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Wasserwirtschaft
Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von hochwasserrelevanten Flächen
18/2006
Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von hochwasserrelevanten Flächen
Redaktion
Dr. Andreas Meuser Norbert Demuth
Autor
Dr. Simon Scherrer, Scherrer AG, Hydrologie und Hochwasserschutz, Stockackerstraße 25, CH-4153 Reinach
Bericht 18/2006 Mainz, November 2006
Impressum
Herausgeber: Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz (LUWG) Amtsgerichtsplatz 1 55276 Oppenheim
Titelbild: OberflächenabflussaufeinemWaldwegimPfälzerWald Dr. Ulrich Steinrücken, SOILUTION GbR 2004
Herstellung: LUWG
Auflage: 75Exemplare
© November 2006 Nachdruck und Wiedergabe nur mit Genehmigung des Herausgebers
Inhalt
Zusammenfassung 1
1 Einleitung 3
1.1 Ausgangslage 3
1.2 ZieleundAufbaudesBestimmungsschlüssels 4
2 Grundlagen zu den Abflussprozessen 5
2.1 Einleitung 5
2.2 Oberflächenabflussprozesse(OverlandFlow) 5HortonscheAbflussprozesse(HOF)1 5SaturatedOverlandFlowundReturnFlow(SOFundRF) 7
2.3 FließprozesseimBoden(SubsurfaceflowSSF) 7
2.4 IntensitätderProzesse 8
2.5 GegenseitigeBeeinflussungderAbflussprozesse 9
3 Vorgehensweise bei der Beurteilung von Flächen nach Abflussprozessen 10
3.1 Einleitung 10
3.2 Vorerkundung 103.2.1 ZusammentragenvonGrundlagendatenundHilfsmittel 103:2:2 GeländebegehungundAuswertungvonGrundlagenalsBestandteil
derVorerkundung 133.3 DetaillierteGeländeuntersuchungen 16
3.3.1 PlanungundDurchführungvonspezifischenFelduntersuchungen 163.4 ÜbertragungaufFläche(Punkt–Hang–Einzugsgebiet) 17
3.5 PlausibilisierungdesErgebnisses 18
4 Bestimmungsschlüssel zur Identifikation hochwasserrelevanter Flächen 19
4.1 Einleitung 19
4.2 Prozessbeurteilungs-Schemata(PBS) 194.2.1 Einleitung 194.2.2 PBSfürWiesenundWeiden 204.2.3 PBSfürAcker 304.2.4 PBSfürWald 30
4.3 DieKriterienderProzessbeurteilungundihreHerleitungamStandort 304.3.1 Einleitung 304.3.2 Vegetations-DeckungsgraddesBodens 304.3.3 VerschlämmungsneigungdesBodens 314.3.4 Hydrophobizität 324.3.5 Oberflächenrauigkeit 334.3.6 MakroporositätamBeispielvonWurmröhren 334.3.7 Packungsdichte(Dichteresp.VerdichtungderMatrix) 384.3.8 Matrixdurchlässigkeit 394.3.9 LateraleFließwege 404.3.10 Hydromorphie17 424.3.11 Geologie 42
5 Zusatzuntersuchungen im Feld zur Verifikation der hergeleiteten Prozesse 44
5.1 Einleitung 44
5.2 VersuchemitDoppelringinfiltrometer 44
5.3 VersuchemitKleinberegnungsanlage 44
5.4 EinsatzvonTracernbeiInfiltrometer-undKleinberegnungsversuchen 46
5.5 TracerversucheanHängen 47
6 Beispiele der Prozessbeurteilung auf verschiedenen Raum-Skalen 48
6.1 Einleitung 48
6.2 DieProzessbeurteilungamStandort 486.2.1 UnterlagenzurErhebung 48
6.3 DieProzesseamHangundimEinzugsgebietdesIdarbaches‚(Allenbach-Idaroberstein) 626.3.1 Einleitung 626.3.2 Prozess-Catena 626.3.3 AbflussprozesskartedesIdarbach-Einzugsgebiets 62
7 Literatur 67
Anhang 78
Anhang 1: Grundlagen zu den Abflussprozessen auf verschiedener Landnutzung 81
A: AckerbaulichgenutzteFlächen 81
B: Weinberg 82
C: Grünland 83
D AbflussprozesseimWald 84
Anhang 2: Weitergehende Untersuchungen zur Vorerkundung (Sauer & Harrach, 2002) 86
Vernässungsgrad 86
ZeigerpflanzenaufGründland 86
Nutzungsgrenzen 88
BefragungortskundigerPersonen 88
OptimalerZeitpunktderGeländebegehung 88
Anhang 3: Abflussreaktionskurven 90
Anhang 4: Fotodokumentation 91
Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte (Harrach&Sauer 2002, Kap. 4) 98
ErfassungvonGefügemerkmalen 98
FürdieBestimmungderPackungsdichtewichtigeGefügemerkmale 101
AbleitenderPackungsdichteausGefüge-undDurchwurzelungsmerkmalen 107
Anhang 6: Verschiedene Formulare zur Erfassung hochwasserrelevanter Kriterien 110
Vorwort
InnahezuallenGemeindechronikenundStadtgeschichtenfindensichBeispieleextremerHoch-wasserereignisse. Dies zeigt, mit Hochwasser ist überall und jederzeit zu rechnen. Wie die Historie aberauchzeigt,kommtinderFolgeeinesEreignissessofortdieDiskussionauf,wiedieseHochwas-serentstandensindundvonwelchenFlächenimEinzugsgebietbesondersvielAbflussstammt.DiescheinbareinfachenFragen,wievielWasserinfiltriert,wievielWasserhältderBodenzurückundwievielWasserfließtsofortab,sinddabeifürdieHochwasserentwicklungentscheidend.Nachwievoristesaberschwierig,verlässlicheAussagenhierüberzutreffen,umdaraufaufbauendwirksameMaßnahmen abzuleiten.
Zur Versachlichung der Diskussion bedarf es eingehender hydrologischer Kenntnisse der Hochwas-serentstehungvorOrt.DiesgiltinallenMaßstabsebenen,vonkleinenbishinzukomplexen,groß-enEinzugsgebieten.UmhiereineLückezuschließenwurdeimAuftragderWasserwirtschaftsver-waltungRheinland-Pfalzein„BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen“inkleinenEinzugsgebietenentwickelt.MitHilfegeologischerundbodenkundlicherInfor-mationenundgestütztaufUntersuchungenimGeländekönnenEinzugsgebieteinTeilflächenun-terschiedlicher Reaktionsweisen gegliedert werden. Basierend auf diesen Kenntnissen lassen sich EntstehungsweiseundGrößevonHochwasserbessererklären.DieseräumlichdifferenziertenInfor-mationenüberdiedominantenAbflussprozesseerlaubeneinerealistischeEinschätzungderAbflüsseausextremenNiederschlägen.
Im Rahmen eines Interreg III B Projektes WaReLa (Water Retention by Land Use) wurde das Ver-fahreninmehrerenkleinenEinzugsgebietenerfolgreichgetestet.DerAufwandderartigerUnter-suchungenlässtsichjedochhäufignurfürkleineGebieteundkonkreteProjekterechtfertigen.Fürmeso-skalige Betrachtungen kommen vereinfachte Verfahren auf Grundlage vorhandener digitaler Daten(Boden,Reliefetc.)zurAnwendung.AberauchdafürwerdendieErgebnisseregionalerDe-tailkartierungennachderhiervorgestelltenMethodikzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlä-chenbenötigt.DieseflächenhaftenInformationenüberdiedominantenAbflussprozessewerdendieGrundlagenfürdiehydrologischeModellierunginHinblickaufdieBewertungvonextremenNie-derschlag-Abfluss-EreignisseninkomplexenEinzugsgebietendeutlichverbessern.EntsprechendeArbeiten hierzu sind im Gange.
Mainz, Oktober 2006
Sven Lüthje
Abteilung Wasserwirtschaft
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 1
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
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Zusammenfassung
BeiStarkregentragenFlächenjenachihremAufbau(Landnutzung,Geologie,Böden,Relief)un-terschiedlichstarkzumAbflussunddamitzumHochwasserbei.Aufun-odergeringdurchlässigenFlächenbeispielsweiseentstehtsofortoderleichtverzögertAbfluss,währendaufFlächenmitdurch-lässigenundtiefgründigenBödenvielWasserinfiltriertundzurückgehaltenwerdenkann.DasZu-sammenspielderAbflussreaktionvonTeilflächenunterschiedlicherAbflussbereitschaftentscheidetschliesslich,wievielWasserabfließtundwiegroßdieHochwasserwerden.Zubeurteilen,wiestarkdieAbflussreaktioneiner(Einzugsgebiets-)Teilflächeist,setztdieKenntnisseüberdiebeiHoch-wasserablaufendenAbflussprozessevoraus.DieseKenntnisseermöglichenzuentscheiden,obeineFlächehochwasserrelevantist–alsostarkzumHochwasserbeiträgt–odernicht.Dervorliegende“BestimmungsschlüsselzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächen”legtein“Rezept”vor,wiesolcheFlächenzuermittelnsind.
ImKapitel2werdendieGrundlagenderAbflussprozessebereitgestellt.DerAblaufbeiderIdentifi-kationhochwasserrelevanterFlächenwirdimKapitel 3 aufgezeigt. Damit entschieden werden kann, obeineFlächeimHochwasserfallrelevantistodernicht,müssenKenntnisseüberdiedominantenAbflussprozessedurchAuswertungvonvorhandenenGrundlagenundmittelsFelduntersuchungengesammelt und erarbeitet werden. Die Vorgehensweise sieht das Zusammentragen von Grundla-gendaten,eineVorerkundungmiterstenGeländeuntersuchungenundeinedetaillierteStandortun-tersuchungvor.DieStandortuntersuchungenbefassensichhauptsächlichmitdenBödenundalsResultatwirdeindominanterAbflussprozesseermittelt.EinVorschlagfürdieÜbertragungdieserStandortuntersuchungenaufHängeundschliesslichaufganzeEinzugsgebiete(Up-Scaling)wirddis-kutiert.EswerdenTipsgegeben,woraufsichdieAbgrenzungderProzessflächenstützensollte.DieidentifiziertenAbflussprozessemüssenamEndeeinerPlausibilisierungunterzogenwerden.Eswer-denVorschlägeunterbreitet,wiedieProzessbeurteilunggeprüftundverifiziertwerdenkann.
Der Bestimmungsschlüssel wird im Kapitel 4 im Detail vorgestellt. Im Zentrum stehen die Pro-zessbeurteilungsschemata(PBS).AlsEntscheidungsbaumaufgebaut,beinhaltensiedieProzesskri-terien(key-points),welchedieAbflussprozessemaßgebendbeeinflussen.DieeinzelnenKriterienwerden im Kapitel4.3detailliertaufgeführtundVorschlägefürderenBeurteilunggegeben.DieBe-antwortung dieser Kriterien im PBS führt schliesslich zu dem an diesem Standort dominanten Ab-flussprozess.Damitlässtsichbeurteilen,obeineFlächehochwasserrelevantistodernicht.Zusatz-untersuchungen (Kapitel5)erlaubenes,bestimmteProzessezuverifizieren.ImKapitel6wirddieProzessbeurteilungaufverschiedenenräumlichenSkalengezeigt(ProzessbeurteilungamStandort,aneinerHangsequenzundineinemganzenEinzugsgebiet).
