben und Bodenparameter entkoppelt. Das bedeutet, dass Unterteilgebiete mit gleicher Landnutzung unterschiedliche Bodenparameter (nutzbarer Feldkapazität (nfk), Luftkapazität, kapillarer Aufstiegsrate und VDB- Werte) haben können. (LARSIM Online Hilfe 2018) Die Angaben der Bodenparameter zu den Unterteilgebieten erfolgen über die Eingabedatei <tape12>. Manche Parameter werden nur in Kombination mit anderen Optionen angegeben, wie zum Beispiel die kapillare Aufstiegsrate (KapA) oder die VDB-Werte (Vertikaler Durchlässigkeitsbeiwerten). Sie werden nur dann benötigt, wenn die Option KAPILLARER AUFSTIEG bzw. PERKOLATION MIT VDB-WERTEN aktiviert ist. Beide Optionen sind im Fall von Starkregen, vor allem beim Auftreten einer Sturzflut, nicht zu berücksichtigen, da der Boden gesättigt ist. In einem gesättigten Boden ist sowohl ein kapillarer Aufstieg als auch eine Perkolation zu vernachlässigen, da sie in sehr geringen Maßen existieren. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 25

35 Die folgende Abbildung dient einer besseren Veranschaulichung der Unterteilung und ihrer Eigenschaften: Abbildung 13: Vergleich der LANU-Boden-Kompartimente mit und ohne ERW. BODENPARA- METER (Haag und Krumm 2017) Durch Aktivierung von ERW. BODENPARAMETER erfolgt auch eine Berechnung des Schwellenwerts W z für jedes Unterteilgebiet. W z ist der Schwellenwert für den mittleren Bodenspeicher und wird mit Hilfe der nfk und der Luftkapazität berechnet: W z = nfk nfk+lk (9) mit W z = Schwellenwert für mittleren Bodenspeicher [mm] nfk = nutzbare Feldkapazität [-] LK = Luftkapazität [-] Der Schwellenwert für den tiefen Bodenspeicher W B wird bei Anwendung von Erw. Bodenparameter gleich null gesetzt (LARSIM Online Hilfe 2018). Durch das Einbeziehen der Luftkapazität bei der Berechnung von W z wird ein realistischeres Bodenspeichervolumen geschaffen. Die Luftkapazität hat außerdem eine indirekte Wirkung auf den Direktabfluss. Durch die Betrachtung der Luftkapazität können sowohl die Vorfeuchte im Boden als auch die Versickerung während eines Ereignisses besser nachgebildet werden (Haag und Krumm 2017). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 26

36 Für die Analyse von Sturzfluten und deren Infiltrationsprozesse ist die Unterteilung von Teilgebieten besonders wichtig. Die Landnutzung hat einen großen Einfluss auf das Infiltrationsverhalten des Bodens. Eine spezifischere Berechnung der Unterteilgebiete könnte Informationen enthalten, welche beim Fall von Sturzfluten oder generell Starkregenereignissen relevant sein können. Mit Werten für die verschiedenen Landnutzungen für jedes Teilgebiet, kann man eine genauere hydrologische Analyse des Einzugsgebiets durchführen Option Korrekturfaktor Wasserdargebot Bevor das Wasser in das Bodenmodul eindringen kann, muss es zuerst das Interzeptionmodul und ggf. das Schneemodul durchlaufen. In der Standardeinstellung von LARSIM wird das Wasser nach diesen beiden Modulen direkt ins Bodenmodul vollständig weitergeleitet. Durch Aktivierung der Option KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT wird ein Parameter eingeführt, welcher die Wassermenge verändert, bevor sie in dem Boden gelangt. Dieser Parameter ist gebietsabhängig und wird in der Steuerungsdatei <tape35> unter einer neuen Spalte KWD angegeben (LARSIM Online Hilfe 2018). KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT ist wichtig für die erwünschte Analyse, da es die Wassermenge bestimmt, welche in den Boden eindringt. Dadurch können Anpassungen vorgenommen werden, welche für eine bessere Modellierung der einzelnen Gebiete sorgen. Beim Einsatz der Option 4 Q-KOMP MIT A2 bedeutet dies, dass die Wassermenge vor der Aufteilung mit Hilfe der BSF durch KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT angepasst wird Option Infiltration Grenzwert INFILTRATION GRENZWERT ist eine neu entwickelte Option in LARSIM. Sie dient dazu, die maximale Menge des Infiltrationswassers abzugrenzen. Mit Einführung dieser Option wurde die Modellierung von Starkregenereignisse optimiert. Der Hauptunterschied zu anderen Optionen, welche ebenfalls die Infiltration von Wasser in den Boden regulieren, besteht darin, dass die maximale Infiltrationsrate in diesem Fall unabhängig von der Bodenspeicherfüllung ist (LARSIM Online Hilfe 2018). Das bedeutet, ein schneller Direktabfluss kann auch bei einem leeren Speicher entstehen (Haag 2017). Diese Eigenschaft ist bei der Modellierung großer Niederschlagsintensitäten wichtig, da sie eine überdimensionierte Infiltration verhindert. Bei einem Starkregen ist zu vermuten, dass die maximale Menge an Infiltration stets vertreten sein wird. Zusätzlich zur bodenspezifischen maximalen Infiltrationskapazität (InfM in mm/h) kann ein nach Jahreszeiten differenzierter Verschlämmungsgrad vorgegeben werden (LARSIM Online Hilfe 2018). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 27

37 Sowohl die maximale Infiltrationskapazität als auch ein Reduktionsfaktor für InfM bei maximaler Verschlämmung (VF) sind in der Eingabedatei <tape12>, mit Werten größer null, anzugeben. Zusätzlich dazu wird ein landnutzungsspezifischer Verschlämmungsgrad (VG) gebraucht. Der Verschlämmungsgrad wird in der Eingabedatei <lanu.par> als ein Block angegeben, welcher einen spezifischen Wert für jede Landnutzung pro Monat besitzt. Normalerweise sind nur Ackerflächen für Verschlämmung anfällig. Nachdem alle benötigten Angaben gegeben sind, erfolgt die Berechnung der maximalen Infiltrationsrate unter Berücksichtigung der Verschlämmung. Nun kann die Berechnung der maximalen Infiltrationsrate erfolgen. LARSIM bedient sich dabei der folgenden zwei Formeln: RedFak = VF + (1 VF) (1 VG) (10) InfMax = InfM RedFak (11) mit RedFak = Reduktionsfaktor bei aktueller Verschlämmung [-] VF = landnutzungs- und bodenspezifischer Reduktionsfaktor bei maximaler Verschlämmung [-] VG = landnutzungs- und bodenspezifischer Verschlämmungsgrad [-] InfM = maximale Infiltrationsrate ohne Verschlämmung [mm/h] InfMax = maximale Infiltrationsrate unter Berücksichtigung der Verschlämmung [mm/h] (LARSIM Online Hilfe 2018) Der nachstehende Graph zeigt den Reduktionsfaktor in Abhängigkeit des Verschlämmungsgrads (Ackerfläche). Wie zu sehen ist, kann die Infiltration einer Ackerfläche durch Verschlämmung eine Reduktion von bis zu 80% ihres Ausgangswerts erfahren. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 28

