Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten

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1 ISSN DOKUMENTATION Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen (Version 1.0) G. MARKART, B. KOHL, B. SOTIER, T. SCHAUER, G. BUNZA und R. STERN Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft Umwelt und Wasserwirtschaft

2 BFW-DOKUMENTATION 3/2004 Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen (Version 1.0) A Simple Code of Practice for Assessment of Surface Runoff Coefficients for Alpine Soil-/Vegetation Units in Torrential Rain (Version 1.0) G. MARKART, B. KOHL, B. SOTIER, T. SCHAUER, G. BUNZA und R. STERN FDK 114.2:18:(431) lebensministerium.at BUNDESMINISTERIUM FÜR LAND- UND FORSTWIRTSCHAFT UMWELT UND WASSERWIRTSCHAFT

3 Empfohlene Zitierung: Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen (Version 1.0) / G. Markart, B. Kohl, B. Sotier, T, Schauer, G. Bunza und R. Stern / BFW-Dokumentation; Schriftenreihe des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald, Wien, 2004, Nr. 3, 88 S. ISSN Copyright 2004 by Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Für den Inhalt verantwortlich: Dienststellenleiter Dipl.-Ing. Dr. Harald Mauser Herstellung und Druck: Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Seckendorff-Gudent Weg 8 A-1131 Wien URL: Bestellungen und Tauschverkehr: Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Bibliothek Seckendorff-Gudent Weg 8 A-1131 Wien Tel Fax gudrun.schmidberger@bfw.gv.at Online Bestellungen: Nachdruck mit Quellenangabe gestattet In Zusammenarbeit mit

4 Vorwort Sehr geehrte Leserin, sehr geehrter Leser! Mit der vorliegenden ersten Nummer der BFW-Dokumentation wollen wir Ihnen eine neue Publikationsreihe des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald vorstellen. In dieser sollen Zwischenberichte zu laufenden Projekten, Sammlungen umfangreicherer Datensätze und weitere Informationen wissenschaftlichen oder praxisorientierten Inhaltes präsentiert werden, die in dieser Ausführlichkeit nicht in anderen Publikationsreihen Platz finden. In der Regel sind diese Informationen für einen begrenzten Kreis von Interesse, daher wird die BFW-Dokumentation nur in kleiner Auflage gedruckt. Sie ist aber auch über das Internet zugänglich. Ich hoffe, dass wir mit dieser neuen Reihe eine hilfreiche Ergänzung zu den übrigen Publikationen des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald (z.b. BFW- Berichte, BFW-Praxisinformation) anbieten können. Dipl. Ing. Dr. Harald Mauser Leiter des BFW

5 Vorwort - Dank In den letzten Jahren wurde weltweit eine Vielzahl an N/A-Modellen generiert bzw. aus bestehenden Ansätzen weiterentwickelt. Wer operiert also in Zeiten Computerbasierter mathematischer Modelle zur Berechnung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses noch mit Abflussbeiwerten? Allen N/A-Modellen gemeinsam ist die Abhängigkeit der Exaktheit der erzielten Ergebnisse von der Qualität der Input-Parameter. Die größte Unbekannte in alpinen Einzugsgebieten stellt i.d.r. der Niederschlag dar, für dessen Erfassung die Hydrografischen Dienste der Länder, die Zentralanstalt für Meteorologie und die Abteilung Wasserhaushalt im BMLFUW (früher Hydrografisches Zentralbüro) unermüdliche Arbeit leisten. Bereits als nächster Schritt stellen sich die Fragen: Wie viel Wasser wird von der Vegetation zurückgehalten, welche Menge rinnt an der Oberfläche ab, welcher Prozentsatz kann in den Boden eindringen? Seit den 70er-Jahren des 20 Jhdts. werden in diesem Zusammenhang vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft und am Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Starkregensimulationen zur Charakterisierung des Abflussverhaltens alpiner Vegetations-/Bodenkomplexe durchgeführt. Die zusammen annähernd 700 Einzelversuche erbrachten interessante Ergebnisse, unter anderem auch Hinweise darauf, dass Abflussprozesse durch Faktoren mitbestimmt werden, die in N/A-Modellen nicht oder noch nicht richtig berücksichtigt werden können. Beispielsweise akkumulieren die von der hochmontanen bis in die alpine Stufe weit verbreiteten Bürstlingrasen (Nardeten) große Mengen an Benetzungshemmender Totmasse und bilden ein regelrechtes Strohdach aus, wodurch die Infiltration des Niederschlages in den Mineralboden extrem verzögert wird. Auch die mathematische Beschreibung der im Boden stattfindenden Abflussprozesse ist ein nicht wirklich gelöstes Problem. So basiert eine Vielzahl der am Markt befindlichen Modelle auf Berechnungsansätzen (Richards- Gleichung, Darcy), mit denen z.b. die raschen Abflussprozesse über Sekundärporen (Tierröhren, Spalten, Klüfte, Schwundrisse etc.) nicht prozessnah zu beschreiben sind. Aufgrund der Komplexität dieser Modellansätze, ihrer extrem hohen Anforderungen an Gebietskenngrößen, Kalibrierungs- und Verifizierungsdaten werden sie in erster Linie im wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt. In der Praxis kommen nach wie vor einfachste Berechnungsansätze zur Anwendung. Sie verlangen sehr oft Angaben über jenen Prozentsatz des Niederschlages, der mit geringer Verzögerung zum Abfluss kommt, also über den Abflussbeiwert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesem Modellparameter, sie fußt auf den oben erwähnten Starkregensimulationen und führt den Praktiker zu gezieltem Schauen im Gelände. Er hat dadurch ein Werkzeug in der Hand, mit dessen Hilfe er Abflussbeiwerte einschätzen und für einfache N/A-Modelle bereitstellen kann. Ein seit langer Zeit bekanntes Abflussmodell ist der Laufzeitansatz von Zeller (1981). In mehrjähriger Arbeit wurde dieser Ansatz nun von Kohl verbessert und von Stepanek et al. (2004) als praxisorientiertes Modell ZEMOKOST vorgestellt. Dieser Ansatz eignet sich besonders für die Abflussermittlung in Einzugsgebieten ohne Direktmessung. Anhand der vorliegenden Anleitung können die wichtigen Eingangsgrößen Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz (Ψ const ) und Oberflächenrauhigkeit im Feld für die mittlere Maßstabsebene (1 : bis 1 : 5.000)) und die Detailebene (< 1 : 5.000) mit vertretbarem Zeitaufwand und hinreichend genau erfasst werden. In Kombination mit einer entsprechenden Kartengrundlage (analog oder digital) und einer (Grob)Charakteristik der Gerinneverhältnisse bietet sich damit dem Praktiker eine gute Basis für die nachvollziehbare Abschätzung von Bemessungsabflüssen in alpinen Einzugsgebieten.