Der vorliegende Bestimmungsschlüssel versteht sich als Diskussionsgrundlage. Die praktische An-wendungwirdzeigen,woErgänzungennötigundVereinfachungeninderVorgehensweisemöglichsind.
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
0 Summary
Intensefieldstudiesonrunoffprocesseshavebeenperformedtoimprovetheknowledgeonfloodformation.Themeasurementsofoverland,subsurfaceflowandsoilwaterchangesduringsprinklerexperimentsyieldedgoodinformationtoidentifythedominantrunoffprocesses.Certainkey-pointscould be recognised, which play a cardinal role in runoff formation. The combination of such key-pointsservedtoexplaintherunoffphenomenaobservedontheinvestigationsites.Thisknowledgeprovidedthebackgroundtodevelopageneralusableguide-linetodefinefloodcontributingareasandfinallytoestimatefloodpeakflows.Thecentralpartofthisprocedureconsistsofaprocessdecisionscheme to indicate the dominant runoff process on plot scale. With additional effort such informati-on can be used to obtain a process map of entire catchments.
Chapter 1 gives insight into the goal and motivation for this guideline. A short introduction on runoff processes is given in chapter 2 and chapter 3 shows the procedure how to collect the necessary infor-mation on dominant runoff processes in a catchment. Details of the procedure are given in chapter 4. It’s shown how the different key-points have to be evaluated. Then a set of additional hydrological experimentsareshown,whichcanbeusedtoimprovetheevaluation(chapt.5).Inchapter6examp-lesofprocessidentificationsondifferentscalearegiven.
First applications of the guideline performed in micro- and meso-scale catchments in Rhineland-Pa-latinate(Germany)confirmedthesuitabilityofthistoolforpracticaluse.Thisguidelineforprocessidentificationcanbeconsideredasaproposalwhichmaybediscussed.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 3
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1 Einleitung
1.1 Ausgangslage
Nach einem großen Hochwasserereignis kommt oft die Diskussion auf, wie ist dieses Hochwasser entstandenundvonwelchenFlächenimEinzugsgebietstammtebesondersvielAbfluss.DieseFra-gestelltsichineineretwasanderenFormauchbeiHochwasserabschätzungenfürdiePlanungvonHochwasserschutzmaßnahmen.DiescheinbareinfachenFragen,wievielWasserinfiltriert,wievielWasserhältderBodenzurückundwievielWasserfließtsofortab,sinddabeientscheidend.
NachwievoristdieVoraussage,wievielAbflussaufEinzugsgebietsflächenimStarkregenfallentsteht,schwierig.Dervorliegende„BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasser-relevantenFlächen“sollmithelfen,FlächenunterschiedlicherAbflussbereitschaftmitgeeignetenUntersuchungen zu erkennen. Damit sollen ein Beitrag zur Versachlichung der Diskussion über Hochwasserentstehung geleistet und die Grundlagen für die Planung von Hochwasserschutzmaßnah-men verbessert werden.
UmfangreicheForschungsarbeitenimThemenbereichAbflussprozessewurdenindenletztenJahrengeleistet(PESCHKEETAL.,2000;FAEH,1997;SCHERRER,1997;IHW,2000;LEIBUNDGUTUNDUHLENBROOK,1997).WenigeAutorenhabenbisherversucht(PESCHKEETAL.,2000,LÖHMANNSRÖBEN,2000;BOORMANATAL.,1995,IHW,2000)vonverfügbarenInformati-onenaufeinefundierteAussageüberdieAbflussprozesseresp.dieAbflussreaktionzugelangen.DieArbeitenvonBOORMANATAL.,1995(HydrologyofSoilTypes)oderERNSTBERGER,2000undCARSON, 2000 zeigen deutlich, wie schwierig es ist, von bodenkundlichen Informationen (Boden-geneseresp.Bodenfruchtbarkeit)aufhydrologischeresp.abflussrelevanteAussagenzugelangen.
Der hier entwickelte Bestimmungsschlüssel baut auf den umfangreichen Untersuchungen des In-stitutsfürHydromechanikundWasserwirtschaft(IHW)derEidgenössischenTechnischenHoch-schuleZürichauf.DarunterwurdeneineVielzahlvonEinzugsgebietennachihrerAbflussreaktionkartiert(z.B.NAEFETAL.,1999),soauchdreiEinzugsgebieteinRheinland-Pfalz(IdarbachbeiAllenbach,Sulzbach/Sulzhof,KatzenbachbeiSt.Katharinen/BadKreuznach;IHW,2000).MitdemvorliegendenBerichtwirdversucht,dieverfügbarenErkenntnisseüberAbflussprozessezusammen-zufassenundHilfsmittelfürdieBeurteilungvonFlächenhinsichtlichAbflussprozesseundAbfluss-reaktion bereitzustellen.
Im zweiten Kapitel dieses Berichts werden in Anlehnung an IHW, 2000 die Grundlagen zu den Ab-flussprozessendargelegt.ImdrittenKapitelwerdendieArbeitsschrittebeiderAnwendungdesBe-stimmungsschlüsselsaufgeführt.Eswirdgezeigt,welcheHinweiseaufAbflussprozesseausGrund-lagenundeinererstenFeldbegehunggezogenwerdenkönnen.DenKernderArbeitbildetdasvierteKapitel, in dem die Prozess-Beurteilungsschemata (PBS) für intensive und weniger intensive Nie-derschlägedargestelltunddieeinzelnenKriterien(key-points)behandeltwerden.UmeineobjektiveBeurteilungderKriterienzugewährleisten,werdendortmethodischeHilfenaufgezeigtunddisku-tiert.ZusatzuntersuchungenzurVerifikationderProzessewerdenimKapitel5aufgeführtundihreAussagekraftdiskutiert.BeispielederProzessbeurteilungamStandortundganzerEinzugsgebietewerdenimsechstenKapitelpräsentiert.
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4 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
1.2 ZieleundAufbaudesBestimmungsschlüssels
DerLeitfadendientderErmittlungmaßgebenderAbflussprozesse(hochwasserrelevanterFlächen)inEinzugsgebieten.Damitlässtsicherkennen,welcheFlächenineinemEinzugsgebietstärkerzumAbflussbeitragenundwelcheweniger.DieseKenntnisseerlaubenaucheineBeurteilungderAbfluss-bereitschaftvonEinzugsgebietenalsGrundlagefürHochwasserabschätzungen.ZudemlässtsichsodieWirkungvonLandnutzungsänderungenaufHochwasserschutzabflüsse(VerbesserungdesGe-bietsrückhalts,sieheNAEFETAL.,2002)einschätzen.
EinezentraleRolleimBestimmungsschlüsselspielendieProzessbeurteilungsschemata(PBS).Die-seerlauben,diejenachBodenaufbau,unterschiedlichenAbflussprozessenzuermitteln.DieaufdieNutzungsartenWiese/Weide,AckerlandundRebhängeausgelegtenPBSsindalsEntscheidungs-bäumeaufgebaut,wobeidiewichtigenBoden-oderGeländemerkmale(Prozesskriterienoder„key-points“)dieBausteinebilden.BeiderAnwendungderSchematabestehtdieAufgabedarin,zuent-scheiden, welche Kriterien erfüllt sind. Grundlagen dazu sind Feldarbeiten mit dem Schwergewicht aufbodenkundlichenFeldaufnahmen.MitzusätzlichenhydrologischenFelduntersuchungen(z.B.Infiltrometer-undKleinberegnungsversuchemitundohneFarb-Tracer)lässtsichdieBeurteilungüberprüfen.
DiesesVorgehenerlaubtzubeurteilen,wieAbflussentstehtundobeineFlächebeiStarkniederschlä-gensofort,leichtverzögert,starkverzögertodersehrstarkverzögertzumAbflussbeiträgt,d.h.inwelchemMaßsiehochwasserrelevantist.ZurQuantifizierungdertatsächlichbeiHochwasserauf-tretendenAbflüssesindallerdingsweitereArbeitennotwendig.DieUmsetzungdieserräumlichdif-ferenziertenInformationüberdieAbflussbildungineineAbflussreaktioneinesganzenGebietskannmitHilfeeinesNiederschlag-Abflussmodellserfolgen.InIHW,2000undNAEFETAL.(2002)wur-denfürdreiEinzugsgebieteinRheinland-PfalzAbflussberechnungenaufderBasisderhochwas-serrelevantenFlächenangestellt.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 5
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2 GrundlagenzudenAbflussprozessen
2.1 Einleitung
AbflusskannaufverschiedeneArtenentstehen.ImfolgendenwerdendiewichtigstenProzesseauf-geführt,dieinnatürlichenEinzugsgebietenzuAbflussführen.DieseProzessesindinAbbildung2/1an einem Hang dargestellt. Dabei werden die englischen den deutschen Begriffen vorgezogen, da z.T. adäquatedeutscheÜbersetzungenfehlen.DieGrundlagenzudenAbflussprozessenwurdedemBe-richt(IHW,2000resp.SCHERRER,1997)entnommenundstellenweiseergänztundaufdieheutigeTerminologie angepasst.
DerInfiltrationsprozessistfürdieArtdesAbflussesentscheidend.KannnurwenigWasserindenBodeninfiltrieren,werdenOberflächenabflussprozesseinGanggesetzt.DringtWasserindenBodenein,kannesvorübergehendimBodenoderlängerfristigimGrundwassergespeichertwerdenoderaberrelativschnellalsunterirdischerAbflussprozesszumAbflussbeitragen.
2.2 Oberflächenabflussprozesse(OverlandFlow)
Hortonsche Abflussprozesse (HOF)1
Horton(1933)gingdavonaus,dassOberflächenabflussentsteht,wenndieNiederschlagsintensitätdiemomentaneInfiltrationsratedesBodensübersteigt(InfiltrationExcessOverlandFlow).DiesistvorallembeiundurchlässigenoderschwachdurchlässigenBödenderFall.HierwerdeninderFolgeso-fortiger(HOF1)undverzögerter(HOF2)HortonischerOberflächenabflussunterschieden.
Absolute Hortonian (HOF1) und Delayed Hortonian Overland Flow (HOF2)
WenndieNiederschlagsintensitäthochundderBodenwenigdurchlässigist,kannbereitskurznachNiederschlagsbeginnkaummehrWasserindenBodeninfiltrieren,undesbildetsichOberflächenab-fluss,deralsAbsoluteHortonianOverlandFlow(HOF1)bezeichnetwird.
WenndieNiederschlagsintensitätgeringeroderderBodendurchlässigerist,sokannderBodenvor-erstsämtlichesWasseraufnehmen.AufgrundderzunehmendenBefeuchtungdesBodensnimmtdieInfiltrationsratejedochab,undesentstehtzeitlichverzögerterOberflächenabfluss,deralsDelayedHortonianOverlandFlow(HOF2)bezeichnetwird(Bergsma,1983).