38 Abbildung 14: Jahreszeitlich differenzierte Reduktion von Inf max durch Kombination aus Verschlämmungsfaktor und jahreszeitlichen Verschlämmungsgrad (Haag 2017, 13) Um die Option INFILTRATION GRENZWERT in der Simulation einsetzen zu können, müssen die bereits erwähnten Optionen 4 Q-KOMP MIT A2 und ERW. BODENPARAMETER ebenfalls aktiviert werden. Ohne 4 Q-KOMP MIT A2 ist eine Berücksichtigung der vierten Abflusskomponente (Oberflächenabfluss) nicht gewährleistet. Dadurch ist eine Infiltrationsgrenze nicht einsetzbar, denn diese zur einer Generierung des Oberflächenabflusses führt. Durch ERW. BODENPARAMETER wird die erforderliche, spezifische Vorgabe der Landnutzung ermöglicht (LARSIM Online Hilfe 2018). Die Abgrenzung der Infiltration macht mehr Sinn, wenn diese für die jeweilige Landnutzung erfolgt, als wenn sie für das gesamte Gebiet gleichgesetzt wurde. Der Infiltrationsschwellenwert, welches durch INFILTRATION GRENZWERT erzeugt wird, ist der BSF vorgeschaltet (vgl. Abbildung 12) (Haag 2017). Im Programm LARSIM befindet sich an derselben Stelle wie die Option INFILTRATION GRENZWERT die Option KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT. Trotz dessen heben sie sich gegenseitig nicht auf. Denn während INFILTRATION GRENZWERT einen Grenzwert für die infiltrierende Wassermenge bildet, verändert KORREKTURFAKTOR WASSERDAR- GEBOT lediglich die Menge an Wasser, welche am Bodenmodul ankommen wird. Sie ist dem Schwellenwert zur Infiltration vorgeschaltet. Beide Optionen zusammen sollten die beste Annährung zu der real im Boden infiltrierten Wassermenge bilden. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 29

39 4.7. Option Bodenmodul Q-Typen BODENMODUL Q-TYPEN erzeugt die Berechnung des Bodenspeichers unter Berücksichtigung der dominanten bodenhydrologischen Abflusstypen nach Scherrer 3. Dafür wird der Abfluss über das Infiltrationsmodell (aktiviert durch 4 Q-KOMP INFILTRATION) nach Horton berechnet. Dieses Modell erzeugt einen Oberflächenabfluss infolge von Infiltrationsüberschuss und Sättigung. Da der Sättigungsabfluss bereits über dem Infiltrationsmodell abgebildet wird, steht die BSF ausschließlich zur Bestimmung der Wasserabgabe zum Gebietsspeicher für den (langsamen) Direktabfluss zur Verfügung. Deswegen wird der Name dieser Funktion zu Preferential-Flow-Function (PFF) verändert (LARSIM Online Hilfe 2018). Die in LARSIM integrierten Abflussprozesse nach Scherrer können zu einer besseren Hochwassermodellierung führen, da sie die Verzögerung und Abschwächung der Abflussentstehung abbilden kann. Das dadurch neu entstehende Infiltrationsmodul hat eine größere Flexibilität bei der Simulierung, und führt zu einer Steigerung des Infiltrationsüberschusses, welches bei der Hochwassermodellierung problematisch ist (vgl. Kap 3.4 ) (Haag 2010). Durch den Einsatz dieser Option wird außerdem ein modifizierter Ansatz verwendet, um die laterale Drainage zum Gebietsspeicher für den Interflow zu ermitteln. Die Modifizierung lässt die laterale Drainage mit zunehmender absoluter Bodenspeicherfüllung überproportional ansteigen. Im nicht modifizierten Ansatz wird ein linearer Anstieg angenommen. Somit wird der exponentielle Anstieg der hydraulischen Leitfähigkeit im Bereich der Grobporen wiedergegeben. Analog dazu wird ebenfalls ein modifizierter Ansatz verwendet, um die vertikale Versickerung zum Gebietsspeicher für den Basisabfluss zu berechnen. Auch in diesem Fall wird eine überproportionale Zunahme der Leitfähigkeit der Grobporen angenommen. Durch die modifizierten Ansätze wird ein schnelleres Leerlaufen des Bodenspeichers im Mittel- und Feinporenbereich verhindert und eine stärkere Drainage ausschließlich im Grobporenbereich erzielt (Haag 2010). Die exponentielle Zunahme der Versickerung im Grobporenbereich ist realistischer als andere Ansätze (Henn, Haag und Demuth 2014). Hierbei ist zu beachten, dass die beiden modifizierten Ansätze nur für die Bodenspeicherfüllungen angewendet werden welche den Schwellenwert für den mittleren Bodenspeicher W z überschreiten (LARSIM Online Hilfe 2018). Wird BODENMODUL Q-TYPEN in Kombination mit 4 Q-KOMP MIT A2 gesetzt, werden die einzelnen Teilgebiete bzw. Unterteilgebiete mit erweiterten Bodenparametern und der vierten Abflusskomponente berechnet. Der dominante bodenhydrologische Abflusstyp bleibt dabei jedoch unberücksichtigt. Es wird also in dieser Kombination nur die modifizierten Ansätze für die 3 Im Anhang (Kap 9.2) wird eine Erklärung zu den dominanten Abflussprozesstypen nach Scherrer gegeben Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 30