6 Die vorliegende Anleitung fußt auf den Ergebnissen von mehreren Jahrzehnten arbeitsintensiver und aufwendiger Feldmessungen. Zu ihrem Gelingen hat eine Vielzahl von Personen beigetragen: MR Dipl.-Ing. Werner Rachoy, ehemaliger Leiter der Gruppe Vc im Bundesministerium f. Landund Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW), Ing. Wolfgang Schweighofer (Abteilung IV/5 - BMLFUW) und Dipl.-Ing. Renate Mayer (Abteilung IV/4 - BMLFUW) durch stete Förderung der Projektarbeit am Institut für Lawinen- und Wildbachforschung des BFW, ohne die es den umfangreichen Datenpool, auf dem diese Anleitung aufbaut, nicht gäbe. Unsere Kollegen Dr. Robert Kirnbauer, Institut für Hydraulik, Gewässerkunde und Wasserwirtschaft der TU-Wien, und Dr. Herbert Pirkl (Büro für Geoökologie, Wien) haben in jahrelanger Zusammenarbeit und intensiven Diskussionen den Weg zu dieser Anleitung mit bereitet. Dr. Wolfgang Gattermayr und Mag. Klaus Niedertscheider (Sachgebiet Hydrographie beim Amt der Tiroler Landesregierung), Dipl.-Ing. Andreas Haas, Dipl.-Ing. Manfred Pittracher und Dipl.-Ing. Leopold Stepanek (Sektion Tirol des Forsttechnischen Dienstes für Wildbach- und Lawinenverbauung) haben den ersten Entwurf mit den Autoren gemeinsam und bei ihren Außendiensten im Gelände getestet und viele Ideen zur Verbesserung der Anleitung entwickelt. Dr. Christoph Hegg, Leiter der Abteilung für Wasser-, Erd- und Felsbewegungen an der Eidgen. Forschungsanstalt für Wald Schnee und Landschaft, sowie Dipl.-Ing. Markus Wallner, Dipl.-Ing. Kurt Ziegner von der Landesforstdirektion Tirol und Dipl.-Ing. Franz Legner von der Abteilung Almwirtschaft beim Amt der Tiroler Landesregierung haben das Manuskript kritisch durchgesehen und wertvolle Anregungen eingebracht. Univ.Prof. Dr. Helmut Hartl hat eine Vielzahl von Dias von Zeigerpflanzen mit dem Präzisionsscanner gescannt und für die Publikation bereitgestellt. Abbildungen überlassen haben uns auch die Kollegen DDr. Heiner Bertle, Dipl.-Ing. Andreas Haas, Dr. Herbert Pirkl, Dipl.-Ing. Siegfried Sauermoser und Dr. Willigis Gallmetzer. Für Satz und Layout sorgte in bewährter Weise Frau Johanna Kohl. Nicht unerwähnt bleiben sollen an dieser Stelle die vielen Mitarbeiter am Bundesamt und Forschungszentrum für Wald und am Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft, die uns über Jahre hinweg bei der Durchführung der Untersuchungen im Feld unterstützt haben, sowie alle jene Vertreter des Forsttechnischen Dienstes für Wildbach- und Lawinenverbauung, der Wasserwirtschaftsämter und weiterer Ämter und Behörden, sowie die Vielzahl von Grundbesitzern, die uns im Rahmen von Projekten und Gutachten die Durchführung von Starkregensimulationen ermöglichten. Nur dadurch konnten die umfangreichen Datengrundlagen, die der vorliegenden Arbeit zugrunde liegen, entstehen. Wir sind uns des Wertes dieser Unterstützung bewusst und sagen allen ein herzliches Danke. Innsbruck und München im Dezember 2003 Die Autoren

7 Inhaltsverzeichnis Vorwort - Dank... 3 Inhaltsverzeichnis... 5 Abkürzungsverzeichnis... 7 Kurzfassung... 9 Abstract Ziele und Anwendungsbereiche der Geländeanleitung Definitionen Bemessungsregen, Gültigkeitsbereich der Anleitung Aufbau der Anleitung Hydrologische Vegetationseinheiten Indikatorfunktion des Bodens Indikatorfunktion der Nutzung und standörtlicher Besonderheiten Wirkung mechanischer Belastungen und technischer Eingriffe Entwässerung Einfluss des Deckungsgrades der Bodenvegetation Effekte der Hangneigung Bioturbation im Boden Waldwirkungen Hydrophobie nach Austrocknung - Strohdacheffekt Einfluss der Vorfeuchte Gerinnenetzdichte, Hangwasser Indikatorfunktion der Vegetation, Feuchte- Zeigerwerte Abflussbeiwertklassen Zuordnung von Abflussbeiwerten Abflussverhalten bei Hagelereignissen und auf schneebedeckter Oberfläche Hinweise für die praktischeanwendung Beispiele für die Anwendung der Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes Beispiel 1: Fi-Reinbestand (Piceetum nudum), beweidet Beispiel 2: Hang mit Zwergstrauchheide (Alpenrose) Beispiel 3: Bürstling-Rasen Beispiel 4: Standort mit Alpenrose undbürstling-rasen Berechnung der Initialabstraktion Grundlagen Initialabstraktion in Relation zum Abflussbeiwert Systemzustände - extreme Szenarien Berechnung der Initialabstraktion für das realistische Worst-Case-Szenario... 26

8 7. Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit Grundlagen Saisonale Unterschiede in der Rauhigkeit Anschätzen der Rauhigkeit Aufnahmeformular für Detailkartierungen Literatur Anhang 1 - Geländeanleitung 1.1 Ergänzende Hinweise zur Handhabung der Anleitung Pioniervegetation - Rohböden Rasenvegetation - Mähwiesen Zwergstrauchheiden Buschgesellschaften Hochstaudenfluren Wälder Nadelwälder Laubwälder und Laub-/Nadelmischwälder Planien Anhang 2 - Beispiele für die Anschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei konvektiven Starkregen und der Rauhigkeit von typischen Vegetationsformen des Ostalpenraumes 2.1 Pioniervegetation - Rohböden Rasenvegetation - Mähwiesen Zwergstrauchheiden Buschgesellschaften Hochstaudenfluren Wälder Planien Geringmächtige, durchfeuchtete Schneedecken auf Rasen Anhang 3 - Zeigerplanzen 3.1 Wälder Wälder und feuchte Rasen bzw. Wiesen Weiden, feuchte Wiesen und Moore Zeigerpflanzen für Standorte mit hohem Infiltrationspotential Anhang 4 - Formular für die Erhebung vonabflussbeiwerten und Rauhigkeit im Gelände... 85

9 Abkürzungsverzeichnis AIATR Abkürzung Erklärung Dimension Institut für Lawinen- und Wildbachforschung AK, AK ges,c,c,ψ, ψ tot AK const, Ψ const AKl BMLFUW Abflusskoeffizient, Abflussbeiwert = Verhältnis von Gesamtabfluss zum gesamten Niederschlag Abflusskoeffizient zum Zeitpunkt der Abflusskonstanz Abflussbeiwertklasse Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft BFW Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Bu Buche DB Datenbank DG Deckungsgrad der Vegetation f frisch ff sehr frisch - feucht FBVA Forstliche Bundesversuchsanstalt Fi Fichte GVE Großvieheinheit i N Intensität des Niederschlages mm*h -1 Lä Lärche LfW Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft mf mäßig frisch n nass n Stichprobenanzahl, Anzahl der Wiederholungen N Niederschlag mm OA Oberflächenabfluss Q Abfluss mm, Lt*m -2 STO Standort(e) Ta Tanne ÜG Überschirmungsgrad ZA Zwischenabfluss Zi Zirbe Durchmesser unendlich