Temporary Hortonian Overland Flow (THOF)
Oberflächenabfluss,deraufgrundzeitweiligerInfiltrationshemmnisseimOberbodenentsteht,wirdalsTemporaryHortonianOverlandFlowbezeichnet.InfiltrationshemmnissekönnenbeistarkerAus-trocknung durch den Benetzungswiderstand der Bodenpartikel oder durch chemische Substanzen in hydrophobenHumusformenentstehen(Burchetal.,1989;Holzhey,1969;Doerretal.,2000).
Abbildung2/1:Abflussprozesse(nächsteSeite)
Fußnoten finden Sie im Anschluß an den Text auf Seite 84 ff
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Abb. 2/1: Abflussprozesse an einem Hang (SCHERRER, 1997).
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Saturated Overland Flow und Return Flow (SOF und RF)
Saturated Overland Flow (SOF), Gesättigter Oberflächenabfluss
DieseFormdesAbflussesentsteht,wennnachSättigungdesBodenprofilsdessenSpeicherkapazitäterschöpftist.Böden,dieraschgesättigtsind,lösenSOF1aus,BödenmitgrößeremSättigungsdefi-zitSOF2oderSOF3.JedeweitereWasserzugabefließtunabhängigvonderNiederschlagsintensitätoberflächlichab(KirkbyundChorley,1967).
Return Flow (RF)
IndenBodeninfiltriertesWasser,dasnacheinerkurzenFließstreckewiederanderOberflächeer-scheint,wirdalsReturnFlowbezeichnet(DunneundBlack,1970).DasWasserkannkonzentriertausbevorzugtenFließwegenwiePipesoderMakroporenaustreten,oderdiffusalsFolgevonGefälle-wechseln im Hang oder als Folge des Ausstreichens von Verdichtungshorizonten.
2.3 FließprozesseimBoden(SubsurfaceflowSSF)
DurchdringtdasNiederschlagswasserdieOberflächenschichtunddringtesindenBodenein,sokanndasWasserinderBodenmatrixgespeichertwerden,oderessickertbiszueinemallfälligvor-handenenGrundwasserkörper.DasWasserbewegtsichentwederkapillarindenPorenderBoden-matrix(Mikro-oderFeinporen(d<0.2µm)undMeso-oderMittelporen(d=0.2-10µm)odernicht-kapillaringrößerenMakroporen(Grobporen).BödenbestehenausverschiedenenHorizontenvonunterschiedlicherDurchlässigkeit.SokannineinemgutdurchlässigenBodenhorizont,derübereinerwenigerdurchlässigenodergarundurchlässigenSchichtliegt,lateralerAbflussentstehen.
ImFolgendenwerdensechsverschiedeneFormendesWasserflussesimBodenunterschieden.
Matrix Flow, Matrixfluss
BeimMatrixFlowbewegtsichdasWasserdurchdieMikro-undMesoporenderBodenmatrix,be-einflusstdurchdieherrschendenDruckunterschiedeundderKapillarspannung.DieGeschwindig-keitderWasserbewegunghängtvonderlokalenDurchlässigkeitdesBodensab,dievonKörnung,PorositätundvomlokalenPotentialgradientbestimmtwird.
Macropore Flow, Fluss durch Makroporen
DerMacroporeFlowunterliegtnurderSchwerkraftundkannvertikal(InfiltrationoderTiefensicke-rung)oderlateralerfolgen.MakroporenentstehendurchWurzelgänge,AktivitätvonBodentieren(Regenwürmer,Ameisen,Mäuse,Maulwürfeetc.),SchrumpfrisseundKlüfteinfolgephysikalischerProzesse(Austrocknung,Verwitterung,Frost,etc.).DerEinflussvonNiederschlagsintensität,Vor-feuchtederBodenmatrixundWasseraustauschzwischenMakroporenundumliegenderBodenma-trixsindGegenstandintensiverForschungen.Sicheristjedoch,dassdieMakroporen,obwohlsienur0.2bis5%desGesamtbodenvolumensausmachen,aufgrundihrerhohenhydraulischenLeitfähigkeitundderAusbildungvonBypassFlowinkurzerZeitbedeutendeWassermengentransportierenkön-nen.IndenMakroporen(d=0.01-10mm)könnenFließgeschwindigkeitenbiszu2cms-1auftreten(Mosley,1982).DieGeschwindigkeitenhängenvomAufbauderBöden,ihrerFeuchteundderBe-schaffenheit der Makroporen (Durchmesser, Topologie sowie Interaktion mit der umgebenden Ma-
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Abb. 2/1: Abflussprozesse an einem Hang (SCHERRER, 1997).
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
8 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
trix)ab.DerFlussindenMakroporenkannimGegensatzzumkapillarenFließeninderBodenmatrixbedeutendzurAbflussspitzeinVorfluternbeitragen(Wilsonetal.,1990;Mosley,1979),daschnelleunterirdischeAbflussprozesseinduziertwerdenkönnen.Makroporenkönnenaberauchhochwas-serverminderndwirken,wenndurchdieMakroporendieInfiltrationerhöhtwirdunddasWasserimBoden oder im geologischen Untergrunde gespeichert werden kann.
Pipe Flow, Fluss durch Bodenröhren
KonzentrierterlateralerAbflussimBodenkanninnatürlichentstandenenPipes(Röhren,d>10mm)erfolgen.DieEntstehungsolcherHohlräumegehtaufFeinmaterial-Auswaschungen,aufabgestor-beneundverwesteWurzelnsowieaufvonBodentieren(z.B.Mäusen)verursachteHohlräumezu-rück.EineklareGrenzezwischenMakroporenundPipesgibtesnicht;oftwerdenPipesauchzudenMakroporengezählt.WasserflüsseinPipesentstehen,wiebeiMakroporen,wennderNiederschlags-inputgrößeralsdieVerlusteandieMatrixist.ObPipeFlowauftritt,hängtauchvonFeuchteundDurchlässigkeitderumgebendenMatrixab.OfttrittdasWasseralsoausPipesanUnterhängen,Ge-fälleknickenundStellen,woeinWechselderBodeneigenschaftenauftritt,wiederandieOberfläche.DieseErscheinungwirdReturnFlowgenannt.
Flow in Highly Permeable Layers, Fluss in hoch durchlässigen Schichten
ÜberFelsoderschwachdurchlässigenSubstratenkönnendurchflächigereAuswaschungvonFein-materialhochdurchlässigeSchichtenentstehen.Mosley(1982)stelltesolcheSchichteninbewal-detenHangbödenfest.ImZusammenwirkenmitHohlräumenverwesterWurzelnvermögendiesegutdurchlässigenSchichtendasWasseralsSubsurfaceFlowschnelldurchdenBodenzuleiten.
Groundwater Flow, Grundwasserabfluss
AuchdasimUntergrundangesammelte,dieHohlräumederLockersedimenteundGesteinefüllendeGrundwasserkannuntergewissenUmständenzumHochwasserabflussbeitragen.Voraussetzungisteine“ungehinderte”VerbindungzwischenOberfläche,GrundwasserundVorfluter.ZweiKonzeptewurdenentwickelt,umdiesenAbflussprozesszuverstehen:GroundwaterRidgingundPistonFlow.EinedetaillierteProzessbeschreibungunddieBedeutungderMechanismenfürdieHochwasserent-stehunggibtLeibundgutundUhlenbrook(1997).
Deep Percolation (DP), Tiefensickerung
IndenBodeninfiltriertesWasserkann,soferndiegeologischeUnterlagedurchlässigist,indiesewei-tersickern,entwederalsMatrixflowoderauchalsFlowalongPreferentialPathways.
2.4 IntensitätderProzesse
Tabelle2/1zeigtdieverschiedenenAbflussprozesseimÜberblickundihreEinteilunginAbflusstypen.AnalogzudenOberflächenabflüssenwirdauchderFließprozessimBodenjenachIntensitätundEin-flussaufdieHochwasserentstehunginverschiedeneKlasseneingeteilt.DieserfolgtaufgrundderReaktionszeitunddesAnsprechverhaltensdesentstehendenAbflussesinsofortige,leichtverzögerteundstarkverzögerteAbflussreaktion.
DieIntensitätsabstufunggiltnurinnerhalbeinerProzessgruppeundistzwischendenGruppennichtvergleichbar.RascherAbflussimBoden(z.B.alsFolgevonPipeFlow,BypassFlowoderFlussin
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hochdurchlässigenSchichten)wirdalsSSF1eingestuft;leichtverzögerterAbflussalsSSF2undstarkverzögerterAbflussalsSSF3.
JenachihrerStärkewerdendieAbflussprozesseinsog.Abflusstypeneingeteilt(Tab.2/1).DieStärkederAbflussbildungwirdmittelsAbflussreaktionskurvenangegeben,diedenAnteildesabfließendenNiederschlagesinAbhängigkeitderNiederschlagssummebeschreiben(Anhang3).
Tab.2/1: AufteilungderAbflussprozesseinverschiedeneIntensitätsklassen(IHW,2000)
Fließ-weg
Prozessgruppe Abk. IntensitätdesAbflussprozesses Abflusstyp
Hortonscher Oberflä-chenabfluss
HOF1 Sofortiger Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen
1
HOF2 Leicht verzögerter Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen
1
Ober- fläche
Gesättigter Oberflä-chenabfluss
SOF1 Sofortiger Oberflächenabfluss als Folge sich schnell sättigender Flächen
1
SOF2 Verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich sättigender Flächen
2
SOF3 Stark Verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich langsam sättigender Flächen
4
Unter- irdisch
Laterale Fließprozesseim Boden
SSF1 Rascher Abfluss im Boden 2
SSF2 Verzögerter Abfluss im Boden 3SSF3 Stark verzögerter Abfluss im Boden 4
Tiefensickerung DP Tiefensickerung in geologische Schichten 5
2.5 GegenseitigeBeeinflussungderAbflussprozesse
GleicheAbflussprozessebenachbarterStandortekönnenzueinergrößerenFlächedesgleichenAb-flussprozesseszusammengefasstwerden.ZuberücksichtigensindjedochgegenseitigeBeeinflus-sungen.SokönnenobenaneinemHangablaufendeAbflussprozessedieVorgängeuntenamHangbeeinflussen,vorallem,wennimoberenTeilderHängestärkerwirksameAbflussprozessealsimmittlerenoderunterenTeilderHängestattfinden(SOF1,SSF1,HOF1).DamitändertsicheinlokalerAbflussprozessdurchdieBeeinflussungvonbenachbartenFlächen.
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3 VorgehensweisebeiderBeurteilungvonFlächennachAbflussprozessen
3.1 Einleitung
Abbildung3/1zeigtdasAblaufschemazurErmittlungdermaßgebendenAbflussprozesse.