40 Bodenspeicherfüllungen größer als W z verwendet. Wie bei der Beschreibung der Option 4 Q- KOMP MIT A2 bereits erwähnt, wird diese der Option 4 Q-KOMP INFILTRATION vorgezogen. Für den Einsatz von BODENMODUL Q-TYPEN werden mehrere Zusatzangaben für die Eingabedateien <boden.par>, <tape35> und <tape12> gebraucht (LARSIM Online Hilfe 2018). Obwohl die Hauptfunktion der Option BODENMODUL Q-TYPEN bei der Verwendung des Schwellenansatzes verschwindet, sind die Vorteile der modifizierten Ansätze für eine gute Simulierung von Sturzfluten, trotzdem wichtig Option Faktor Bodenfeuchte Diese ist im Gegensatz zu allen bereits erwähnten Optionen, nicht in der Kategorie zur hydrologischen Modellierung zu finden. Trotzdem ist sie für die Simulierung von Hochwasser wichtig, da die Vorfeuchte des Bodens bei Sturzflutereignissen entscheidend sein kann. Beim Einsetzen dieser Option wird der Anfangszustand der Bodenfeuchte modifiziert. Dafür wird ein neuer Parameter (KBoFeu) in die Eingabedatei <tape35> eingeführt. Der neue Parameter wird mit dem Anfangszustand der Füllung des Bodenspeichers multipliziert. Es ist möglich die Bodenfüllung zu verringern (mit Werten für KBoFeu <1) oder zu vergrößern (Werte >1). Bei einer Erhöhung der Bodenfeuchte wird der Anfangszustand auf 10% der maximalen Füllung gesetzt. Das geschieht auch, wenn der Anfangszustand der Bodenfeuchte weniger als 10% der maximallen Füllung entspricht. Somit wird verhindert, dass bei leerem oder fast leerem Bodenspeicher keine bzw. fast keine Veränderung der Bodenfeuchte erfolgt (LARSIM Online Hilfe 2018; van der Heilden 2017). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 31

41 5. Wichtige Optionen zur Ausgabe der Modellberechnung Bei der Betrachtung der Optionen zur Steuerung der Ausgabe wurde eine gezielte Suche durchgeführt, nach Ausgaben, welche die unterschiedlichen Abflüsse pro Landnutzung anzeigen. Die Ausgabeoptionen haben keinen operativen Einfluss auf LARSIM. Sie dienen lediglich dazu die Standardausgabe zu erweitern bzw. zu spezialisieren. Um diese sinnvoll einzusetzen, sind Optionen anderer Kategorien notwendig. Es wäre beispielsweise nicht möglich, eine detaillierte Ausgabe der vier Abflusskomponenten zu erzeugen, ohne die Option 4 Q-KOMP MIT A2 oder 4 Q-KOMP INFILTRATION zu aktivieren. Nachstehend werden die Optionen beschrieben, welche in Kombination mit den schon vorgestellten Optionen (vgl. Kap. 4) eine sinnvolle Ausgabe für eine hydrologische Betrachtung in LARSIM erzeugen. Unter dem Suchbegriff Ausgabe hydrometeorologischer Zeitreihen im Berechnungsmodus Wasserhaushalt in der LARSIM Online-Hilfe, befindet sich ein Überblick (getrennt nach Einsatzbereich) zu den Ausgabeoptionen der hydrologischen Modellierung. Für diese Arbeit ist der Bereich Flächengewichtete Mittelwerte über alle Landnutzungen eines Teilgebiets relevant. Darunter befinden sich folgende mögliche Ausgaben: AUSGABE NIEDERSCHLAG, AUSGABE VERDUNSTUNG und AUSGABE BODENSPEICHER. Die ersten beiden Optionen sind zwar interessant für die Modellierung, interagieren jedoch nicht mit dem Bodenmodul, weshalb sie aktuell nicht mit ausgewählt werden. AUSGABE BODENSPEICHER dagegen hat mehrere Einsatzpunkte im Bodenmodul, jedoch sind die folgenden erforderten Ausgaben. Die wichtigsten sind: Zufluss zum Gebietsspeicher für Oberflächenabfluss (schneller Direktabfluss) Zufluss zum Gebietsspeicher für Direktabfluss (langsamer Direktabfluss) Zufluss zum Gebietsspeicher für Interflow Zufluss zum Gebietsspeicher für Basisabfluss Ungeachtet bleiben die unterschiedlichen Landnutzungsklassen der Teilgebiete. Denn durch die Bildung des Mittelwertes werden die unterschiedlichen Verhalten der Landnutzungsklassen ignoriert. Mithilfe einer zweiten Ausgabeoption wird dieses Problem jedoch behoben. AUS- GABE DETAILLIERT sorgt dafür, dass die Ausgabe nicht mehr als Mittelwert erfolgt, sondern als einzelne Werte für jede Landnutzung eines Teileinzugsgebiets (LARSIM Online Hilfe 2018; Gronz 2013). Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 32

42 Durch die Kombination der Optionen AUSGABE BODENSPEICHER und AUSGABE DETAIL- LIERT können nun die unterschiedlichen Abflüsse pro Landnutzung angezeigt werden. Die Zuflüsse zum Gebietsspeicher, welche in diesem Fall ausgegeben werden, entsprechen der kleinsten Unterteilung der Gebiete, die im Modell durchgeführt werden. Die folgende Abbildung zeigt die Struktur der Unterteilgebiete in LARSIM, sowie deren Abflüsse. Dargestellt sind die Abflüsse der Option AUSGABE BODENSPEICHER (blaue Punkte) und die Abflüsse der Kombination AUSGABE BODENSPEICHER mit AUSGABE DETAILLIERT (grüne Punkte). Für den Aufbau eines Bodenspeichers kann die Abbildung 12: Aufteilung des Abflusses im Bodenspeicher bei vier Abflusskomponenten mit dem Schwellenansatz (bei Aktivierung der Option 4 Q- KOMP MIT A2 im Kapitel angeschaut werden. Abbildung 15: Einsatzpunkte der möglichen unterschiedlichen Ausgabeoptionen in der LAR- SIM Gebietsunterteilung (mit ERW. BODENPARAMETER) Die erzeugte Ausgabe ist in der Datei <ergebnis.lila> zu finden. Es werden pro Unterteilgebiet vier Abflusswerte angegeben. Dabei ist zu beachten, dass die Ausgabe nur dann erfolgreich ist, wenn die Option ERW. BODENPARAMETER aktiviert ist, da ansonsten keine Unterteilung der Teilgebiete erfolgen würde. Für ihre Anwendung brauchen beide Ausgabeoptionen eine zusätzliche Angabe in der Steuerdatei <punktausgaben.str>. In dieser Datei muss pro Unterteilgebiet, für das die vier Abflüsse ermittelt werden soll, die Kennung ATGB = J angegeben werden. Sollte zusätzlich die Ausgabe der gemittelten Abflusswerte für jedes Teilgebiet gesucht werden, sind die Teilgebiete in <punktausgabe.str> mit AEZG = J zu kennzeichnen. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 33