10 BFW-Dokumentation ( ) 9 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen (Version 1.0) G. MARKART, B. KOHL, B. SOTIER, T, SCHAUER, G. BUNZA & R. STERN Kurzfassung: Seit annähernd 3 Jahrzehnten werden am Institut für Lawinen- und Wildbachforschung beim Bundesamt und Forschungszentrum für Wald (Innsbruck und Wien) und am Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft in München Starkregensimulationen und begleitende Untersuchungen, wie Erhebungen boden- und vegetationskundlicher Kennwerte zur Charakterisierung des Abflussverhaltens beitragender Flächen in Wildbacheinzugsgebieten durchgeführt. Die Ergebnisse von mittlerweile über 700 Einzelberegnungen wurden in einer gemeinsamen Datenbank zusammengeführt und ausgewertet. Ein erstes Produkt dieser Auswertungen ist die vorliegende Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei konvektiven Starkregen. Sie ist die Basis für die Erstellung von Abflussbeiwertkarten zur Berechnung von Abflussspitze und Abflussfracht beim Bemessungsereignis in Wildbacheinzugsgebieten. Die gegenständliche Anleitung enthält Hinweise für die quantitative und qualitative Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei Abflusskonstanz, einen Ansatz zur Anschätzung der Rauhigkeit der Oberfläche und eine Funktion zur Abschätzung der Initialabstraktion auf beitragenden Flächen in Wildbacheinzugsgebieten. Schlüsselworte: Abflussbeiwert, Anlaufzeit, beitragende Fläche, Nutzung, Oberflächenrauhigkeit, Starkregensimulation Abstract: [A Simple Code of Practice for Assessment of Surface Runoff Coefficients for Alpine Soil-/ Vegetation Units in Torrential Rain (Version 1.0)]. Rain simulation experiments by use of a transportable spray irrigation installation for assessment of runoff behaviour on typical runoff contributing areas in alpine catchments have been carried out at the Institute for Avalanche and Torrent Research (Federal Office and Research Centre for Forests) and the Bavarian State Office for Water Management over nearly 30 years. These investigations usually were combined with investigations on characteristics of vegetation and soil. Data from more than 700 single rain simulation experiments have been stored in a joint data base and analysed in detail. The presented simple code of practice for assessment of surface runoff coefficients in convective torrential rain is the first product of this interpretation process. It will be a means for construction of surface runoff coefficient maps which are needed to calculate peak runoff and runoff freight in torrent catchment areas in case of extreme precipitation, e.g. the recurrent design event. The manual comprises hints for assessment of surface runoff coefficients and surface roughness as well as a function for calculation of initial abstraction on runoff contributing areas in alpine catchments. Key words: Runoff coefficient, runoff delay, runoff contributing area, cultivation, surface roughness, simulation of torrential rain 1. Ziele und Anwendungsbereiche der Geländeanleitung Die Berechnung von Bemessungsregen und Konzentrationszeiten, die Erstellung von Gefahrenkarten und Gefahrenzonenplänen in Wildbacheinzugsgebieten setzt die Kenntnis des Abflusses aus den beitragenden Flächen voraus. Für eine objektive Charakterisierung des Gebietsabflusses sollen neben den einschlägigen topographischen Grundlagen und Standortsinformationen folgende Größen bekannt sein: Die Initialabstraktion (Abflussverzögerung nach Beginn eines Niederschlagsereignisses) Die Oberflächenrauhigkeit (zur Abschätzung der Fließgeschwindigkeit an der Oberfläche) Der Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz (Ψ const ) Die gegenständliche Anleitung enthält Hinweise für die quantitative und qualitative Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei Abflusskonstanz (Ψ const ) auf beitragenden Flächen in Wildbacheinzugsgebieten, und einen Ansatz zur Anschätzung der Rauhigkeit der Oberfläche der betreffenden Einheit.

11 10 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... Ausblick Angaben zur Anschätzung der Fließgeschwindigkeit an der Oberfläche bereitet Kohl vor. Von zusätzlichem Interesse ist die Fließgeschwindigkeit im Gerinne. Um eine entsprechende Beschreibung der Gerinneverhältnisse zur bestmöglichern Abschätzung der Fließgeschwindigkeit wird der Praktiker aber weiterhin nicht umhin kommen. Hier wird auf die im Rahmen des Projektes ETALP (Gesamtheitliche Erfassung und Bewertung von Erosions- und Transportvorgängen in Wildbacheinzugsgebieten) des BMLFUW entwickelte Vorgangsweise zur Beschreibung von Gerinnen verwiesen. Die vorliegende Anleitung ist gemeinsam mit dem Laufzeitverfahren ZEMOKOST (Kohl - in Vorbereitung) essentieller Bestandteil des in ETALP entwickelten Werkzeugkoffers. Die Ermittlung dieser Abflussbeiwerte bzw. der Abflüsse beitragender Flächen erfolgt in der Praxis vielfach nur anhand ungenauer bzw. nicht gebietsspezifischer Angaben in der Literatur (z.b. Zeller 1974, 1981; Kölla 1986) oder diversen Faustformeln. Um diesen Informationsstand zu verbessern, werden durch das Institut für Lawinen- und Wildbachforschung (AIATR) des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald (BFW) in Innsbruck und Wien, sowie dem Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft (LfW) in München seit über zwei Jahrzehnten Starkregensimulationen mit Großregenanlagen auf verschiedenen alpinen Boden-/Vegetationseinheiten durchgeführt. Die Funktionsweise der jeweiligen Beregnungsanlagen ist bei Karl und Toldrian (1973), Lang (1995), Markart und Kohl (1995) beschrieben. Diese im Zuge von annähernd 700 Einzelexperimenten erhobenen abflussrelevanten Kennwerte und begleitend ermittelten Informationen, wie bodenund vegetationskundliche Kennwerte, Vegetationsaufnahmen, Kartengrundlagen etc. wurden mit finanzieller Unterstützung durch den Jubiläumsfonds der Österreichischen Nationalbank (Projekt Nr. 7607) und das BMLFUW im Rahmen des Moduls MU2 (Alpine Täler - Schutzfunktion), des Projektschwerpunktes Kulturlandschaftsforschung (PIRKL et al. 2000) und einem Auftrag des BMLFUW (Abt. IV/4) abgeglichen, in einer Datenbank zusammengeführt und ersten Auswertungen unterzogen (Markart et al. 2001, Sotier et al. 2000, 2001) ausgewertet. Ergebnisse der Abfragen aus Datenbanken sind i.d.r. umfangreiche Tabellen. Diese wurden statistischen Analysen zur Ableitung generell gültiger Zusammenhänge, z.b. abflussfördernder Randbedingungen, wie der Wirkung hoher Vorbefeuchtung bei bindigen Böden auf den Oberflächenabfluß unterzogen (erste Ergebnisse siehe Markart und Kohl 2003). Parallel dazu erfolgte eine empirische Auswertung mit dem Ziel, die heterogenen Ergebnisse der Starkregensimulationen in einer für die Praxis tauglichen Anleitung zur Abschätzung des Abflussverhaltens bei Starkregen für die wichtigsten Vegetationskomplexe des Ostalpenraumes zusammenzuführen. Ansätze zu solchen Anleitungen finden sich bereits bei Rickli und Forster (1997), Löhmannsröben et al. (2000), Markart et al. (1999, 2000). Die Resultate dieser Arbeiten sind im vorliegenden Bericht berücksichtigt. Die Erfahrungen mit der Datenbank zeigen, dass nach wie vor aus vielen Gebieten des Ostalpenraumes Informationen zum Abflussverhalten fehlen. In den zukünftigen Untersuchungen des Institutes für Lawinen- und Wildbachforschung am BFW (früher FBVA) wird daher verstärkt auf diese weißen Flecken Rücksicht genommen. Die vorliegende Arbeit ist daher als Provisorium anzusehen, das in Abhängigkeit von Ergebnissen weiterer Feldmessungen, neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen und Rückmeldungen aus der Praxis, in mehrjährigen Abständen ergänzt werden soll. Zum Inhalt der Arbeit Kapitel 2 enthält eine Reihe von Begriffsdefinitionen und die grundlegende Erläuterung der Anleitung zur Abschätzung von Oberflächen-Abflussbeiwerten bei Starkregen im Gelände anhand von theoretischen Grundlagen und einem konkreten Beispiel. Auf den Gültigkeitsbereich der Anleitung wird in Kapitel 3 eingegangen. In Kapitel 4 werden kurz die wichtigsten Faktoren, die den Abflussbeiwert beeinflussen (Vegetation, Boden, Nutzung und standörtliche Besonderheiten) dargestellt. Kapitel 5 enthält Beispiele für die Auswahl der hydrologischen Vegetationsform und die Abschätzung von Abflussbeiwerten auf beitragenden Flächen mit uneinheitlicher Vegetationsdeckung. Hinweise zur Schätzung der Initialabstraktion (Verzögerung der Abflussbildung bei Beginn des Niederschlagsereignisses) und ein Weg zur Anschätzung der Oberflächenrauhigkeit - dieser Faktor bestimmt maßgeblich die Fließgeschwindigkeit an der Oberfläche - werden in Kapitel 6 und Kapitel 7 beschrieben. Diese beiden Kapitel wurden eingeführt, weil