Im ersten Schritt werden die Grundlagendaten zusammengetragen (Kap. 3/2 und IHW, 2000, Kap. 2.3). In der Vorerkundung erfolgt eine Gebietsbesichtigung und eine erste Auswertung von Grund-lagendaten,dieeineAbgrenzunghinsichtlichBoden,Geologie,LandnutzungundReliefähnlichauf-gebauterGebieteermöglicht.JenachGütederGrundlagendatenvariiertderdarauffolgendeArbeits-aufwand. Fehlt beispielsweise eine Bodenkarte in einem angemessenen Maßstab, muss zuerst ein bodenkundlicherÜberblickerstelltwerden.DaeineräumlichdifferenzierteProzessbeurteilungdasZielist,sindBodenkartenimMaßstab1:25.000oderineinemgrößerenMaßstabnotwendig(Bo-denkartenderLandesämter).DieErfassungvonErscheinungenimGelände(Geländebegehung),dieunmittelbaroderimweiterenSinneHinweiseaufAbflussprozesseliefern(Gerinne,Vernässungsare-ale,Quellen,ProzessspurenwieErosions-undAblagerungsspurenu.a.),istauchimArbeitsschrittderVorerkundungsinnvoll(Kap.3.2.2).JenachInformationsdichtekönnenprovisorischeProzessarealeabgegrenzt werden. Anhand der Resultate der Vorerkundung wird entschieden, wo detaillierte Stand-ortuntersuchungenstattfindensollen(Kap.3.3.1.1).
Die Untersuchungen im Feld bestehen aus einer Standortkartierung sowie der Aufnahme von Bo-denprofilen(Abb.6/1).DiesermöglichteineersteEinschätzungdesmaßgebendenAbflussprozessesmit dem Prozessbeurteilungsschema.(PBS) Sind die im PBS enthaltenen Kriterien eindeutig zu be-urteilen, ist die Prozessevaluation am Standort abgeschlossen. Treten hingegen bei der Beurteilung Unsicherheitenauf,lohntessichzusätzlicheUntersuchungen(Infiltrometeruntersuchungen,Tra-certests u.a.) vorzunehmen. Nach Auswertung der FelduntersuchungenwirddanneinedefinitiveProzessbeurteilungvorgenommen.DieStandortuntersuchungenwerdendannaufdieFlächeübertra-gen.AbschließendsolltediesoerarbeiteteProzesskarteresp.KartenderabflussrelevantenFlächeneiner Plausibilisierung unterzogen werden.
3.2 Vorerkundung
3.2.1 Zusammentragen von Grundlagendaten und Hilfsmittel
Die Grundlagendaten und Hilfsmittel zur Prozessbeurteilung werden hier kurz aufgeführt. In IHW, 2000 (Kap. 2.3) wurde die Aussagekraft dieser Hilfsmittel ausführlich diskutiert.
• Bodenprofile,• Bodenkarten, • Bodenschätzung,• Topographische und geomorphologische Karten,• PflanzensoziologischeKarten,
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• Geologische, hydrogeologische (Versickerungs- oder Grundwasserkarten), geotechnische und geo-ökologischeKarten,Sondierprofile,Versickerungstests,
• Digitale Karten (ATKIS), • Forstliche Standortkartierung, • Luftbilder und Fernerkundungsdaten, • Dränagepläne.JebesserderAufbaudesGebietsdemBearbeiteroderderBearbeiterinvertrautist,destorascherundfundierter werden die folgenden Beurteilungen ablaufen. Informationen über Vegetation und Land-nutzung, Bodengeographie, wichtigste Bodenkennwerte, Geomorphologie und Geologie werden aus GrundlagendatenoderdurcheigeneErhebungenzusammengetragen.WichtigsindInformationen,dieimZusammenhangmitdemAbflussprozessresp.derHochwasserentstehungstehen.
Die Tabelle 3/1 gibt eine Zusammenstellung von wichtigen Informationen aus verschiedenen Be-reichen wieder.
Tab.3/1: InformationenfürdieVorerkundungausGrundlagendaten,welchefürdieBeurteilungvonFlächennachderAbflussprozessenwichtigseinkönnen.
Bereich InformationenLandnutzung Räumliche Verteilung der wichtigsten Nutzungsarten (nach ATKIS), Angaben über Nut-
zungsintensität;Vegetation Räumliche Verbreitung von Pflanzengesellschaften mit Zeigereigenschaften (Feuchte-
oder Nässezeiger);Boden Räumliche Verbreitung der Bodentypen, wichtige Bodenkennwerte wie Körnung,
Gründigkeit, Feuchtegrad (z.B. aus Bodenschätzung extrahieren (Sauer und Harrach, 1999), Durchlässigkeit u.a.;
Geologie Räumliche Verbreitung der geologischen Schichten, Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Stellung im Schichtverband;
Relief Ausgestaltung des Reliefs (extreme Steilhänge, sanfte Hänge, Flachbereiche), Spuren, welche auf hydrologische Prozesse hindeuten (Rutschungen, Gleitbewegungen an Hängen, Rinnen, Ablagerungen etc.);
Hydrogeologie, Hydrographie, Prozessspuren
Vorkommen von Grund- oder Hangwasser, Quellen, Nass- oder Feuchtareale, Gerinne-dichte, ephemere, intermittierende Gewässer, Hinweise auf Fließwege, die bei Hoch-wasser aktiv sind, Spuren von fließendem Wasser (Auswaschungen, Erosionsspuren, Ablagerungen von Geröll oder Feinmaterial etc.), Entwässerungen (Dränagen) etc.
MitdiesenInformationenlassensichimGebietunterschiedlichaufgebauteFlächenerkennenunder-steRückschlüsseaufdieAbflussprozesseziehen.EventuellistbereitsdieersteAbgrenzungvonPro-zessarealenmöglich.DiesistwichtigfürdieFestlegungderUntersuchungsstandorte.
Abbildung3/1:Vorgehensweise(nächsteSeite)
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1� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Grundlagen zusammentragen: Geologische,hydrogeologische, bodenkundliche,topographische Daten und Karten,Bodenschätzung,Landnutzung (ATKIS), Luftbilder,
Erste Vorerkundung(Gebietsbesichtigung)Mögliche Repräsentativflächen bestimmen,Planung Feldkampagne mit Fest-legung der Untersuchungsstandorte
Aufnahme der Standorte und Boden-profile nach massgebenden Kriterien,
Erste Einschätzung gemäss PBS undBeurteilung des Abflussprozesses,
Festlegung allfälliger Zusatz-untersuchungen,
Zuhilfenahme weiterer Daten,
Definitive Festlegung der Abflussprozesse,
Übertragung der Standortergebnisseauf grössere Flächen,
Vorerkundung:
Untersuchungen im Feld:
Auswertung der Felduntersuchungen:
Plausibilisierung der Ergebnisse:
Abb. 3/1: Vorschlag für die Vorgehensweise bei der Anwendung des Bestimmungsschlüssels.
Überschlägige Abflussberechnungen,Vergleich zu beobachteten historischen Hochwasser etc.
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3.2.2 Geländebegehung und Auswertung von Grundlagen als Bestandteil der Vorerkundung
ImRahmenderVorerkundungsollteaucheineGeländebegehungdurchgeführtwerden,ummitver-hältnismäßiggeringemAufwandwichtigehochwasserrelevantePhänomeneoderHinweisezuermit-teln.Sauer&Harrach,2002habeneinfürdiesenBestimmungsschlüsselspezifischesKonzeptei-nerstandort-bodenkundlichenGeländebegehungvorgelegt.TeilediesesKonzeptssindimfolgendenberücksichtigt.DeridealeZeitpunktfürdieGeländebegehungliegteherimFrühling.NacheinemWintermitSchneeschmelzeundausgiebigenNiederschlägenlassensichProzessspurenbesondersgut beobachten (Anhang 4, Foto 21).
a) Verschlämmung
Definition und hydrologische Relevanz
UnterVerschlämmungverstehtmandasZerfließendesBodensaufgrunddesNiederschlags,wodurcheinerseits Strukturelemente (Aggregate und Makroporen) bei hohem Wassergehalt und bei geringer Gefügestabilitätzerstörtwerden.AndererseitsbewirktdieWuchtderTropfeneinesGewitternieder-schlags, dass ungeschützte Bodenaggregate zerschlagen werden (vgl. auch Anhang 1, Anhang 4 Foto 1-4). Der Benetzungsvorgang kann auch zur Luftsprengung von Aggregaten führen, wenn aufgrund deshohenSchluffgehaltsderZusammenhaltgeringist.TonarmeschluffreicheBöden,z.B.lessivierteLößbödenverschlämmenleicht.VerschlämmungenkönnendieInfiltrationvermindernundführenzwangsläufigzuOberflächenabfluss(HOF)undBodenerosion.2
Kartierung
DieBeurteilungdesVerschlämmunggradesistimAbschnitt4.3.3abgehandelt.
b) Erosion
Definition und hydrologische Relevanz aktueller und historischer Erosionsformen
BodenerosiondurchWasseristdiedurchdenMenschenermöglichteunddurchnatürlicheProzesseausgelösteVerlagerungvonBodendurchWasser(DVWK,1996).Hydrologischinterpretierbareak-tuelleErosions-(Anhang4,Foto4)sowieAblagerungsformen(Anhang4Foto2)sindaufAcker-oderWeinbergflächengutzuerkennen.FlächenhafteAbtragsformenkönnenanVerspülungen(Abtragstie-fe<2cm)erkanntwerden.LineareAbtragsformenzeigensichalsRillenmitTiefenvon2bis10cm,alsRinnenmitTiefenvon10bis40cmundeigentlichenGräbenmitmehrals40cmTiefe.
Aktuelle ErosionsformensindFolgevonVerschlämmungundBeweisfürmassivenOberflächenab-fluss(HOFoderSOF)oderReturnFlow(RF).RezenteErosionsformenbildenaufAckerflächenoftdieeinzigenerfassbarenHinweiseaufAbflussprozesse.Allerdingsisteswichtig,dieUrsachenvonOberflächenabflusszueruieren(z.B.Fahrspuren,EntwässerungswasservonFahrwegen,etc.),umkeine falschen Schlüsse zu ziehen.
Kartierung
DiekartiertenErosionserscheinungen(flächenhafteundlineareAbtragsformensowieeindeutigeAk-kumulationszonen)solltenparzellenscharfinmöglichstgroßmaßstäblicheKartenübertragenwer-den.
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Historische Erosionsformen sind Hohlwege, Schluchten, Gerinne, Dellen oder Stufenraine und wei-senauffrüherenOberflächenabflusshin(vgl.Anhang4,Foto5).HistorischeErosionsformensindimLuftbildoderaufKartengutzuerkennen.BesondersinLößlandschaftenlässtsichderErosionsgradderBödenauchschonimRahmeneinerGeländebegehunggrobeinstufen.
c) Nassstellen
Definition und hydrologische Relevanz
VernässteBödenzeichnensichdurchanhaltendenoderzeitweiligenLuftmangelimWurzelraumaus.Beistarken,längeranhaltendenVernässungenbildensichimBodenHydromorphiemerkmale.DerLuftmangelführtzuWachstums-undEntwicklungsstörungenderKulturpflanzen.