43 Um die Ganglinien für die Abflüsse aus den Teilgebieten zu ermitteln, benötigt man die Option AUSGABE ABFLUSSKOMPONENTEN. Für diese Option ist es notwendig in der Steuerdatei <punktausgabe.str> die Teilgebiete bzw. Unterteilgebiete mit der Angabe QTGB = J zu ergänzen. Bei der Kombination von AUSGABE BODENSPEICHER und AUSGABE DETAILLIERT werden, ergänzend zu den vier Zuflüssen zum Gebietsspeicher, der Inhalt des Bodenspeichers und der Inhalt des Zwischenspeichers Moor angegeben (LARSIM Online Hilfe 2018). Die Implementierung von MATLAB ist nur dann sinnvoll, wenn sich dadurch eine Vereinfachung der Ausgabe der verschiedenen Zu- und Abflüsse des Bodenspeichers ergibt, oder wenn eine bessere Vorlage für eine hydrologische Analyse erzeugt wird. In diesem Fall ist die Ausgabe der Zuflüsse aus den Unterteilgebieten zum Gebietsspeicher, welche durch AUS- GABE BODENSPEICHER und AUSGABE DETAILLIERT erzeugt wird, ausreichend. LARSIM rechnet nicht mit kleineren Unterteilungen als die unterschiedlichen Landnutzungen eines Teilgebiets, deswegen ist es unmöglich eine spezifischere Ausgabe zu bekommen. Somit ist die Anwendung von MATLAB für die Ermittlung der Abflüsse in den Bodenspeicher eines Gebiets nicht notwendig untersuchte Gronz 4 die Abflussprozessinformation in LARSIM. Er stellte fest, dass eine Sicht in den Verlauf einzelner Variablen zur Laufzeit (...) lediglich innerhalb der Entwicklungsumgebung im Debug-Modus möglich (ist) (Gronz 2013, 41). Dabei fand er heraus, dass es eine Änderung des Quellcodes von LARSIM bedarf, um den Anteil einer Abflusskomponente in einem konkreten Kompartiment zu berechnen. Eine Veränderung im Quellcode von LARSIM kommt nicht in Frage, da dieser sehr komplex ist. Die Einarbeitung in den Quellcode ist äußerst komplex und zeitaufwendig, weshalb dies eher vermieden werden sollte (Gronz 2013). Ungeklärt ist dennoch die Wassermenge, welche in das Bodenmodul infiltriert. Durch die LAR- SIM Online-Hilfe ist bekannt, wie die maximale Infiltrationsmenge nach Berücksichtigung eines Reduktionsfaktors berechnet werden kann. Allerdings fehlt die Ausgabe der Wassermenge, die tatsächlich in dem Bodenmodul infiltriert (vgl. INFILTRATION GRENZWERT, Kap. 4.6). Hier entsteht eine Möglichkeit für die Anwendung von MATLAB. 4 Oliver Gronz, 2013 schrieb er seine Dissertation zum Thema Nutzung von Abflussprozessinformation in LAR- SIM in der Universität Trier Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 34

44 Dafür könnte folgende Strategie verwendet werden: 1. MATLAB soll die maximale Infiltrationsmenge außerhalb von LARSIM berechnen 2. Die Formeln, welche von LARSIM benutzt werden, um die maximale Infiltrationsmenge zu bestimmen, sind bekannt (vgl. Kap 4.6). Diese können in MATLAB übernommen werden, da sie mathematisch betrachtet nicht besonders komplex sind. 3. Einen höheren Schwierigkeitsgrad kann die Übernahme der Eingangsdaten für die Berechnung haben. Benötigt werden die Werte für VF und InfM, welche in <tape12> zu finden sind. Diese wurden für jedes Landnutzungs-Boden-Kompartiment jeweils mit einem Wert größer null angegeben. Dies bedeutet es müssten zwei verschiedene Matrizen in MATLAB erstellt werden. Eine für die VF und eine für die InfM-Werte. 4. Zusätzlich sind die Werte für VG aus der Eingabedatei <lanu.par> zu ermitteln. In diesem Fall sind nur die Angaben der Landnutzungsklasse Acker relevant, da alle anderen Landnutzungen nur Angaben gleich null besitzen. Analog zu Schritt drei wird hierfür eine Matrix erzeugt. 5. Die Durchführung der Berechnung soll monatlich für jedes Unterteilgebiet erfolgen. 6. Das Ergebnis ist eine durch MATLAB berechnete Matrix, welche die maximalen Infiltrationswerte pro Unterteilgebiet (Landnutzung) pro Monat angibt. Allerdings ist INFILTRATION GRENZWERT und somit auch der möglichen MATLAB-Routine der BSF vorangestellt. Das bedeutet, die Wassermenge die tatsächlich in den Boden infiltriert, entspricht nicht der Berechneten (vgl. Kap. 4.2 und Kap. 4.6). Überdies ist die Berechnung des maximalen Infiltrationswertes nur bedingt sinnvoll, denn nur wenn Oberflächenabfluss entsteht, kann der maximale Infiltrationswert der infiltrierenden Wassermenge entsprechen. Für den Fall des Auftretens einer Sturzflut ist diese Berechnung natürlich adäquat, allerdings erst ab dem Zeitpunkt, bei dem ein Hortonscher Landoberflächenabfluss erzeugt wird. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Berechnung des Infiltrationsgrenzwerts außerhalb von LARSIM zwar nützlich um die Werte anschaulich darzustellen ist, aber nicht hilfreich um die in den Boden eindringende Wassermenge zu ermitteln. Selbst eine Erweiterung der Routine in MATLAB, welche der Teilung durch der BSF nachbilden soll, würde lediglich eine parallele Berechnung zu LARSIM ergeben. Somit scheidet die Entwicklung der Routine für eine eventuelle Analysestrategie im Rahmen dieser Arbeit aus. Aufgrund der gefundenen Optionen (AUSGABE BODENSPEICHER und AUSGABE DETAILLIERT), wird eine Ausgabe der Abflüsse erzeugt, welche für die hydrologische Analyse ausreichend ist. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 35