12 BFW-Dokumentation ( ) 11 für eine Vielzahl von Formeln und Berechnungsansätzen neben Abflussbeiwerten auch Angaben über die Rauhigkeit der Oberfläche und die Initialabstraktion notwendig sind, und man bei Verwendung von Ψ const zu relistischeren Abflussmengen kommt, und für die Anwendung von Ψ const Angaben über die Anlaufverluste (Initialabstraktion) und zur Fließgeschwindigkeit an der Oberfläche notwendig sind. Die eigentliche Geländeanleitung (Anhang 1) ist in Tabellenform aufgebaut und gibt Beispiele für typische hydrologische Vegetationsformen des Ostalpenraumes. Zusätzlich finden sich im Anhang 2 Fotos von Beispielsstandorten mit Angaben zu Abflussbeiwertklassen und Rauhigkeitsklassen der Bodenoberfläche. Anhang 3 enthält Fotos von Pflanzen, die Standorte mit hoher / niedriger Abflussbereitschaft charakterisieren. Ein Aufnahmeformular für die Anschätzung von Abflussbeiwert und Rauhigkeit bei Detailkartierungen (Anhang 4), rundet die Anleitung ab. 2. Definitionen Den anschließenden Kapiteln liegen die Definitionen nach Kohl und Markart (2002) zugrunde (Abb.2.1). 3. Bemessungsregen, Gültigkeitsbereich der Anleitung Der Anleitung liegen Starkregensimulationen mit Großregenanlagen (Versuchsflächengrößen zwischen 50 und 100 m 2 ) und Intensitäten zwischen 75 und 100 mm/h zugrunde. Untersuchungen von Kainz et al. (1992) zufolge ist bei Starkregensimulationen eine Versuchsflächengröße von ca. 40 m 2 notwendig um repräsentative Abflussbeiwerte für größere Teile von Einzugsgebieten zu erzielen. Aufgrund verschiedener Randbedingungen bei den Feldexperimenten, z.b. (Wasserangebot, Leistung der Förderpumpen etc. war es nicht immer möglich den Sollwert von i N = 100 mm/h zu erreichen. Die Unterschiede in der aufgebrachten Niederschlagsmenge wurden nach Abb. 2.1: Abflusskennwerte - Definitionen nach KOHL und MARKART (2002) * Ψ tot = Abflusskoeffizient = Verhältnis des insgesamt gefallenen Niederschlages zum Gesamtabfluss ** Ψ max = Spitzenabfluss = Gemessener maximaler Oberflächenabfluss *** Ψ const = mittlerer Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz Anlaufzeit: Zeitspanne vom Einsetzen des Niederschlages bis zum ersten gemessenen OA am Messpunkt Nachlaufzeit = Zeitspanne vom Ende des Niederschlagsereignisses bis zum Ende des Abflusses am Messpunkt

13 12 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... den Kriterien von Kohl et al. (2003) über Extrapolation der ermittelten Abflussbeiwerte auf den Abflusskoeffizienten des Gesamtabflusses (Ψ tot ) bei i N = 100 mm/h hochgerechnet. Berechnungen von Kohl und Markart (2002) aus 26 Starkregenexperimenten bei unterschiedlichen Intensitäten (27 mm/h bis 120 mm/h) auf dem selben Standort zeigen zudem, dass bei einer Zunahme der Intensität von 30 auf 100 mm/h nur mit einem Anstieg des Abflussbeiwertes Ψ max (bei Abflusskonstanz) von 6% (bei ± 9% Standardabweichung) zu rechnen ist 1. Die Anleitung kann daher für Niederschlagsereignisse von 30 bis 120 mm/h ohne Zu- oder Abschläge in der jeweiligen Abflussbeiwertklasse angewendet werden. Da die Anleitung primär für die Abschätzung des potenziellen Oberflächenabflusses typischer alpiner Vegetations-/Bodeneinheiten bei Starkregen vorgesehen ist, ist sie auf das realistische Worst-Case-Ereignis für das jeweils zu beurteilende Einzugsgebiet ausgerichtet. D.h., es ist vorher abzuklären, unter welchen realistisch schlechten Randbedingungen dieses Ereignis im betreffenden Einzugsgebiet ablaufen kann (z.b. Starkregen im Hochsommer bei intensiver Vorbefeuchtung der Böden, reduziertem Deckungsgrad der Vegetation auf Weiderasen durch Weidegang, jahreszyklisch bedingt höherem Anteil an Benetzungshemmender organischer Substanz bzw. Streu). 4. Aufbau der Anleitung 4.1 Hydrologische Vegetationseinheiten Die Standorte werden nach dem Aufnahmeformular (Anhang 4) erhoben und einer der aufgelisteten Einheiten zugeordnet. Die Abgrenzung bzw. Definition der Einheiten erfolgt im Wesentlichen nach Hartl et al. (2001): Pioniervegetation - Rohböden Rasenvegetation - Mähwiesen Zwergstrauchheiden Buschgesellschaften Hochstaudenfluren Wälder Planien Diese Einheiten werden nach typischen, im Ostalpenraum vorkommenden hydrologischen Einheiten weiter untergliedert: Pioniervegetation - Rohböden Rasenvegetation Rasen (nicht Bürstling) Bürstling-Rasen (Borstgras-Rasen) Mähwiesen Feuchtwiesen und Niedermoore Zwergstrauchheiden Alpenrosen- und Heidelbeerheide Besenheide/Erika Buschgesellschaften: Grünerlen und Weidengebüsch Grauerlen- und Weidengebüsch Latschenkrummholz Hochstaudenfluren Wälder Nadelwälder Fichtenwald mit mehr als 50% Fichte (keine bzw. wenig Bodenvegetation - Piceetum nudum) Fichtenwald mit mehr als 50% Fichte (mit Krautschicht) Lärchenwiesen (Überschirmung < 0,3) Lärchenreiche Wälder (>50% Lärche) Zirbenreiche Wälder Kiefernwald Laubwälder und Laub-/Nadelmischwälder Planien Durch technische Eingriffe veränderte Flächen, wie Wegböschungen, Schipisten etc. Nach den im Anhang 1 angeführten Schemata kann jede der angeführten hydrologischen Einheiten in Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen, der Nutzung und sonstigen Besonderheiten des Standortes und der ökologischen Feuchtestufe einer Abflussbeiwertklasse zugeordnet werden. Ein Beispiel für den Aufbau eines solchen Bewertungsschemas gibt Tab Indikatorfunktion des Bodens Systematische Angaben zu den Böden folgen dem Schlüssel zur Bestimmung der Böden Österreichs (Kilian et al. 2002) bzw. der österreichischen Bodensystematik (Nestroy et al. 2000). 1 Anmerkung: Die von Kohl und Markart (2002) ermittelte Funktion gilt nicht für den Gesamtabflusskoeffizienten, da dieser stark vom Systemzustand, bei dem ein Niederschlagsereignis stattfindet, abhängig ist.