Großflächige,langanhaltendvernässteBödenwerdennichtalsAcker,sondernalsGrünlandgenutzt,esseidenn,siewurdendurchgeeigneteEntwässerungsmaßnahmenmelioriert.DasAusstreichenun-durchlässigerSchichtensowieabrupteÄnderungenderHangneigungkönnenzueinemganzjährigenodertemporärenWasseraustrittführen(ReturnFlow,RF).BeiBächenmitnatürlichenUfernoderFlanken lassen sich z.T. Wasseraustrittsstellen beobachten, die auf SSF (od. RF) zurückzuführen sind. NassstelleninPlateaulagensindmeistaufStaunässezurückzuführen.
Kartierung
FolgendeHinweisekönnenimZusammenhangmitVernässungenerfasstwerden:Oberflächenwasser,Bodenfarbe(nurAcker),KonsistenzdesBodens(nurAcker),Befahrbarkeit,Begehbarkeit,Entwick-lungsstörungenbeiKulturpflanzen(nurAcker),Pflanzengesellschaft,Zeigerpflanzen(z.B.Feuchte-zeigernachEllenberg).EinBeurteilungsschlüsselistimAnhang2(Tab.1)angegeben.
d) Relief
Definition und hydrologische Relevanz
AusdemRelieflassensichz.T.direktHinweiseüberAbflussprozesseersehen,oderindirektsindausdem Relief Gegebenheiten abzuleiten, die Voraussetzung für bestimmte Prozesse sind.
ZumeinenlassensichbevorzugteFließwegevonOberflächenabflussermitteln(Mulden,Rinnen,Ge-rinnedichte etc.). Zum andern kann mit der Auswertung von topographischen Karten, aufgrund der SteilheitderHängeundKenntnissenüberdasAusgangsgesteinHinweiseüberdiemöglicheBoden-mächtigkeitgewonnenwerden(VoraussetzungfürSSF).EsistauchmöglichausdenmitHöhenli-niendargestelltenGeländeformationeninKombinationmitdemGerinnenetz,Kenntnisseüberre-zentoderinderVorzeitabgelaufeneAbflussprozessezugewinnen.
Kartierung
DieInterpretationderHöhenlinienmöglichstgroßmaßstäblicherKarten(z.B.TK10V)ermöglichteineersteÜbersichtüberdasUntersuchungsgebietundeineVorauswahlpotenzieller,hydrologischbedeutsamer Reliefpositionen. Die Interpretation von Neigungsstufenkarten (DHM) bzw. reliefana-lytischerarbeitetergeomorphografischerKarten(s.a.Leser&Klink1988)kannu.U.dabeihilfreichsein. Die Tabelle 3/2 stellt eine Auswahl wichtiger Hinweise dar.
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Tab.3/2: IngroßmaßstäblichenKartenvermerkteReliefinformationenunddarausinterpretierbareHinweiseaufAbflussprozesse.
Phänomene HinweiseMulden, Rinnen, Tälchen Sie bilden bevorzugte Fließwege für oberflächlich abfließendes Wasser und
weisen je nach Größe ihres Einzugsgebiets u.U. ein geringes Sättigungsde-fizit (feuchte bis nasse Böden) auf. Aufgrund des Feuchtegehalts sind die Böden schlechter strukturiert (weniger Bodenlebewesen und daher weniger Makroporen) (SOF, HOF)
Allg. Reliefformen Zerfurchtes Relief: Hinweis auf meist rasch reagierende Prozesse wie HOF, SOF1,2 und SSF1,2 (rezent oder historisch).Gleichmäßiges Relief, leicht kupiert, Muldentälchen: Hinweise auf eher
„langsame“ Prozesse. Auf Ackerflächen werden allerdings durch die Bearbei-tung Prozessspuren regelmäßig beseitigt. Wird eine Hangsequenz als Gan-zes betrachtet, hinterlassen stark reagierende Flächen in unterhalb davon liegenden Flächen ihre Spuren.
Ablagerungen gravitativer Prozesse
Viele Fels-, Steinblöcke und fächerartige Ablagerungen gehen auf Berg-sturz- oder Hangschuttbewegungen zurück, die mächtige Lockermateriala-blagerungen bilden können. Je nach Korngrößenzusammensetzung dieser Ablagerungen weisen sie hohe Durchlässigkeit und Speichervermögen auf (DP) auf.
Fluviale Ablagerungs-formen
Am Ausgang von Tälern und Kerben lagert(e) sich je nach Gefällsverhält-nissen erodiertes Bodenmaterial oder sonstiges Schwemmgut ab. Je nach Korngrößenzusammensetzung, können solche Ablagerungen hohe bis sehr hohe Durchlässigkeiten und großes Speichervermögen aufweisen (DP, SOF3).
Hohe Gerinnedichte Sie verweist auf oberhalb liegende Flächen mit starker Abflussreaktion (z.B. HOF, SOF, SSF1, 2).
Quellen Sie deuten auf Speicher im Boden oder im tieferen Untergrund hin. Je nach Schüttcharakteristik können dadurch Rückschlüsse auf die Größe der Spei-cher gezogen werden. Ausdauernde Quellen sind ein guter Hinweis auf große Speicher (SOF3, SSF3, DP).
Episodisch oder perio-dische Austrittstellen, Return Flow
Zeigen an, dass oberhalb der Austritte Wasser infiltriert und im Boden oder der Geologie abfließt (SSF1-3)
Rinnen ohne oberfläch-liche Fließspuren
Sie können u.U. auch auf laterale Fließwege verweisen. Solche Rinnen kön-nen in der Vorzeit entstanden sein aber auch durch das langsame Zusam-mensacken von durch SSF geschaffenen Hohlräumen.
Markante Geländekanten Sie deuten einen lithologischen Wechsel der Geologie an und sind ein Indiz für flachgründige Böden (SSF1, 2 oder SOF1, 2).
Verlauf von Höhenlinien Höhenlinien mit rundlichem Verlauf weisen auf mittleren bis großen Ab-stand des Fels zur Oberfläche hin. Kantige Höhenlinien zeigen, dass der Fels oberflächennah oder gar anstehend ist.
e) Gebietsentwässerung
Fließgewässer
FließgewässerundihreWasserführunglassenRückschlüsseaufdenLandschaftswasserhaushaltzu.EineBegehungwasserführenderTiefenlinienoderauchtemporärerTrockentälern(z.B.inKarst-gebieten)ermöglichtdieIdentifikationweitererhochwasserrelevanterFließwege.Aufgrundder Gerinnemorphologie(Querschnitt,Fließspuren,KorngrößenzusammensetzungdesGerölls,Fließ-
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spurenu.a.)könnenKenntnisseüberHäufigkeitundGrößedesAbflussesermitteltwerden.Dieskannu.U. ein Hinweis auf die Art der Prozesse in einem Gebiet sein.
Oft ist man in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten mit der Problematik konfrontiert, dass ehemalsnatürlicheFließgewässerbegradigtodergarbeseitigtunddurchEindolungenersetztwur-den.
Hydromeliorative Maßnahmen
DräneundEntwässerungsgräbendienenderAbfuhrvonüberschüssigemBodenwasserimInteressederlandwirtschaftlichenBodennutzung.BeimFehlenvonDränplänenistdasAufspürenderDrä-nauslässedurchBegehungderVorfluteroderdurchBefragungortskundigerLandwirtehilfreich.Ent-wässerteBödenweisenoftmalsnurnochreliktischeHydromorphiemerkmaleauf,diebeieineraus-schließlichbodenkundlichenKartierungzuFehlinterpretationenführenkönnen.
f) Bioindikatoren
DieBeurteilungvonGeologie,ReliefundBodenlässtRückschlüsseaufhochwasserrelevantePhäno-menezu.InKombinationmitvegetationskundlichenUntersuchungenkönnenweitergehendeKennt-nisseüberhochwasserrelevantePhänomenegewonnenwerden.
Zeigerpflanzen auf Grünland
DieAnsprachevonleichterkennbarenNässezeigernermöglichtauchbeigeringerArtenkenntnisdieIdentifikationvonNassstellenaufGrünlandstandortenresp.vongrund-oderstauwasserbeein-flusstenBöden.
AllePflanzenmiteinerFeuchte-Zahlvon≥6(Ellenberg,1979)weisenaufeinenÜberschussanBo-denwasser hin. Frische- bis Feuchtezeiger haben eine F-Zahl von 6, Feuchtezeiger eine F-Zahl von 7 undNässezeigereineF-Zahlvon9.SiesindtypischfürPseudogleyeundhydromorpheBöden.Ta-belle2imAnhang2gibteinenÜberblicküberhäufigeFeuchteundNässezeigeraufGrünlandundkorrespondierende F-Zahlen.
AuchfürAckerstandortegibtesZeigerpflanzeninderArtenzusammensetzungderAckerbegleitflora(vgl.Anhang2).AuchderZustandvonKulturpflanzengibtHinweiseaufz.B.periodischauftretendeFeuchtstelleninÄckern.
3.3 DetaillierteGeländeuntersuchungen
3.3.1 Planung und Durchführung von spezifischen Felduntersuchungen
3.3.1.1 Planung
NebenderZugänglichkeitsindweitereKriterienfürdieFestlegungderUntersuchungsstandortewichtig.FlächenmäßigdominanteGebietesollenerfasstwerden.InEinzugsgebieten,diesichdurchverzögerteAbflussreaktionauszeichnen,isteswichtig,dieflächenmäßigbegrenzten,starkreagie-renden Gebiete zu erkennen. Mit der geeigneten Wahl der Untersuchungsstandorte soll auch die Vo-raussetzung für die Übertragung(Up-Scaling)vonStandortuntersuchungenaufgrößereFlächengewährleistetwerden(vgl.Kap.3.4).DafürgibteskeinstandardisiertesVorgehen.FolgendesVorge-henhatsichbislangaberbewährt:
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1. DiewesentlichenGebietseigenschaften(Geologie,Böden,Landnutzung,Geomorphologie,Gerin-nenetz,Dränagen,Vernässungen)sindausderVorerkundungundGeländebegehungbekannt.
2.ImEinzugsgebietliegenHangsequenzen,dieaufgrunddesReliefs,dervorhandenenBödenmitderLandnutzung vergleichbar und typisch fürs Gebiet sind (Vorerkundung). Unterschiedlich aufge-baute,aberfürsGebiettypischeHangsequenzenwerdenausgewählt.
3. In diesen Hangsequenzen (Kap. 6.3.2) werden die Untersuchungsstandorte festgelegt, so dass die wesentlichenEigenschaftendereinzelnenHangelementeerfasstunddiedominantenAbfluss-prozessebeurteiltwerdenkönnen.Überlegungenwerdenangestellt,inwieweitAbflussprozesse,dieobenamHangstattfinden,dieAbflussprozesseweiteruntenbeeinflussenkönnen3 (Untersu-chungen im Feld und Auswertung der Resultate).