45 6. Überblick der vorgeschlagenen Strategie für die LARSIM Anwendung bei Sturzfluten Am Anfang dieser Arbeit wurde die Problematik von Sturzfluten vorgestellt. Nachdem eine Definition für dieses Ereignis getroffen und ihr Auftreten erklärt wurde, ist auch ihre Häufigkeit bezüglich des Klimawandels dargestellt worden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Sturzfluten in der Zukunft häufiger werden, und durch ihre charakteristische kurze Reaktionszeit und hohes Schadenspotential sehr gefährlich sein können. Dementsprechend wird versucht die Hochwasservorhersage für diese Art von Ereignissen zu verbessern. Unterschiedliche Modelle weltweit beschäftigen sich mit der Wasserhaushaltsmodellierung. LARSIM ist das Modell, welches in Bayern dafür benutzt wird. Der Aufbau von LARSIM erfolgt in unterschiedlichen Modulen. Jedes davon beschäftigt sich mit verschiedenen hydrologischen Prozessen. Da diese Arbeit sich mit den Infiltrationsprozessen auseinandersetzt, wurde das Bodenmodul näher betrachtet. Dafür wurde als erstes ein Überblick seines Aufbaus und Standardeinstellungen geschaffen. Im Anschluss wurden die unterschiedlichen Faktoren diskutiert welche LARSIM daran hindern eine angemessene Simulierung von Sturzfluten durchzuführen. Weiterentwicklungen werden für LARSIM als so genannten Optionen dargestellt. Bei der Aktivierung dieser Optionen werden die Standardeinstellungen von LARSIM erweitert bzw. modifiziert. In den letzten zwei Kapiteln wurden verschiedene Optionen in LARSIM vorgestellt und auf ihre Wichtigkeit für die Modellierung von Sturzfluten untersucht. Viele dieser Optionen brauchen zusätzliche Angaben in mehreren der Eingabedateien. Um einen Überblick zu erschaffen und eine Strategie für die Anwendung von LARSIM für die Simulierung von Sturzfluten vorzustellen, wird das Schema auf der folgenden Seite verwendet. Dadurch, dass viele neue Parameter pro Landnutzung angegeben werden sollen, stellt sich zunächst die Frage, ob diese überhaupt verfügbar sind. Auf diesen Aspekt wurde jedoch in dieser Arbeit nicht eingegangen. Eine tatsächliche Einsetzung der ausgewählten Optionen wurde aus zeitlichen Gründen nicht durchgeführt. Deswegen bleiben diese nur ein Vorschlag, welcher das Modell im Fall einer Sturzflut, und generell bei Starkregenereignissen optimieren soll. Die erzeugte Ausgabe ist entsprechend das Ziel dieser Arbeit. Letztendlich wurde keine MAT- LAB Routine gebraucht, was für das Modell spricht, den dieses bietet genügend Möglichkeiten (in diesem Fall Optionen) um die Ansprüche der Anwender zu erfüllen. Die mögliche MATLAB Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 36

46 Routine für die Berechnung der Grenzwerte der Infiltration ist machbar, aber für diese Arbeit nicht notwendig, deswegen wurde für diese ebenfalls nur als ein Vorschlag vorgestellt. LARSIM für die Simulierung von Sturzfluten Optionen zur hydrologische Modellierung Zusätzliche Angaben Name 4 Q-KOMP MIT A2 A2-BODEN-LANU- SPEZIFISCH ERW. BODENPARAMETER INFILTRATION GRENZWERT BODENMODUL Q-TYPEN FAKTOR BODENFEUCHTE KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT Grund für Implementierung Berücksichtigung der vierten Abflusskomponente durch Teilung des Direktabflusses Bewirkung einer Aufteilung des Parameters A2. Dieser ist nicht mehr gebietsspezifisch, sondern landnutzungsspezifisch Unterteilung der Teilgebiete in Unterteilgebiete nach Landnutzung Berücksichtigung eines Grenzwerts für die Infiltration bei Starkregen, der unabhängig von der Bodenspeicherfüllung ist Berücksichtigung eines exponentiellen Anstiegs der lateralen Drainage und der vertikalen Versickerung bei zunehmender absoluter Bodenspeicherfüllung Berücksichtigung der möglichen Bodenfeuchte (Vorfeuchte) Gebietsabhängiger Korrektur des Wasserdargebots Im <tape12> InfM [mm/h]; VF [-] Im <tape35> EQD2; A2 [mm/h]; fint_fak [-]; fbas_fak [-]; KBoFeu[-]; KWD[-] Im <lanu.par> VG [-] Optionen zur Steuerung der Ausgabe Name AUSGABE BODENSPEICHER AUSGABE DETAILLIERT Steuerte Ausgabe Inhalt Bodenspeicher; Zuflüsse zu den Gebietsspeichern für Oberflächenabfluss, langsamen Direktabfluss, Interflow und Basisabfluss Berechneter Inhalt des Bodenspeichers; Zuflüsse zu den Gebietsspeichern (getrennt für alle Landnutzungsklassen eines Teileinzugsgebiets) Im <punktausgaben.str> ATGJ = J für jedes Unterteilgebiet Alle Optionen werden in der Steuerungsdatei <tape10> für ihre Aktivierung angegeben Abbildung 16: Schematische Darstellung des Anwendungsvorschlags für LARSIM für die Sturzflutsimulierung Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 37

47 7. Diskussion und Ausblick Für die Simulierung von Sturzfluten wurde das Wasserhaushaltsmodel LARSIM betrachtet. Trotz seiner recht komplexen Struktur, hat dieses Modell gegenüber der Realität viele Vereinfachungen. LARSIM ist mit seinen Standardeinstellungen nicht in der Lage, Starkregenereignisse zu simulieren, da der Abfluss unterschätzt wird. Deswegen wurden schon von der LAR- SIM Entwicklungsgemeinschaft zusätzliche Optionen entwickelt, welche die Schwachstellen des Programms bei dieser Simulierung beheben sollen. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf die Optionen zur hydrologischen Modellierung und zur Steuerung der Ausgabe gelegt. Die im vorherigen Kapitel vorgestellte Auswahl wurde nach einer Analyse vieler Optionen getroffen. Hier lassen sich jedoch einige Aspekte diskutieren. Die Anwendung einer vierten Abflusskomponente ist notwendig für die Sturzflutsimulierung, da diese den realen Bodenspeicher viel akkurater abbilden kann als die Betrachtung mit nur drei Abflusskomponenten. Die Option 4 Q-KOMP MIT A2 wird von der LARSIM Entwicklungsgesellschaft dafür empfohlen, da diese bei der Hochwassermodellierung schon getestet worden ist. Allerdings scheint diese Option auf einem robusteren Schwellenwertansatz zu rühren, welcher Sturzfluten auch nicht optimal abbilden kann. Mit dieser Option wird das Phänomen des Hortonschen Landoberflächenabfluss nicht explizit abgebildet, obwohl es als Hauptverursacher einer Sturzflut gesehen wird. Viel geeigneter für die Modellierung scheint die Option 4 Q-KOMP INFILTRATION zu sein, da diese das Verhalten des Abflusses und des Bodens bei einem Starkregenereignis, durch Berücksichtigung der Abflussgenerierung, besser nachbilden kann. Allerdings wird diese, wegen ihres Anspruchs an Angaben nicht genommen. Es wäre trotzdem wichtig diese Alternative anzuwenden, da die Simulierung von Sturzfluten auf dieser Weise eine bessere Annährung trifft. Außerdem kann die Option BODENMODUL Q-TYPEN in Kombination mit 4 Q-KOMP INFILTRATION mit vollen Einsatz wirken, da sie dadurch, die Berücksichtigung der Abflusstypen gewährleisten kann. Die Berücksichtigung der Vorfeuchte des Bodens ist bei Sturzflutereignissen wichtig, da diese einen Einfluss auf die Wasseraufnahmekapazität des Bodens haben kann. Dadurch wird auch die Abflussbildung beeinflusst. In LARSIM gibt es die Option FAKTOR BODENFEUCHTE für die Berücksichtigung dieses Aspektes. Jedoch ist ihre Implementierung nicht eindeutig. Sie benötigt die Angabe eines Parameters KBoFeu im <tape35>, allerdings wird nicht gesagt, ob diese Vorfeuchte gebietsabhängig oder, ob sie spezifisch für jedes Landnutzungs-Boden- Kompartiment ist. Bei den unterschiedlichen Landnutzungen sind jeweils andere Verhalten zu erwarten, da sie individuelle Vorfeuchtezustände haben können. Für den gemachten Vorschlag wäre es vorteilhaft, wenn dieser Parameter auch landnutzungsspezifisch anzugeben Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 38