14 BFW-Dokumentation ( ) 13 Abb : Schema zur Anschätzung der Abflussbeiwertklasse (Beispiel Fichtenwald) Pos. Boden Beschreibung Beschreibung 1 Grob-Böden locker Skelettreiche, grobkörnige Böden mit hohem Grobanteil (Kies, Sand) Wasserdurchlässigkeit sehr hoch Pos. 1 2 Grob-Böden mit Feinanteil locker Skelettreiche, grobkörnige bis gemischtkörnige Böden mit hohem Grobanteil (Kies, Sand), wobei maximal bis zu 20% Ton- und Feinschluff enthalten sein können. Wasserdurchlässigkeit hoch-mittel 3 Fein-Böden locker Gemischt- bis feinkörnige Böden mit Schluff- und Tonanteilen bis 40%. Wasserdurchlässigkeit hoch- mittel Pos. 2 Pos. 3 4 Fein-Böden bindig Diese gemischt- bis feinkörnigen Böden enthalten höhere Schluff- und Tonanteile (> 40%), sie verhalten sich bindig (plastisch). Der vorhandene Grobanteil wird nur in Trockenphasen (Schwundrisse) hydrologisch wirksam. Die Wasserdurchlässigkeit ist mittelgering, das Wasserbindevermögen deutlich bis hoch. Die plastischen Eigenschaften ändern sich mit dem Wassergehalt. 5 Fein-Böden verdichtet, dicht Das Infiltrationsverhalten von Grob- Böden mit Feinanteil bzw. Fein-Böden ist durch mechanische Belastung (Befahren, Planie, Weide) weiter reduziert. In diese Kategorie sind z.b. ehemals lockere, aber durch Planie verdichtete Feinböden einzuordnen. Pos. 4 Pos. 5 Fotos: G. Markart

15 14 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... Lokale Bodenaufschlüsse stehen in alpinen Einzugsgebieten selten zur Verfügung. Für das Sammeln von umfangreichen bodenkundlichen Informationen (über Bohrstockproben, Anlage von Profilgruben etc.) fehlt in Praxis oft die Zeit. Daher fließen in die Beurteilung nur Bodeninformationen, wie sie an in der Natur vorhandenen Aufschlüssen, z.b. Wegböschungen, Erosionsstellen, einfach beurteilt werden können, ein. Allerdings sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf verwiesen, dass auch solche Aufschlüsse vor der Beurteilung entsprechend aufzubereiten sind: Beispielsweise ist an Wegböschungen am besten mit einem Spaten eine kleine Schürfgrube anzulegen. Nur dadurch kommt man in die Nähe des annähernd natürlich gelagerten Bodens, kann z.b. den Grobanteil, die natürliche Lagerung und eventuell auch die Korngrößenverteilung des Feinbodens anhand der Fingerprobe, vgl. Blum et al. (2001) richtig einschätzen. Die Infiltration des Niederschlages in den Boden wird primär über die Makroporen gesteuert (Burch et al. 1989), die Eindringtiefe wird wesentlich von der Bodenstruktur, d.h. ob der Boden locker gelagert oder dicht ist, beeinflusst (Czell 1972). Aus diesem Grund baut die Anleitung im Wesentlichen auf den folgenden bodenkundlichen Merkmalen auf: Anteil von Grob- bzw. Feinboden: Je höher der Anteil an Teilchen > 2 mm Durchmesser, umso rascher erfolgt die Infiltration, je höher der Feinanteil, insbesondere der Anteil an Schluff (0,063 mm bis 0,002 mm ) und Ton (< 0,002 mm ), umso langsamer laufen Versickerungsprozesse in der Bodenmatrix ab. Lagerung des Bodens: Bei lockerer Lagerung ist eine rasche Versickerung in die Tiefe möglich. Mit zunehmend dichterer Lagerung nimmt der Anteil an rasch dränenden Poren ab, die Infiltration ist gehemmt. Gründigkeit des Bodens: Besonders auf flachgründigen und sehr flachgründigen Böden in steiler Lage mit subanstehendem Gestein versickert das Niederschlagswasser vielfach nur kurzfristig und tritt nach kurzer hangparalleler Fließdistanz im Boden oder entlang der Grenzschicht Boden - unterlagernder Fels als konzentrierter Return-flow wieder an die Oberfläche und wird rasch abflusswirksam (Mendel 2000). Hinweise zur Einteilung der Gründigkeit gibt Tab Basierend auf den im Feld relativ einfach abschätzbaren Kenngrößen Grob-/Feinanteil und Lagerung wurde aus American Society for Testing Materials (1966), DIN (1988), Schriftleitner und Smoltczyk (1990) und Prinz (1991) die in Abb angeführte Einteilung abgeleitet. Tab : Gründigkeit von Waldböden (nach Blum et al. 1996): Gründigkeit Bodentiefe (cm) sehr flachgründig < 15 flachgründig mittelgründig tiefgründig sehr tiefgründig > Indikatorfunktion der Nutzung und standörtlicher Besonderheiten Wirkung mechanischer Belastungen und technischer Eingriffe In Tab sind Beispiele für verschiedenen Nutzungsarten und deren Auswirkungen auf die Infiltrationsverhältnisse in Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen (Grob-/Feinanteil und Lagerung) angegeben. Diese Angaben basieren auf statistischen und empirischen Auswertungen aus der Beregnungsdatenbank (z.b. Markart et al. 2001, Sotier et al. 2002, Markart und Kohl 2004). Art und Intensität der Bewirtschaftung bzw. Nutzung üben einen besonderen Einfluss auf die Infiltrationsverhältnisse aus. Die meisten anthropogenen Nutzungseingriffe (Planieren, Befahren, Weide - Vertritt, sonstige Bodenverwundungen bei der Ernte etc.) führen zu einer mechanischen Belastung des Bodens und wirken sich i.d.r. negativ auf die Infiltrationsleistung der alpinen Böden bei Starkregen aus (Schiechtl 1954, Müller 1988, Schauer 1988, Bunza und Schauer 1989, Schreiber 1997, Markart et al. 2000, Markart und Kohl 2000, 2003). Niedrige Abflusswerte werden auf planierten Flächen in der Regel bei sehr skelettreichem Ausgangsmaterial erreicht (Hagen et al. 1993). Allerdings wird aus landschaftskosmetischen Gründen auf solchen Standorten vielfach großer Aufwand für die Begrünung betrieben (Humusierung, Rasensaaten, etc.). Bei Belastung, z.b. durch Beweidung oder Befahren, reagieren diese begrünten Flächen rasch mit Dichtlagerung der künstlich aufgebrachten Bodenkrume, das Resultat ist i.d.r. eine drastische