4.MitderÜbertragungaufdieFläche(Up-Scaling)werdendiepunktuellenresp.linearimEinzugs-gebieterarbeitetenProzessinformationenzueinerKarte„synthetisiert“.(Kap.3.4)
3.3.1.2 Durchführung der Felduntersuchungen
Die Felduntersuchungen konzentrieren sich auf den Bodenaufbau und die im Kapitel 4.3 aufge-führten Kriterien (key-points), die an Bodengruben erfasst werden4. Die einzelnen Kriterien sind aufdemFeldblatt(Abb.6.1)ausgewiesen.Esempfiehltsich,dieBodenuntersuchungenbeitrockenenWitterungs-undBodenverhältnissendurchzuführen,damitGrabarbeitenimfeuchtenodernassenZustandwichtigeBodenstrukturenwieMakroporenteilweisezerstörtwerden.
ZusätzlicheFelduntersuchungensindratsam,wenndieProzessevaluationbeiverschiedenenKrite-rienwesentlicheUnsicherheitenzeigt.SokönnenbeispielsweiseInfiltrometerversucheaufzeigen,obdervorhandeneBodentatsächlichso(un-)durchlässigist,wiedieBeurteilungderKriterienergebenhat.FürdieErhebungderMakroporen(Kap.4.3.6)wirdderBodenhorizontalfreigelegt.SindMa-kroporenimBodenprofilresp.anHorizontalschnittenschlechtsichtbar,kanndemInfiltrometerwas-ser Farbstoff (Tracer) zugefügt werden, um die Fließstrukturen aber auch die Ausbreitungsmuster des WassersimBoden(InteraktionMakroporen–Bodenmatrix)besserzuerkennen.NachAuswertungderFelduntersuchungenkönnenalle,indenPBS,aufgeführtenKriterienbeurteiltunddieAbfluss-prozesse evaluiert werden.
3.4 ÜbertragungaufFläche(Punkt–Hang–Einzugsgebiet)
DieÜbertragungvonPunktinformationenaufdieFlächewirdoftmitHilfevonGeographischenIn-formationssystemen(GIS)getätigt.InderHydrologieistbisheutedieserArtdes„Up-Scalings“nochkeingroßerErfolgbeschieden5.BisheuteliegenkeinebrauchbarenAnsätzeinderLiteraturvor,wiesolcheÜbertragungenerfolgenkönnten.ImKapitel3.3.1.1.wurdedasdazunotwendigVorgehenbe-reits angesprochen. Unser Vorschlag des Up-Scaling gliedert sich in vier Schritte.
1.NachdeminderFalllinieliegendeStandorteeinzelnnachAbflussprozessenbeurteiltwordensind,musseingeschätztwerden,inwieweitamHangweiteruntenliegendeProzessarealedurchoberhalbliegendeStandortebeeinflusstwerdenkönnen.
2. Ausgehend von solchen Catenen6kanndannaufgrundvonAnalogieschlüssenaufdieAbflusspro-zessevergleichbarerCatenengeschlossenwerden.DasVerständnisderAbflussprozesseanver-schiedenenCatenenimEinzugsgebietermöglichtdanndieBeurteilungderübrigenFlächen.Eine
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18 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
wesentliche Voraussetzung für das Up-Scaling ist jedoch, dass die Prozessevaluation am Standort fundiert und zutreffend ist7.
3.UmvondenCatenenaufdieFlächezugelangen,istzuüberlegen,inwieweitdieStandorteaus-serhalbderCatenenähnlicheEigenschaftenhaben.WenntatsächlichtypischeCatenenzurUn-tersuchungausgewähltwurden,solltediesderFallsein.WichtigeKriterienzurÜbertragungderInformationsindähnlicheReliefeigenschaftenwieGeländeneigung,LageimRelief,Bodeneigen-schaften, Geologie und Nutzung. So lassen sich viele Punkte im Gebiet beurteilen.
4. Die untersuchten Catenen und die übertragenen Punkte liefern ein Netz an Prozessinformationen, dassichschliesslichzueinerKarteverdichtenlässt
3.5 PlausibilisierungdesErgebnisses
DasEndproduktisteineProzesskarte(Kap.6.3.3),diezeigt,woimGebietwelcherProzesszuerwar-tenist.DiePlausibilitätdieserProzessbeurteilungresp.Prozesskartemussuntersuchtwerden.Wieweit dieser Arbeitsschritt geht, richtet sich nach dem Verwendungszweck des Resultats. Folgende FragenkönnenzurPlausibilisierungderResultatebeitragen:
• DecktsichdieEinschätzungdesGebietsmitdenBeobachtungen,welchebeivergangenenStark-regen oder Hochwassern gemacht wurden?
• WurdenrascheAbflüsseoderSpurendavon(z.B.vielOberflächenabfluss,ReturnFlow,Erosions-spurenetc.)aufdenbetreffendenFlächentatsächlichbeobachtet?
• WenndiebeurteiltenFlächeneinenGroßteilanraschbeitragendenFlächenaufweisen,stelltsichdieFrage,obimVorfluterauchtatsächlichdieentsprechendenAbflüsseaufgetretensind.
• BestätigtsichdieBeurteilunganhandvonAbflussmessungenoderBeobachtungenbeihistorischenHochwassern?
• AusgehendvonderProzessbeurteilungkönnenfürdasEinzugsgebietdesGewässersAbflussschät-zungenoderdetaillierteAbflussberechnungenmiteinemNiederschlag-Abflussmodellvorgenom-menwerden.ZeigendieseAbschätzungeneinähnlichesBildwievergangeneHochwasser?
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4 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächen
4.1 Einleitung
DerKerndesBestimmungsschlüsselszurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächensinddiePro-zessbeurteilungs-Schemata.UmdiedarinenthaltenenKriterien(„key-points“)beurteilenzukönnen,wurdedieLiteraturnachBeurteilungshilfen(Methoden,Richtlinien)untersucht.Eineweitgehendob-jektive Beurteilung der Kriterien wird dadurch angestrebt. Bei der Auswahl der Kriterien und Richt-linien wurden folgenden Punkten Beachtung geschenkt.
• Die meisten Kriterien sind qualitativer Natur. • DieBeurteilungderkey-pointskönnenweitgehendimFeldeaneinerBodengrubeerfolgen.Auf
aufwändigeLaboruntersuchungen(ProbenentnahmeundAnalysen)wirdverzichtet.• NachMöglichkeitstütztsichdieBeurteilungaufdieBodenkundlicheKartieranleitung(AGBO-
DEN,1994),aufDIN-NormenoderaufWerteundAngabenausderLiteratur.
4.2 ProzessbeurteilungsSchemata(PBS)
4.2.1 Einleitung
DieZuordnungdesAbflussprozesseseinesStandortslässtsichmitdennutzungsorientiertenProzess-Beurteilungsschemata(PBS)vornehmen.DiesezeigendieSchlüsselstellen,dieeinenAbflussprozessauslösenresp.beeinflussen.
AbflüssewerdendurchGewitter,Landregen,oderLandregeninKombinationmitSchneeschmelzeodergefrorenenBödenausgelöst.DamitergibtsicheineVielfaltvonklimatisch-,bodenkundlich-,to-pographisch-undnutzungsbedingtenKombinationen.ImfolgendenwirdsowohldieAbflussbildungbei intensiven Starkregen (I>ca.20mm/h)alsauchdieAbflussbildungdurchergiebige,aberwe-niger intensive Landregen (I<ca.20mm/h)betrachtet.
Die PBS basieren auf den in Kap. 4.3 aufgeführten Kriterien. Das Hauptgewicht liegt auf der Land-nutzung, der Vegetation und dem Boden. Relief (Hangneigung) und Geologie sind ebenfalls berück-sichtigt.
EinigeKriterienbeziehensichauf(Boden-)Eigenschaften,dieereignisabhängigsindoderjahreszeit-lichemWandelunterliegen(Wasserspiegel,Deckungsgradu.a.).BeiderenBeurteilungistabzuwägen,wiewahrscheinlichsolcheZuständesind.
UmeinebessereÜbersichtlichkeitzugewähren,wurdenfürGrund-oderStauwasserbeeinflussteStandorteingewissenFälleneigeneSchemataentwickelt.SieweiseneinenblauenHintergrundauf.DaackerbaulichgenutzteFlächenauchaufhydromorphenBödenanzutreffensind,wurdedieserFallebenfallsberücksichtigt.WeinbergehingegenbeschränkensichaufunvernässteBöden.Dieverfüg-barenPBSsindinAbb.4/1–4/9dargestellt.
DieGrundlagen,dervorliegendenPBSsindimAnhang1ausführlichdargestellt.DienötigenÜber-legungenundfälligenEntscheidungen,diezudendominantenAbflussprozessenführen,sindan-handdesPBSfürWiesenundWeidenexemplarischaufgeführt.DieUnterschiedezwischendenPBS
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
�0 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
geringerundhoherNiederschlagsintensitätergebensichhauptsächlichdurchdenunterschiedlichenEinflussderMakroporosität(vgl.auchKap.4.3.6).
4.2.2 PBS für Wiesen und Weiden
Die Prozessbeurteilung für Wiese- und Weidestandorte erfolgt aufgrund vergleichbarer struktureller Bodeneigenschaften (Regenwurmbesatz, Durchwurzelung, Verdichtungserscheinungen) mit dem-selbenSchema.ZuerstwirdderEntscheidungsprozessfürwenigerintensiveNiederschläge(I<ca.20mm/h)unddannfürintensiveNiederschläge(I>ca.20mm/h)vorgestellt.
4.2.2.1 PBS für „normale“ Böden und geringe Niederschlagsintensität (I < ca. 20 mm/h)
Die Ausführungen beziehen sich auf Abb. 4/1. Der Deckungsgrad des Boden bestimmt, ob eine po-tentiell verschlämmbare OberflächeauchtatsächlichimStarkregenfallverschlämmbarist.Fallsdies zutrifft, entsteht HOF1.
Liegt ein Hydrophober Humus vor, ist der Hydrophobizitätsgrad zu prüfen. Niederschlagswasser kannineinenstarkhydrophobenHumusodereineverdichteteoderwenigdurchlässigeBodenmatrixnur über ein gut ausgebildetes Makroporensystem eindringen, andernfalls entsteht HOF1. Die Ge-samtmächtigkeit des Bodens ist für die Speicherung des Niederschlagswassers von großer Bedeu-tung. Liegt ein flachgründiger Boden(<0.5m)übereinerdurchlässigen Geologie(durchlässigerSchotter, Schutt, Karst) und ist der Unterboden durch ein wirksames Makroporensystem und eine gut durchlässige Matrix ausgestattet, entsteht DP.