48 wäre, da sonst die Genauigkeit, welche mit den anderen Parametern gemacht worden ist, verloren geht. Die Erweiterung der Standardeinstellungen in LARSIM erfolgt auf einem simpleren Weg, da normalerweise nur die Textdateien erweitert werden müssen. Trotzdem sind sowohl die Eingabe- als auch die Ausgabedateien nicht immer übersichtlich. Dies kostet Zeit bei der Einarbeitung. Leider ist das Lesen der Ausgabedaten nur für den Endzeitpunkt der Simulation möglich. Bei der hydrologischen Analyse kann jedoch die Betrachtung der Abflüsse zu verschiedene Zeitpunkten relevant sein. Dieses wäre aber nur durch eine Veränderung des Quellcodes von LARSIM möglich. Eine Einarbeitung in den LARSIM Quellcode ist allerdings unrealistisch, da dies viel zu kompliziert ist. Deswegen bleibt dieser Aspekt offen. Selbstverständlich wäre es interessant, die Strategie, welche in dieser Arbeit vorgeschlagen wird, in LARSIM zu testen, um ihre Anwendbarkeit und ihre Ergebnisse zu überprüfen. Durch einen Test könnten auch die Auswirkungen der unterschiedlichen Parameter bewertet werden. Somit würde auch eine Aussage über die einflussreichsten Faktoren bei der Abflussbildung im Fall eines Starkregens getroffen werden. In anderem Worten, es würde eine Kalibrierung des Modells auf ein Sturzflutereignis möglich sein. LARSIM ist natürlich nicht das einzige Modell, das auf die Simulierung von Sturzfluten untersucht wird. WaSiM oder RoGeR sind weitere Modellmöglichkeiten, welche öfters mit LARSIM verglichen bzw. gekoppelt werden. Ein Vorteil des WaSiMs Modells ist, dass es seit seiner letzten Version fähig ist, wild abfließendes Wasser zu simulieren. Die Modellierung von Sturzfluten bleibt dennoch schwierig für alle hydrologischen Modelle, aufgrund der charakteristischen Eigenschaften dieser Ereignisse. Eine optimale Simulierung einer Sturzflut wurde, zumindest in der Recherche für diese Arbeit, nicht erreicht. Durch unterschiedliche Verbesserungsvorschläge, wie zum Beispiel die Berücksichtigung eines Infiltrationsgrenzwerts, wurden bereits Verbesserungen in LARSIM geschaffen. Dennoch fehlt eine verlässliche Simulierung. Deswegen ist die Forschung und Weiterentwicklung der Modelle in dieser Hinsicht sicherlich noch nicht am Ende. Die Problematik der Sturzfluten ist nicht nur in Deutschland, sondern weltweit präsent. Verschiedene Modelle, sowie unterschiedliche Studien werden in Ländern wie den USA, Italien und Frankreich getestet bzw. durchgeführt. Als Lösung für die, bis heute unzureichend genaue Vorhersage von Sturzfluten, werden Warnkarten für besonders anfälligen Gebieten entwickelt. Diese können, zusammen mit einem stärkeren Bewusstsein der Bevölkerung hinsichtlich Sturzfluten, auch für eine Minderung an Schäden durch solche Ereignisse sorgen. Die Weiterentwicklung in diesem Themengebiet bleibt weiterhin spannend und seine Relevanz weiterhin groß. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 39

49 8. Anhang 8.1. Tabelle LARSIM Optionen Für die Analyse der Optionen, welche in LARSIM angeboten werden, wurde folgende Strategie gefolgt: 1. Die unterschiedlichen Kategorien, in denen die Optionen unterteilt sind, wurden auf mögliche Relevanz für das Bodenmodul geprüft. 2. Die Kategorien: Optionen zur hydrologischen Modellierung und Optionen zur Steuerung der Ausgabe wurden für eine genauere Untersuchung gewählt. 3. Bei der Kategorie Optionen zur hydrologischen Modellierung wurde jede Option, welche mit dem WHM-Modus angewendet werden kann, evaluiert. 4. Daraus entstand die Tabelle, welche nachstehend zu sehen ist. In der Tabelle sind eine kurze Beschreibung und eine Bewertung der Wichtigkeit zu finden. 5. Bei der Auswahl wurden die Optionen, welche einen Einfluss auf die Landnutzungsklasse Siedlung haben, nicht als wichtig für den Bodenwasserhaushalt eingestuft. Diese Entscheidung lässt sich wie folgt begründen: In dieser Arbeit werden Sturzfluten in nicht versiegelten Einzugsgebieten betrachtet. Deswegen sind die Einstellungen bei den versiegelten Flächen zu vernachlässigen. 6. Die Optionen, welche im Kapitel 4 weiter erläutert wurden, sind in der Tabelle durch die dunklere Schrift zu erkennen. 7. Optionen, welche einen Einfluss auf den Grundwassergebietsspeicher haben, wurden nicht in der Liste mit einbezogen, weil sich der Grundwasserspeicher außerhalb des Bodenmoduls befindet. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 40