16 BFW-Dokumentation ( ) 15 Tab : Auswirkungen verschiedener Nutzungen, Eingriffe und Maßnahmen auf den Oberflächenabfluss bei Starkregen in Abhängigkeit vom Untergrund. Nutzungsart/Eingriff Auswirkung auf den Oberflächenabfluss in Abhängigkeit von den Bodenverhältissen Grob-Boden, skelettreich, locker Grob-Boden, skelettreich, mit Feinanteil, locker Fein-Boden locker Fein-Boden bindig Planie +/ Beweidung extensiv +/- +/ Beweidung intensiv Befahren extensiv +/ Befahren intensiv Planie + Zusatzbelastung (Beweidung, Befahren, Schipistenpräparierung) +/ Holznutzung (+/-) (+/-) (+/-)(-) (-)/(--) Drainage +/- +/ Düngung +/- +/ Begrünung, ingenieurbiolog. Maßnahmen +/ Zeichenerklärung: +/- indifferent, geringfügige Verschlechterung - deutliche Verschlechterung -- sehr starke Verschlechterung -- extreme Verschlechterung () vorübergehend, reversibel Erhöhung des Oberflächenabflusses bei Starkregen, trotz an und für sich extrem durchlässigen Untergrundes (Markart und Kohl 2003, Schauer 1988). Weide ist eine der am weitesten verbreiteten Nutzungsformen in alpinen Einzugsgebieten. Sie variiert saisonal stark, und Auswirkungen auf die Abflussbildung können vom Praktiker i.d.r. nur aufgrund der im Gelände sichtbaren Spuren angeschätzt werden. Bei der Auswertung der Starkregensimulationen des BFW und des LfW wurde zwischen den in Tab angeführten Intensitäten unterschieden. Dabei ist mit dem Begriff Intensität die Wirkung auf den Boden-/Vegetationskomplex gemeint, d.h. die gleiche Anzahl an GVE wirkt sich auf feinteilreichen Böden und steilen Standorten gravierender auf den Abfluss aus, als z.b. auf Grob- Böden in ebener Lage. Daher sind Rückschlüsse von +/- indifferent, geringfügige Verbesserung + deutliche Verbesserung ++ sehr starke Verbesserung +++ extreme Verbesserung den GVE auf Weideauswirkungen i.d.r. nur begrenzt aussagekräftig, auch weil diese Größe nur unzureichende Auskunft über die räumliche und zeitliche Verteilung des Weideviehs im Almbereich gibt. Eine Reihe von Pflanzen geben Hinweise auf Weidebelastung an einem Standort: Es gibt Zeigerarten für starke Verdichtung, z.b. als Folge von Überbeweidung, dies vor allem auf feuchten, bindig (tonig-lehmigen) Böden. Hier sind zu nennen: Flatter-Binse (Juncus effusus), Glanzfrüchtige Binse (Juncus articulatus), Rasenschmiele (Deschampsia cespitosa - auch Staunässezeiger). Viele Weidezeiger werden durch negative Selektion gefördert. Es handelt sich dabei um Arten, die vom Vieh gemieden werden und dadurch vermehrt vorkommen, so genannte Weideunkräuter, z.b. alle Enzian-Arten (aufgrund der in ihnen enthaltenen

17 16 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... Bitterstoffe) oder Borstgras (Nardus stricta) und Disteln, wie die Silberdistel (Carlina acaulis) oder die Alpen-Kratzdistel (Cirsium spinosissimum). Weitere Weidezeiger, also typische Arten der beweideten Berg- oder Almwiesen sind: Läger- Rispengras (Poa supina) und Alpen-Rispengras (Poa alpina), Kammgras (Cynosurus cristatus), Alpen-Lieschgras (Phleum alpinum), Weiß-Klee (Trifolium repens), Kriech-Hahnenfuß (Ranunculus repens), Stumpfblättriger- und Alpen- Ampfer (Rumex obtusifolius, u.rumex alpinus), Alpen-Greis-Kraut (Senecio alpinus), Spitz-, Alpen- und Berg-Wegerich (Plantago lanceolata, Plantago alpina und Plantago atrata), Gold-Pippau (Crepis aurea). In der Praxis sind ohne Zusatzinformationen (Bestoßungsziffern, Auftriebszeitpunkt- und Dauer, gute pflanzliche Artenkenntnis etc.) nur die die drei Intensitäten zu erkennen: keine Beweidung, geringe Beweidung intensiv bestoßen Tab : Merkmale zur Abschätzung der Weidewirkung bzw. -intensität Weideintensität keine gering Merkmale Keine Spuren einzelner Viehtritte, Weidegang eher linear - z.b. Verbindungen zwischen zwei Weidegründen; vereinzelt Spuren von Dung. Im Wald zusätzlich: Vereinzelte Verletzungen an Wurzelanläufen mittel intensiv, hoch früher beweidet Deutliche Vertrittspuren, aber an keiner Stelle Reduktion des Deckungsgrades unter 0,7. Bei herbstlicher Kurzweide auf Mähwiesen: Für ein bis zwei Wochen mit konzentriertem Viehbestand bestoßen. Diese Nutzung ist besonders im Frühsommer bei hoch stehendem Gras nur schwer erkennbar. Weidezeiger vorhanden. Im Wald: Verletzungen an Wurzelanläufen, Spuren von Verbiss durch Weidevieh an Jungwüchsen. Sehr starker Vertritt, Zeigerpflanzen für intensive Beweidung und Bodenverdichtung: Binsen, Kriechhahnenfuß, Rasenschmiele, Rossminze. Vor allem in steileren Lagen auf Grob-Böden mit Feinanteil, Fein-Böden und bindigen Böden Reduktion des Deckungsgrades unter 0,7 (besonders während und nach Perioden mit feuchter Witterung). Ausbildung deutlicher Viehgangln, diese sind zum Teil offen bzw. erodiert. In eben Lagen (besonders auf feinteilreichen und bindigen Böden): Sehr starke Verwundungen der Grasnarbe (Viehtritte), offensichtliche Verdichtungserscheinungen im Oberboden (z.b. bei Pferdeweide), Häufung von Viehtritten. Gehäuftes Auftreten von Lägerfluren (z.b. div. Ampfer-Arten als Zeiger. Häufung von Exkrementen (Dung). Nur an offen Aufschlüssen sichtbar: Schichtige Lagerung des Oberbodens. Im Wald: Gehäuftes Auftreten von Verletzungen an Wurzelanläufen, Vertrittschäden und Verbiss an Jungpflanzen. In steileren Lagen: Viehgangln (verwachsen) oder unruhiges unregelmäßiges Mikrorelief (verwachsene Viehtritte). Am Bodenprofil: Dichtere Bodenschichten ab 5-8 cm Tiefe (Weidestausohle) bei Grob- Böden mit hohem Feinanteil, Fein-Böden und bindigen/dichten Böden.