FehlteingutentwickeltesMakroporensystem,istdieMatrixschwachdurchlässigundistderUnter-bodenbeiLandregenfürSpeicherungvonWasserbegrenztnutzbar,entstehtHOF2.IstdasGeländegeneigt(J>ca.10%),derBodenflachgründigundüberundurchlässigerGeologiegelegen,dieMa-triximUnterbodengutdurchlässigundleistungsfähige laterale Fließwege vorhanden, wird leicht verzögerterAbflussimBoden(SSF2)ausgelöst.SinddieEigenschaftenidentisch,dieMatrixdurch-lässigkeithingegengering,ergibtsichnureingeringerAustauschzwischenMakroporenundMatrix,undesentstehtrascherAbflussimBoden(SSF1).IstderBodenzwischen0.5mund1mmächtigundübereinergutdurchlässigenGeologiegelegen,miteinemgutenMakroporensystemundgutdurch-lässigerMatrixausgestattet,entstehtDP.BeigleichenEigenschaftenabereinerwenigerdurchläs-sigen Geologie entsteht SOF2, resp. bei Vorhandensein wirksamer lateraler Fließwege, SSF2.
SinddieBödenwesentlichmächtigerals1m,mitguterMakroporositätundgutdurchlässigerMatrixausgestattet,entstehtSOF3odersogarDP.BeigeringerMatrixdurchlässigkeitermöglichendieMa-kroporendieInfiltrationundverbesserndieVerteilungdesWassersimBodenprofil.DieMakropo-rositätwirdmitderFrage„Makroporositätgroß(Pd1-2)“abgefragt.DieKlammernbedeuten:„ent-wederistMakroporositätgroßoderPackungsdichte(Pd)1-2“.
4.2.2.2 PBS für „normale“ Böden und hohe Niederschlagsintensität (I > ca. 20 mm/h)
BeiintensivenNiederschlägenspieltdieMakroporositäteinewesentlicheRollefürdieInfiltration.FehlteineffizientesMP-System,istdieInfiltrationbegrenzt.InAbbildung4/5nimmtdaherdieMa-kroporositätimOberbodeneinewichtigeReglerfunktionein.IstderOberbodenarmanMakropo-ren,entstehtbeiGewitterereignissenHOF.AuchimUnterbodenwirddieMakroporositätvorrangigbehandeltundistbeiintensivenStarkregenfüreineeffizienteVerteilungdesWassersimBodenver-antwortlich.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �1
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 4/1: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide (niedrige Niederschlagsintensität)
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
�� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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janein HOF1
Massgeblich von Grund- oder Stauwasserwasser beeinflusste BödenWasserspiegel
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Wasserspiegelim Oberboden?
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janein
SOF3SOF2
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
SOF2HOF2
Abb. 4/2: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide für stau- oder grundwasserbeeinflusste Böden (niederigeNiederschlagsintensität).
Prozess-Beurteilungsschema: Grünland (Wiese und Weide)Niederschlag: Extensive aber lange NiederschlägeHangneigung: J > 3%
Oberfläche
Oberboden0 - 30 cm
Unterboden
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Makroporositätgross ? (Pd -1-2)
Makroporositätgross ? (Pd -1-2)
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Makroporositätgross ? (Pd -1-2)
Makroporositätgross ? (Pd -1-2)
Stauschicht (Pd 4-5)
"normale" Böden
Makroporosität gross (Pd1-2)?
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SAG - April 2004
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �3
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 4/3: Prozessbeurteilungsschema Acker (niedrige Niederschlagsintensität).
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
�4 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Deckungsgrad:> 50% ?
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Prozess-Beurteilungsschema: WeinbergeNiederschlag: Extensive aber lange NiederschlägeHangneigung: J > 3%
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Makroporosität gross (Pd 1-2) ?
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HOF1
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HOF1
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Mächtigkeit Unter-boden > 0.2 m ?
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Mächtigkeit Unter-boden > 0.4 m ?
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Makroporosität grosss (Pd 1-2) ?
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Laterale Fliess-wege ?
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Matrixdurch-lässigkeit gross ?
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Laterale Fliess-wege ?
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SSF2SOF2
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Matrixdurchlässig-keit gross ?
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Matrixdurch-lässigkeit gross ?
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HOF2
Abb. 4/4: Prozessbeurteilungsschema Rebberg (niedrige Niederschlagsintensität).
J > 5% ?
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SOF1
oberflächennahe Verdich-tung (Pd 4-5)?
oberflächennahe Verdich-tung (Pd 4-5)?
Makroporosität gross (Pd 1-2) ?
Makroporosität gross (Pd 1-2) ?
J > 5%
janein
Matrixdurch-lässigkeit gross ?
janein
HOF2
Makroporosität gross (Pd 1-2) ?
Matrixdurch-lässigkeit gross ?
Matrixdurch-lässigkeit gross ?
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SSF2SOF2
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Oberfläche
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Unterboden
geologischer Untergrund/Verwitterungsdecken
SAG - April 2004
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �5
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 4/5: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide für "normale" Böden (hohe Niederschlagsintensität).
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
�6 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
ja nein
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janein HOF1
Massgeblich von Grund- und Stauwasser beeinflusste BödenWasserspiegel
an Oberfläche ?janein
SOF1
Wasserspiegelim Oberboden?
SOF1
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
janein
janein
HOF2
HOF1
Wasserspiegel vorhanden ?
nein
ja
Lage der Vergley-ungs-Merkmale
tiefer 1 m ?
Deckungsgrad:> 50% ?
Verschlämmungs-neigung gross?
hydrophober Humus ?
ja nein
Hydrophobizitätstark ?
ja nein
THOF
janein
Matrix verdich-tet (Pd 4-5) ?
HOF1
janein
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nein
HOF1
ja
Matrixdurchlässig-keit gross ?
ja
ja nein
Flurabstand > 0.4 m ?
Makroporositätgross ?
janein
HOF2
janein
janein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
SSF1 SSF2
Flurabstand > 1 m ?
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
HOF2 SSF2
ja nein
laterale Fliesswege, Drainagen ?
janein
HOF2 SOF2
ja nein
nein
Stauschicht (Pd 4-5) oberhalb 0.5 m Tiefe ?
janein
J > 5% ?nein
janein
HOF2 SOF2
Vergleyungsgradschwach?
J > 5% ?janein
SOF2
laterale Fliesswege ?
janein
SSF1
ja
laterale Fliesswege, Drainagen ?
janein
janein
SSF2 SSF1
janein
HOF2 SOF2
Stauschicht (Pd 4-5)oberhalb 1 m ?
janein
janein
J > 5% ?
janein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
HOF2 SOF2
janein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
SOF3SOF2
laterale Fliesswege, Drainagen ?
janein
ja nein
SSF2 SSF1
janein
HOF2 SOF2janein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
SOF2HOF2
Abb. 4/6: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide für stau- oder grundwasserbeeinflusste Böden (hoheNiederschlagsintensität).
normale Böden
J > 5% ?
janein
HOF2
Prozess-Beurteilungsschema: Grünland (Wiese und Weide)Niederschlag: Intensive, kurze NiederschlägeHangneigung: J > 3%
Oberfläche
Oberboden0 - 30 cm
Unterboden
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
Makroporositätgross (Pd 1-2)?
SAG - April 2004
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �7
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 4/7: Prozessbeurteilungsschema Acker (hohe Niederschlagsintensität).
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
�8 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Deckungsgrad:> 50% ?
ja nein
ja nein
Verschlämm-barkeit gross ?
janein
Makroporosität gross ?
Matrix verdichtet(Pd 4-5)?
ja nein
HOF1
SSF1
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Mulchung vorhanden ?
ja nein
janein
janein ja nein
ja nein
HOF1
Stauschicht vor-handen (Pd 4-5)?
janein
Mächtigkeit Unter-boden > 0.2 m ?
Laterale Fliess-wege ?
janein
SOF2
Mächtigkeit Unter-boden > 0.4 m?
janein
janein
HOF2
Laterale Fliess-wege ?
janein
SSF2SOF2
Matrixdurch-lässigkeit gross?
janein
Makroporosität gross ?
janein
HOF2
SOF2
HOF2
HOF2
DP
janein
HOF2 SOF3
HOF2
Abb. 4/8: Prozessbeurteilungsschema Rebberg (hohe Niederschlagsintensität).
Prozess-Beurteilungsschema: WeinbergeNiederschlag: Intensive, kurze NiederschlägeHangneigung: J > 5%
Oberfläche
Oberboden0 - 30 cm
Unterboden
geologischer Untergrund/Verwitterungsdecken
Makroporosität gross, (Pd 1-2) ?
J > 5% J > 5%
janein
SOF2
janein
janein
HOF2
Mächtigkeit Unter-boden > 0.8 m?
janein
SOF2 SOF3
Makroporosität gross?
Makroporosität gross, (Pd 1-2)?
Matrixdurch-lässigkeit gross?
Makroporosität gross, (Pd 1-2) ?
ja nein
Matrixdurchlässig-keit gross ?
janein
HOF2 Mächtigkeit Unter-boden > 1.2 m?
janein
Laterale Fliess-wege ?
janein
SSF3
DP
Laterale Fliess-wege ?
janein
SSF3SOF2
Matrix verdichtet(Pd 4-5)?
Matrix verdichtet(Pd 4-5)?
Makroporosität gross ?
SAG - April 2004
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �9
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 4/9: Prozessbeurteilungsschema Wald (niedrige und hohe Intensität).
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
30 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
4.2.3 PBS für Acker
DiePBSfürAckermisstderVerschlämmungsneigungdurchBodenverdichtung(Oberbodenverdich-tungdurchLandwirtschaftsmaschinenoderUnterbodenverdichtungenalsPflugsohle)größereBe-deutung zu.
4.2.4 PBS für Wald
InWäldernsorgenverschiedeneFaktorenfüreinegroßeStandortvielfalt.AbgesehenvonBoden-typenbeeinflusstderPflanzenbestanddenAbflussmaßgeblich(Interzeption,Kronentraufe,Stam-mabflussetc.).
DaderNiederschlagnichtunmittelbaraufdieBodenoberflächefällt,sindalsohydrologischePro-zesse vorgeschaltet, welche eigentlich in die PBS einbezogen werden müssten. Die Vielzahl von Standortvarianten hat dazu geführt, dass ein stark vereinfachtes PBS entwickelt wurde, das sowohl geringewieauchhoheNiederschlagsintensitätenberücksichtigt(Abb.4/9).
Oberflächenabfluss,deraufInfiltrationshemmnissezurückgeht,istinWäldernseltenzubeobachten.Dieser Prozess wird zu Beginn der PBS abgehandelt.
4.3 DieKriterienderProzessbeurteilungundihreHerleitungamStandort
4.3.1 Einleitung
ImBerichtIHW,2000wurdeeinÜberblickderhochwasserrelevantenPhänomenebeidenverschie-denen Nutzungsarten gegeben (Anhang 1). Hier werden nur noch die Kriterien behandelt, welche in den PBS enthalten sind.
Tab.4/1: IndenPBSenthalteneKriterien.