50 Tabelle 4: Beschreibung und Bewertung der LARSIM Optionen der Kategorie Optionen zur hydrologische Modellierung Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Teilung der Landnutzungsklassen Siedlung in Prozentwerten AUFTEILUNG FLAECHE SIEDLUNG SIEDLUNG STUTTGART 21 Bei dieser Option erfolgt eine direkte Berechnung der Abflussbildung für ausgewählte siedlungsspezifische Landnutzungsklassen, ohne vorherige Aufteilung (in nichtversiegelten und versiegelten Flächen) Nein, da die Landnutzung Siedlung für die Analyse nicht relevant ist Nein, da die Landnutzung Siedlung für die Analyse nicht relevant ist SIEDLUNGSANTEILE GETRENNT DYNAMISCHE VEGETATIONSPERIODEN Unterteilung der Landnutzungsklasse Siedlung Mit dieser Option erfolgt die Berechnung der Verdunstung auf Basis einer dynamischen Phänologie. Die Parametrisierung der Landnutzungen wird nicht mehr für die Monate eines Jahres, sondern für die individuellen Vegetationsphasen einer Landnutzung vorgegeben Nein, da die Landnutzung Siedlung für die Analyse nicht relevant ist Nein, da es sich um eine Option handelt, welche nur Einfluss auf die Interzeption hat DYN: SIEDLUNG NFK MISCHWALD INTERZEPT. PENMAN-MONTEITH In Verbindung mit DYNAMISCHE VEGETATIONS- PERIODEN eingesetzt. Sie optimiert die Aufteilung von Landnutzungsklassen, die Siedlungsflächen beinhalten und in Laub- und Nadelwald zu unterteilen sind Es wird die Formel nach Penman-Monteith für die Berechnung der Evapotranspiration (standardmäßig tagesbasiert) verwendet. Alternativ können die Optionen INTERZETP [T] MONTEITH oder INTERZEPT [H] PENMAN eingesetzt werden Nein, da es sich um eine Option handelt, welche nur Einfluss auf die Interzeption hat Sie ist wichtig für den gesamten Wasserhaushalt, aber nicht für das Bodenmodul Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 41

51 Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Die Berechnung der Verdunstung erfolgt nicht tagesbasiert, wie es standard ist, sondern stundenbasiert. Ausgerechnet für jeden Zeitschritt (bei ET) werden die kurzwellige Strahlungsbilanz, der aerodynamischen Widerstand, der Stomatawiderstand (unter VERDUNSTUNG STUNDENWERTE Berücksichtigung der Bodenfeuchte), der Strom fühlbarer Wärme, der Strom latenter Wärme, die langwellige Strahlungsbilanz (dafür auch Bewölkungsgrad ausgerechnet) und der Bodenwärmestrom Wie bei der Evapotranspiration, ist es wichtig für den gesamten Wasserhaushalt, aber nicht für das Bodenmodul AKT. EVAPOTRANSP. TOPMODEL POT. EVAPOTRANSP. OUDIN POT. EVAPOTRANSP. EINGABE RAUHIGKEITSL. NACH QUAST UND BOEHM, 1997 Die potentielle Evapotraspiration wird in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte berechnet Evapotranspiration wird nach dem Verfahren von Oudin berechnet Zeitreihen für die potentielle Evapotranspiration werden eingelesen und auf die Teilgebiete interpoliert. Dadurch entfällt die Berechnung der Evapotranspiration nach dem Penman-Monteith Verfahren Diese Option beeinflusst die Verdunstung (wird erhöht). Der aerodynamische Widerstand für den Wärme- und Wasserdampftransport hängt u.a. von der Rauhigkeitslänge ab. Wenn diese Option aktiviert ist, wird folgender Ansatz verwendet: z o= *bestandshöhe Nicht relevant, da es nur auf das Interzeptionsmodul zugreift Nicht relevant, da es nur die Berechnung der Evapotranspiration verändert Nicht relevant, da es nur die Berechnung der Evapotranspiration verändert Nein, da es nur einen Einfluss auf die Verdunstung hat Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 42

52 Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Für die Berechnung des Bodenwärmestroms benutzt LARSIM das Verfahren nach MORECS. Wenn diese Option eingeschaltet ist, wird ein vereinfachtes Verfahren zur Berechnung des Boden- BODENWASSERSTROM VEREINFACHT wärmestroms angesetzt. Nicht relevant für den Bodenwasserhaushalt GERINNEVERDUNSTUNG KORREKTURFAKTOR WASSERDARGEBOT Es wird die Verdunstung von den freien Wasseroberflächen der Gerinne mitberücksichtigt. Es wird ein Wert der Verdunstung für die Landnutzung "Wasser" ausgerechnet Ein gebietsspezifischer KWD-Parameter wird in <tape35> angegeben, um die Korrektur des Wasserdargebots durchzuführen. Diese Korrektur erfolgt nach der Berechnung der Interzeption und des Schneemoduls Die Anpassung der Verdunstung für die freien Wasseroberflächen hat keinen Einfluss auf das Bodenmodul Da diese Korrektur nach der Interzeption und dem Schneemodul erfolgt, ist sie für das Bodenmodul relevant. Das berechnete Wasserdargebot tritt in Kontakt mit dem Boden auf, und wird entweder in den Boden eindringen oder als Oberflächenabfluss abfließen ERW. BODENPARAMETER Diese Option ermöglicht die Unterteilung der Teilgebiete anhand ihrer Landnutzungsklassen. Somit werden Bodenparameter und Landnutzungsangaben entkoppelt Ja. Die Landnutzungen spielen eine wichtige Rolle bei der Abflussbildung, vor allem bei Starkregen. Die Differenzierung der verschiedenen Landnutzungen kann für eine bessere Simulierung von Sturzfluten sorgen Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 43

53 Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Bodenmodul Q-Typen wird mit der Option Erw. Bodenparameter kombiniert. Es erlaubt die Berechnung des Bodenspeichers unter Berücksichtigung der dominanten hydrologischen Abflusstypen nach Scherrer. Es wird außerdem ein BODENMODUL Q-TYPEN modifizierter Ansatz für die Berechnung der lateralen Drainage und der vertikalen Versickerung benutzt. B BODEN: WALD, HOEHE TIEFENVERSICKERUNG EXPONENTIELL Ermittlung des Parameters B als Funktion vom Relief im Teileinzugsgebiet und dem Bewaldungsanteil. Die Berechnung erfolgt nach dem Ansatz von Fackel. Berechnung der vertikalen Tiefenversickerung zum Gebietsspeicher für Basisabfluss. Bei Aktivierung dieser Option wird ein modifizierter Ansatz verwendet, indem die vertikale Versickerung mit zunehmender absoluter Bodenspeicherfüllung exponentiell zunimmt Der Hortonsche Landoberflächenabfluss spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Sturzfluten. Deswegen sind seine Berücksichtigung und die Anwendung dieser Option wichtig. Nein Wichtig für die Ermittlung des Basisabflusses. Nicht aber im Fall eines Starkregenereignisses wegen des schon gesättigten Bodens PERKOLATION MIT VDB-WERTEN Diese Option dient der Berücksichtigung von vertikalen Bodendurchlässigkeitsbeiwerten (VDB). Dafür muss <tape12> mit VDB Werten ergänzt werden. Bei der Berechnung wird in LARSIM den Drainageindex des tieferen Bodenspeichers mit den VDB Werten multipliziert Wichtig für die Grundwasserneubildung. Nicht aber im Fall eines Starkregenereignisses, wegen des schon gesättigten Bodens Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 44