18 BFW-Dokumentation ( ) 17 Weideeffekte sind von Frühjahr bis Herbst an Spuren in der Landschaft feststellbar (Vertritt, Dung). Am stärksten und am besten erkennbar sind die Auswirkungen i.d.r. im (Spät)Sommer. Mittlere Intensität bzw. Nachwirkungen einer früheren Beweidung sind z.b. anhand von alten Viehgangln und ggf. Weidestausohlen bei feinteilreicheren bzw. bindigen Böden zu erkennen, es sind dazu aber auch zusätzliche Erhebungen (archivarisch, Befragungen) notwendig Entwässerung Drainagen erhöhen den Basisabfluss, dadurch wird i.d.r. der freie Bodenspeicher größer und die Aufnahmenfähigkeit der Böden verbessert. Bei offenen Drainagesystemen ist im unmittelbaren Einzugsgebereich der Drainagegräben mit einer rascheren Abfluss-Reaktion auf Niederschlagsereignisse zu rechnen. Leider tritt bei mangelnder Pflege solcher Entwässerungssysteme des Öfteren der gegenteilige Effekt ein: Ganze Hangpartien werden sekundär vernässt. Bei gleichzeitiger Bestoßung oder sonstiger mechanische Belastung solcher Standorte ist mit rascher und unmittelbarer Abflussbildung bei Starkregen zu rechnen (Markart et al. 1996) Einfluss des Deckungsgrades (DG) der Bodenvegetation Beregnungen von Markart und Kohl (1995) im Einzugsgebiet des Löhnersbaches (Sbg.), Markart et al. (2000) in Meran 2000 und von Kohl et al. (2002) im Einzugsgebiet der Großsölk ergaben auf vegetationslosen Flächen gegenüber Rasenstandorten auf vergleichbarem Substrat anfänglich deutlich geringere Abflussfrachten. In der ersten Phase nach Einsetzen des Regens werden auf offenen Systemen die Bodenaggregate durch die hohe kinetische Energie des Starkregens zerschlagen, die Feinteile durch die von der Bodenoberfläche wegspritzenden Tropfen mitgenommen und an anderer Stelle eingeschlämmt (Ghadiri und Payne 1988). In der zweiten Phase erfolgt der Oberflächenabfluss bereits nach wenigen dm bis m konzentriert in den Tiefenlinien (linearer Abfluss und lineare Erosion), aufgrund der raschen Durchfeuchtung des Oberbodens wird das Material rasch breiig-flüssig, der Reibungsbeiwert wird unterschritten und es kommt zur Bildung von Hangmuren bzw. anderen Abtragsformen (vgl. Markart et al. 2000, bzw. diese Arbeite, Seite 46). Mit den gängigen Großregenanlagen können weder die kinetische Energie von Starkregen noch die entsprechende Tropfengröße annähernd realistisch nachgebildet werden. D.h. besonders bei abnehmendem Deckungsgrad der Bodenvegetation (erhöhtes Abfluss- und Erosionspotential unter DG 70% - Dadkhah und Gifford 1980) wird bei simulierten Niederschlägen über Großregenanlagen die erosive Kraft des natürlichen Niederschlages unterschätzt. Bei Zuordnung des Abflussbeiwertes ist daher der Deckungsgrad der Vegetation in besonderem Maße zu berücksichtigen. Insbesondere gilt dies für eine Nutzungsbedingte örtliche und zeitliche Reduktion des Deckungsgrades, z.b. durch Weidegang oder Planie Effekte der Hangneigung Die bisher vorliegenden Ergebnisse von Starkregensimulationen des LfW und des BFW zeigen keinen direkten Zusammenhang zwischen Hangneigung und Oberflächenabfluss bei Starkregen. Der Einfluss der Hangneigung auf den Oberflächenabfluss wird vielfach durch Kombinationen anderer Faktoren überlagert (Bremswirkung der Vegetation, des Mikroreliefs, des Bodenskeletts). Mit abnehmendem Deckungsgrad der Vegetation nimmt der Effekt der Hangneigung zu (kritischer Wert der Vegetationsdeckung: 70%). Der Oberflächenabfluss an solchen Hängen (steil, nur teilweise Vegetationsbedeckt oder offen) ist mit hohem Feststoffabtrag kombiniert, und zeigt besonders auf Lockersedimenten eine hohe Bereitschaft zur Auslösung von Hangrutschen (vgl. Markart et al. 2000, Kohl et al. 2002). Bei erhöhten Porenwasserdrücken sind insbesondere an Hangversteilungen bzw. unterhalb von Hangverflachungen Hang- und Rasenexplosionen und anschließend in diesen Bereichen konzentrierter linearer Abfluss möglich (Andrecs et al. 2002). In der Regel finden flächige Abflussvorgänge nur auf sehr kurzer Strecke statt, gerade auf stark geneigten (Gras)Hängen konzentriert sich der Abfluss bereits nach kurzer Fließstrecke (wenige Meter) linear in den Tiefenlinien. Dieses periodisch Wasser führende Feingerinnenetz kann anhand der Vegetation gut nachvollzogen werden, die Tiefenlinien weisen i.d.r. einen höheren Anteil an Feuchteliebenden Pflanzen auf, als die umgebenden Flächen (siehe Abb , Markart et al. 1996a, Kohl 2000) Bioturbation im Boden Ist auf Rasenstandorten (auch Weiderasen und Schipisten) z.b. starke Wühltätigkeit von Mäusen, Maulwürfen zu beobachten, steigt die Infiltrationsleistung dieses Standortes. Der Anteil des oberflächennahen

19 18 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... Interflow (Zwischenabfluss im Boden) nimmt zu, und damit auch die Wahrscheinlichkeit für einen Returnflow (Wiederaustritt bereits versickerten Wassers) z.b. an Hangkanten. Vielfach ist eine hohe Aktivität von Nagern (Maulwürfe, Mäuse) auf Almflächen oder Schipisten auch als Hinweis auf gute Pflege anzusehen (z.b. regelmäßige Düngung mit Stallmist) Waldwirkungen Über die Auswirkung der Stammzahlhaltung bzw. Nutzungseingriffen in Waldbeständen auf den Gebietsabfluss gibt es eine Vielzahl von Arbeiten. Grob vereinfacht lassen sich z.b. aus Hibbert (1967), Lee (1979), Hager (1988), Führer (1988), Swank et al. (1988) oder Breitsameter (1996) für den Einfluss von Eingriffen in Waldbeständen u.a. folgende Regeln aufstellen: Abflusssteigerungen sind umso größer, je mehr an Biomasse entnommen wird. Die Abflusssteigerung ist unmittelbar nach dem Eingriff am größten und nimmt in den Jahren nach der Behandlung nach einer logarithmischen Funktion ab. Behandlungseffekte wirken umso länger nach, je größer die Anfangsreaktion war. Abflusserhöhung nach Eingriffen wird primär bei Mittelwasser und Hochwasser spürbar. Bei Waldbeständen spielt neben dem Untergrund, der Artenzusammensetzung und eventuellen Zusatznutzungen der Überschirmungsgrad (ÜG) eine wichtige Rolle für die Abflussbereitschaft. Ist der ÜG reduziert (< 0,7), dominieren noch dazu Koniferen und ist die Deckung durch die Bodenvegetation unvollständig (< 70%), ist mit Ausnahme von skelettreichen Standorten von einer höheren Neigung zur Bildung von Oberflächenabfluss auszugehen. Bei ÜG unter 0,5 wird das Abflussverhalten zunehmend durch die Bodenvegetation und die Bodenverhältnisse bestimmt, die Waldwirkung (Interzeption, Brechung der kinetischen Energie des Niederschlages) tritt deutlich zurück. Führer (1988) hält fest, dass z.b. Hiebseingriffe in Buchenbeständen nur dann effektive Abflusssteigerungen bewirken, wenn die Bestockungsdichte deutlich unter den natürlichen kritischen Bestockungsgrad abgesenkt wird. Kritisch sind aber auch überbestockte (zu dichte Bestände) zu sehen. Neben schwach ausgebildeten Kronen und fehlender Bodenvegetation können Benetzungshemmende Substanzen in der Auflage einen Anstieg des Abflusspotentials bewirken Hydrophobie nach Austrocknung - Strohdacheffekt Im Laufe des Sommers ändern sich vielfach die Abflussbedingungen (Kohl und Markart 2002). Vor allem im Almbereich nimmt durch Weidegang die Bodendeckung ab (Vertritt), das Pflanzenwachstum lässt nach, der Anteil an Benetzungshemmender toter Substanz in der Auflage und in der obersten Bodenkrume nimmt zu. Der Bürstling (Nardus stricta) reichert tote Blattmasse an, diese Bestandesabfälle sind schwer zersetzbar und wirken wie ein Strohdach (Markart et al a, b; Markart et al. 1997, Markart et al. 2000). Beispielsweise kann auf Intensivweiden mit Bürstling, aber auch auf feinteilreichen Planien durch regelmäßige Zugaben von Stallmist die Bioturbation deutlich angeregt und dadurch der Abflussbeiwert um zumindest eine Klassenbandbreite reduziert werden (Markart et al. 1999, siehe auch Bewertungsschema für Bürstling-Rasen - Anhang 3). Durch extreme Belastungen, z.b. Überbestoßung oder Befahren mit schwerem Gerät, insbesondere bei feuchter Witterung, werden diese positiven Effekte der Düngung allerdings oftmals zunichte gemacht. Unter dichten Fichtenbeständen ohne Unterwuchs (z.b. langjährig nicht durchforstete Dickungen und Stangenhözer) können Moderhumusauflagen geringer bis mittlerer Mächtigkeit nach Trockenperioden stark hydrophob wirken (Markart und Kohl 2003). In Verbindung mit ausgeglichenem Kleinrelief wird die Bildung von Oberflächenabfluss begünstigt. Solche hydrophobe Effekte nach Austrocknung sind auch bei Bürstling- oder Rotschwingelrasen zu beobachten (Markart und Kohl 1995, Markart et al. 1996b, Markart et al. 1997). Anhaftende abgestorbene Blattscheiden und der hohe Streuanteil wirken in diesen Einheiten Benetzungshemmend und Abfluss erhöhend. Benetzungshemmende Wirkungen sind auch bei räumdig wachsenden Zwergsträuchern auf Trockenstandorten mit Moderhumus und / oder feinteilreichem Oberboden zu beobachten (z.b. Besenheide an Sonnexponierten Rücken und Kuppen). Solche Flächen spielen in Wildbacheinzugsgebieten in Bezug auf ihre Abflussrelevanz i.d.r. jedoch eine untergeordnete Rolle Einfluss der Vorfeuchte Der Abflussbeiwert bei Abfluskonstanz (Ψ const ) variiert in Abhängigkeit von der Vorbefeuchtung nur in geringem Maße, wie die Ergebnisse von Kohl und Markart (2003) deutlich zeigen. Hohe Vorbe-

20 BFW-Dokumentation ( ) 19 Foto: W. Gallmetzer Abb.4.3.1: Grabensysteme und Tiefenlinien an den Abhängen des Pfannhorns bei Toblach im Pustertal (I). Je steiler der Hang und je geringer die Deckung mit Zwergsträuchern bzw. hochstämmiger Vegetation, umso stärker wird die Ausbildung des Kleingerinnennetzes und der Grabensysteme. Foto: Dr. W. Gallmetzer, Sonderbetrieb für Bodenschutz, Wildbach- und Lawinenverbauung der Autonomen Provinz Bozen Abb.4.3.2: Einzugsgebiet des Riederbaches (rechtsufriger Zubringer des Gerlosbaches, Zillertal / Tirol): Dichtes (Klein)Gerinnenetz an Hängen mit ganzjährig hohem Wasserangebot - Hinweis auf hohen Oberflächenabfluss. Foto: Dr. H. PIRKL, Büro f. Geologie und Geoökologie, Gentzgasse, Wien Foto: H. Pirkl

21 20 Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes... feuchtung äußert sich aber in einer deutlichen Verkürzung der Anlaufzeit. Dies belegen erste Auswertungen von Starkregensimulationen bei denen die Bodenfeuchten an mehren Profilen in verschiedenen Tiefen gemessen wurde (Kohl in Vorbereitung, Markart und Kohl 2004). Mit sehr hohen Abflussspenden und raschem Anspringen ist auf Feuchtstandorten (Niedermoore, Feuchtwiesen, sekundär vernässte Flächen - z.b. Flächen mit nicht mehr gewarteten Be- und Entwässerungssystemen) zu rechnen. Diese Flächen sind mit Ausnahme längerer Trockenperioden i.d.r. zu einem sehr hohen Grad vorverfüllt. Extrem empfindlich auf hohe Ausgangsfeuchte (rasche Abflussbildung) reagieren Rasenstandorte und begrünte / planierte Flächen. Waldstandorte spiegeln diesen Effekt auf deutlich niedrigerem Niveau wider. Böden unter Zwergstrauchheiden (Alpenrose, Heidelbeere) weisen i.d.r. aufgrund der Rohhumusauflagen eine sehr ausgeglichene Bodenfeuchte und ein gutes Retentionsvermögen auf. Die Niederschlagspuffernde Wirkung der Zwergstrauchheide (Alpenrose) zeigte sich trotz weitgehender Wassersättigung an Standorten im Zillertal (Markart et al. 2001). Bei identer Vorbefeuchtung war der const mit 0,8 z.b. gegenüber einer vernässten Rasenfläche (const = 1,0) deutlich niedriger. Zudem wird aufgrund des vielschichtigen Aufbaues der Alpenrosenheide die Anlaufzeit gegenüber Rasenstandorten mit ähnlicher Vorbefeuchtung um mehrere Minuten verzögert Gerinnenetzdichte, Hangwasser Die Gerinnenetzdichte ist Ausdruck der geologischen Verhältnisse. So sind beispielsweise Böden aus der Mergelverwitterung oder anderen bindig verwitternden Gesteinen (Phyllite, Glimmerschiefer etc.) Wasser stauend und erodieren sehr leicht, der Oberflächenabfluss geht sehr rasch in Rinnenerosion über. Oft geben bereits die Geländeformen deutliche Hinweise auf das Abflussverhalten eines Standortes. An den Hängen des Pfannhorns bei Toblach (Abb.4.3.1), sieht man deutlich, dass im stark aufgelockerten Substrat bei zunehmender Hangneigung und abnehmendem Deckungsgrad der Vegetation die Zahl von Tiefenlinien und Gräben deutlich ansteigt (zwischen Graben Nr. 10 und Graben Nr. 5). Die an Graben Nr.5 anschließenden, mit Alpenrose bewachsenen und weniger geneigten Hänge zeigen dagegen ein deutlich schwächer ausgeprägtes Kleingerinnenetz. Kleingerinne und Gräben häufen sich in bzw. unter stark geneigten Hängen mit glatter Oberfläche, aber auch in Flanken mit starkem Hangwasserzug, Feuchtflächen und Moorkomplexen. Aus solchen Flächen sind meist sehr hohe Abflussspenden zu erwarten (AKl 5, 6), siehe Abb Indikatorfunktion der Vegetation, Feuchte- Zeigerwerte Vegetationseinheiten und -formen sind wichtige Indikatoren für die Standortsverhältnisse, insbesondere die vorherrschenden Feuchteverhältnisse und lassen somit Rückschlüsse auf die Abflussverhältnisse zu (Schauer 1992, Kohl 2000). Bei Kenntnis gehäuft vorkommender Pflanzen ist man gut in der Lage auch die Abflussverhältnisse des Standortes zu charakterisieren. Einige wichtige Indikatorpflanzen für Standorte mit entsprechender Abflussbereitschaft sind in Anhang 3 abgebildet. Die Einteilung der Zeigerwerte von Einzelpflanzen z.b. nach Ellenberg (1986), Ellenberg et al. (1991) oder Landolt (1977) sind für die direkte Anwendung in der Praxis (Zuordnung eines Abflussbeiwertes) zu eng gefasst. Darauf weisen auch die Ergebnisse der von Schauer (2002) nach vegetationskundlichen Kriterien ausgewerteten Starkregensimulationen des LfW hin. Sie ließen keine signifikanten Unterschiede für die Feuchtestufen tr (trocken) bis mf (mäßig frisch) erkennen. Für die Praxis ergibt sich daher die gegenüber den oben angeführten Autoren gestraffte Einteilung in Tab.4.4. Tab.4.4: Zeigerwertklassen der Bodenvegetation (nach Schauer 2002) mf f ff n trocken - mäßig frisch frisch sehr frisch - feucht sehr feucht - nass 4.5 Abflussbeiwertklassen Die Abflussverhältnisse der meisten alpinen Standorte unterliegen in Abhängigkeit von variablen Randbedingungen (saisonale Schwankungen der Bodenfeuchte, der Bioturbation; Verlauf der Vegetationsentwicklung, Art und Intensität der Bewirtschaftung etc.) starken Schwankungen. Daher ist die Angabe von Abflussbeiwerten nur in Form von