54 Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Im Zusammenhang mit ERW. BODENPARAME- TER bewirkt diese Option die Berücksichtigung des kapillaren Aufstiegs für grundwassernahe Böden KAPILLARER AUFSTIEG KOPPELUNG BODEN/GRUNDWASSER Damit wird ein kapillarer Aufstieg vom Grundwasser in den Bodenspeicher berücksichtigt Diese Option ist wichtig für den Wasserhaushalt im Boden. Allerdings ist die Rolle des kapillaren Aufstiegs klein, wenn der Boden gesättigt ist. Da dies der Fall bei einer Sturzflut ist, wird diese Option nicht näher betrachtet Diese Option kann anstelle von KAPIL- LARER AUFSTIEG benutzt werden. Deswegen ist aber ihr Einfluss bei Starkregenereignissen zu klein um berücksichtigt zu werden FAKTOR FELDKAPAZITAET 4 Q-KOMP INFILTRATION 4 Q-KOMP MIT A2 Änderung der Feldkapazität durch Angabe eines Faktors (Kfeld) in <tape12> Diese Option führt die 4. Abflusskomponente ein. Die aktuelle Infiltrationskapazität des Bodens wird in Abhängigkeit von der Füllung des Bodenspeichers bestimmt. (Hortonsches Infiltrationsmodell) Es sind verschiedene pegelkontrollspezifische Angaben erforderlich, welche im <tape10> angegeben werden. Abfluss wird in vier Komponenten aufgeteilt, nicht mehr in drei. Für die Aufteilung des Direktabflusses wird der Schwellenparameter A2 eingeführt Angaben: in <tape 35> für Eichgröße EQD2 und Bodenparameter A2 (beide pegelkontrollbereichsspezifisch) Wenn ein Faktor vorhanden ist, kann diese Option von Relevanz werden Sehr wichtig, da es die 4. Abflusskomponente erzeugt. Ansatz: Infiltrationsmodell Sehr wichtig, da es die 4. Abflusskomponente erzeugt. Ansatz: Schwellenwert Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 45

55 Option Beschreibung Wichtig für die Bodenbeschreibung? Optionen zur hydrologischen Modellierung im Wasserhaushaltsmodus (nur WHM) Spezifisches A2 für jede Landnutzung bzw. jedes Landnutzungs-Boden-Kompartiment. Kombinierbar nur mit 4 Q-Komp mit A2 A2 BODEN-LANU-SPEZIFISCH Ja, wichtig für das Bodenmodul. Durch A2 wird die Wassermenge die in den Boden gelangt beeinflusst. Die Unterteilung in Landnutzungsklassen ist außerdem für den Fall von Sturzfluten relevant INFILTRATION GRENZWERT Limitiert die Menge an infiltrierenden Wasser. Speziell für die Hochwassermodellierung entwickelt. Diese Option berücksichtigt die Verschlämmung <tape 12>: InfM (max. infiltrationsrate in mm/h) und VF (Reduktionsfaktor für InfM bei maximaler Verschlämmung [-] Interessant, weil es einen direkten Einfluss auf die infiltrierende Wassermenge hat Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 46

56 8.2. Dominante Abflussprozesstypen nach Scherrer Die Abflüsse wurden nach Scherrer im Jahr 1997 in vier Prozesstypen unterschieden. Diese sind (Mueef rlp 2007): Hortonische Oberflächenabflussprozesse (Overland Flow, HOF): Bei diesem Abflussprozesstyp wird davon ausgegangen, dass Oberflächenabfluss dann entsteht, wenn die Niederschlagsintensität die momentane Infiltrationsrate des Bodens übersteigt (vgl. Kap 2.2.3). Bei diesem Abflussprozesstyp gibt es eine Unterteilung in sofortigen (HOF 1) und verzögerten (HOF 2) Hortonischen Oberflächenabfluss Gesättigter Oberflächenabfluss (Saturated Overland Flow, SOF): Wenn die Sättigung des Bodens dessen Speicherkapazität erschöpft, entsteht ein Abfluss dieser Art. Bei diesem Prozesstyp wird zwischen rasch gelösten Oberflächenabflüssen (SOF 1) und Oberflächenabflüssen, die verzögert ausgelöst werden (SOF 2 oder SOF 3), unterschieden. Fließprozesse im Boden (Subsurface Flow, SSF): Wenn das Wasser in den Boden eindringt, gelangt es in die Bodenmatrix und kann entweder dort gespeichert werden oder es sickert weiter bis zum Grundwasserkörper. Es kann ein lateraler Abfluss entstehen, wenn sich ein durchlässiger Bodenhorizont über einem wenig oder nicht durchlässigen Bodenhorizont befindet. Tiefenversickerung (Deep perlocation, DP): In den Boden infiltriertes Wasser kann, sofern die geologischen Unterlage durchlässig ist, in diese weitersickern (Mueef rlp 2007). Innerhalb einer Prozessgruppe erfolgt eine Intensitätsabstufung aufgrund der Reaktionszeit. Die Abflüsse werden in drei Stufen unterteilt: Stufe 1: wenn die Abflussreaktion sofort entsteht Stufe 2: wenn es eine leichte Verzögerung bei der Abflussentstehung gibt Stufe 3: wenn die Verzögerung stark ist. In der Abbildung auf der nächsten Seite sind die unterschiedlichen Abflussprozesse zu sehen. Es wird zwischen Oberflächenabflussprozesse (rot), Abflussprozesse im Boden (blau) und Tiefenversickerung (türkis) unterschieden. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 47

57 Abbildung 17: Abflussprozesse an einem Hang (nach Scherrer 1997) (Wagner 2015, 68) Diese Abflussprozesse werden je nach Abflussstärke in fünf Abflusstypen eingeteilt. Die Stärke (oder Intensität) der Abflussbildung beschreibt die Beziehung des abfließenden Niederschlages zu der Niederschlagsumme. Für eine bessere Veranschaulichung werden charakteristische Abflussreaktionskurven angewendet. Auf der nächsten Seite befindet sich eine Graphik, welche die Reaktionskurven für die unterschiedlichen Abflusstypen zeigt. Diese Graphik soll dazu dienen, die Unterschiede der Abflusskoeffizienten klar zu stellen. Im Anschluss ist eine Tabelle zu sehen, welche Intensitäten und Stärke zu jedem Abflussprozess zuordnet. Infiltrationsprozesse bei Sturzfluten 48