Oberfläche Oberboden UnterbodenundGeologieDeckungsgrad Matrix verdichtet PflugsohleHydrophobizität, hydrophober Humus
Makroporosität groß Matrixdurchlässigkeit
Hangneigung Verschlämmungsneigung Mächtigkeit hohe Oberflächenrauigkeit Packungsdichte laterale Fließwege und Dränagen
Flurabstand GrundwasserStauschicht (in mächtigen bis sehr mächtigen Böden)VergleyungsgradLage der VergleyungsmerkmalePackungsdichteLaterale FließwegeDurchlässigkeit (Geologie)
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4.3.2 Vegetations-Deckungsgrad des Bodens
UnterdemDeckungsgradderVegetationwirdhierdiesenkrechteProjektiondesPflanzenbestandesaufdieAufnahmeflächeverstanden,wobeidasGesamtareal100%beträgt.DerDeckungsgradacker-baulicherKulturenkannmitdemSchemavonRohretal.,1990eingeschätztwerden(Anhang5/1).
4.3.3 Verschlämmungsneigung des Bodens
UnterVerschlämmungverstehtmandasZerfließendesBodens,d.h.dieZerstörungvonStrukture-lementen(AggregatenundMakroporen)durchWasseranderBodenoberflächebeihohemWasser-gehalt,wenndieGefügestabilitätgeringist.DerAufpralldesNiederschlagsaufeineunbedeckteBodenoberflächeunddieLuftsprengungvonAggregaten,wennschluffreichetrockeneAggregatebefeuchtetwerden,sindwichtigeauslösendeProzesse.TonarmeschluffreicheBöden,z.B.lessivierteLößbödenoderBödenausschluffreicherHauptlageinMittelgebirgslandschaften,verschlämmenleicht.
DieFolgenderVerschlämmungsind:
• VerschlämmungskrustenmitdichtemKohärentgefügeohneMakroporen,• starkbehinderteInfiltrationvonNiederschlagswasserunddarausresultierendeNeigungzuOber-
flächenabfluss(HOF)undBodenerosion,• behinderteDurchlüftungdurchdieVerschlämmungskrusteimfeuchtenZustand.
VerschlämmteFlächenlassensichaufgrundderdeutlichenEntmischungvonSchluff-undTonteil-chensowiederhelleren,wenigeMillimetermächtigenSchluffschichtanderBodenoberflächeleichterkennen(Anhang4,Foto6).DieFlächenanteilevonEinzelaggregaten,Regenschlag-undSediment-krusten(vgl.Roth,1992)kennzeichnendenAusprägungsgradderVerschlämmung(Tab.4/2):
Tab.4/2: KartierschlüsselzurBeurteilungdesVerschlämmungsgrades(vgl.Foto1,2Anhang4)
Verschlämmungsgrad Flächenanteilin%Einzel-aggregate
Regenschlag-kruste
Sediment-kruste
Nichtverschlämmt(V0)Aggregate nicht oder kaum gerundet, nicht zusammen-hängend, viele offene Aggregat-Zwischenräume
100 0 0
Sehrschwachverschlämmt(V1)Aggregate etwas gerundet (abgetragen), etwas zusam-menhängend, noch viele offene Aggregat-Zwischenräu-me, kaum Sedimentbildung
> 70 < 30 < 10
Schwachverschlämmt(V2) > 50 < 40 10 - 30Mäßigverschlämmt(V3) Aggregate deutlich gerundet, zum großen Teil zusam-menhängend, nur wenige offene Aggregat-Zwischen-räume, großer Sedimentkrustenanteil
< 50 < 70 30 – 50
Starkverschlämmt(V4) Sedimentkrustenanteil überwiegt
< 30 < 50 50 – 70
Sehrstarkverschlämmt(V5) 0 < 30 > 70Extremstarkverschlämmt(V6) 0 < 10 > 90
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3� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
DadieVerschlämmungsneigungnichtnurvonderBodenart,sondernvonFaktoren,wiedemC-unddem CaCO3-GehaltdesBodensabhängt,schlagenwirnebstderBeurteilungnachAGBODEN(1994)vor, weitere Faktoren zu berücksichtigen.
• DievisuelleBegutachtungderBodenoberflächenacheinemNiederschlaggibtHinweiseaufdieVerschlämmmungsneigungundermöglichtnachTab.4/2dieBeurteilung.IstdieBodenstruktureinerbearbeitetenOberflächenahezuintakt,istdieVerschlämmungsneigunggering;sindkeinekantigenAggregatesichtbar,istdieVerschlämmungsneigunggroß.
• BödenmiteinemCaCO3-GehaltnachAGBODEN(Tab.12)vonc0(carbonatfrei)bisc2(carbona-tarm)könnenalspotentiellverschlämmbarbetrachtetwerden.
• BödenmiteinemHumusgehaltnachAGBODEN(Tab.10)vonh0(humusfrei,0%Masse)undh1(sehrschwachhumos,<1%Masse)dürftenverschlämmungsanfälligsein.
• Einvereinfachter„Nass-Siebungstest“ermöglichtimFeldedirektdieAggregatsstabilitätzutestenunddieVerschlämmungsneigungeinzuschätzen.EinBodenstückvon5-10cmDurchmesserwirdineinmitWassergefülltesGefässgetaucht.DieZeitwirdgemessen,dieverstreicht,bisdasStückBodeninkleinereAggregateodersogarindieeinzelnenBodenpartikelzerfallenist.ZerfälltderBodenwährend10Minutenüberhauptnicht,istdieVerschlämmungsanfälligkeitsehrgering;zer-fälltesgänzlich(SedimentaufdemGefässboden),istdieVerschlämmungsneigungstark.
4.3.4 Hydrophobizität
BesondereVerhältnisseliegenvor,wenndieBodenoberflächewasserabstossend(hydrophob)ist,undsomitdieBenetzungerschwertist(Anhang4,Foto20).HydrophobeEffektekönnenalsFolgestarkerAustrocknung,durchdasVorhandenseinwasserabstossenderPflanzenmaterialien(bestimmteGrä-ser,Pilze,Tannennadeln,Blätter),durchorganischeStoffeaufWaldbrandflächenoderalsKombina-tiondieserFaktorenauftreten.WährendAustrocknungzuvorübergehender(transienter)Hydropho-bizitätführt,könnendieanderenFaktorenanhaltende(persistente)Hydrophobizitäterzeugen.DieshatAuswirkungenaufdieInfiltration.Holzhey,1969undDoerretal.,2000gebeneineumfassendeÜbersichtüberdasWesenderHydrophobizitätvonnatürlichenMaterialien.Doerretal.,2000zeigtihrEinflussaufdieAbflussbildung.EinausgebildeterWurzelfilzkannbesondersimSommerbeistarkerAustrocknungdieInfiltrationhemmen(Scherrer,1997).
AufintensivlandwirtschaftlichgenutztenFlächeninRheinland-PfalzdürftenkaumhydrophobePflanzenartenvorkommen.AufextensivbewirtschaftetenoderaufgelassenenFlächenhingegenistdiesesPhänomenschoneherzuerwarten.BeispielsweiseHeidevegetationwieCallunaVulgaris,Eri-caarborea,Vacciniumspp(Doerretal.,2000)unddasBorstgras;Nardusstricta(MarkartundKohl,1996)erzeugenwasserabstossendeOberflächen.AufVerdachtsflächenlässtsichdieHydrophobizitätmitfolgendemTestklassifizieren:
WDPT-Test(WaterDropPenetrationTime)nachLetey(1969):ManbringteinenodermehrereTrop-fenWasseraufdieBodenoberflächeauf,misstdieZeit,wielangedieBenetzungderOberflächedau-ert.DerVersuchwirdwiederholtundderMittelwertermittelt.Bisdometal.(1993)unterscheidenge-mässBenetzungstest5Hydrophobizitätsgrade(Tab.4/3).
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Tab.4/3: DieKlassifizierungvonBödennachihrerBenetzungszeit(Bisdometal.,1993).
Stufe Hydrophobizitätsgrade Benetzungszeit[sec.]1 Nicht hydrophob < 52 Leicht hydrophob 5-603 Stark hydrophob 60-6004 Sehr stark hydrophob 600-36005 Extrem hydrophob > 3600
ImPBSwirdauchdieFragenachhydrophobenHumusgestellt.Dieslässtsichanhanddervorkom-mendenPflanzenarten(vgl.oben),anhanddesorganischenGehaltsdesOberbodens(z.B.C-Gehalt>5%)oderbeiVorhandenseineinesWurzelfilzesentscheiden.IneinemweiterenSchrittwirddieFragegestellt,obdieHydrophobizitätpersistentist.BeiStufe4und5(Tab.4/3)istvonpersistenter(andauernder)Hydrophobizitätauszugehen.BeikurzenGewitterniederschlägenkannschonStufe3(nichtpersistent)zuvorübergehendemOberflächenabfluss(THOF)führen8.
4.3.5 Oberflächenrauigkeit
BeiderBeurteilungderAbflussbildungaufAckerflächenkannderBearbeitungszustandwichtigsein.EinemgepflügtenAckermitintaktenSchollenwirdeinehoheRauigkeitzugeordnet,einemge-pflügtenAckermitverschlämmterOberflächeeinemittlereundeinerfeinbearbeitetenOberflächeeine geringe Rauigkeit. Bei mittlerer bis geringer Rauigkeit ist auch der Rückhalt in Mulden wenig relevant.MitzunehmenderSteilheitderAckerflächewirdderRückhaltinUnebenheitenundMul-den geringer.
4.3.6 Makroporosität am Beispiel von Wurmröhren
4.3.6.1 Einleitung
MakroporenhabeneinengroßenEinflussaufdieInfiltration(Ehlers,1975;Germann,1981;Syersetal.,1983;Bouma,1991;Boumaetal.1982;BooltinkundBouma,1991)besondersbeiintensivenNie-derschlägen.TrotzintensiverForschungstätigkeitgibtesbisheutekeinenAnsatz,umdenEinflussvonMakroporenaufdieInfiltrationaufeinfacheWeiseeinzuschätzen.BeidenMakroporen(Mp)unterscheidet man im wesentlichen Risse, die auf Schrumpfen und Quellen des Bodens zurückgehen oderentlangdesBodenskelettsauftretenundbiogeneMakroporen,wieTiergängeoderHohlräumeerzeugtdurchlebendesoderabgestorbenesPflanzenmaterial.DiegefügebedingteMakroporositätistschwierigzuquantifizieren,nichtzuletztdeshalb,weilsieeinemjahreszeitlichenGangunterliegt.DieBeurteilungderMakroporositätgehtdahervondenWurmröhrenaus(Foto1und2)undnimmtdiegefügebedingteMakroporositätanhandderPackungsdichte9ergänzenddazu.
AufGrün-,AckerlandundWeinbergenentstehteinüberwiegenderTeilderMpdurchdieWühltä-tigkeitvonRegenwürmern.IhreRöhrenkönnenbiszu11mmDurchmesserundLängenvonbiszu3maufweisen.DieZahlderKanälewirdnachEhlers(1975)mitzunehmenderTiefegrößerunder-reichtihrMaximumoftmalsbei50-60cm.VieleRegenwurmartenlegenvertikaleKanälean,einigeaberauchhorizontale.DiedurchRegenwürmererzeugteMakroporositätistnatürlichvonderRegen-wurmdichteabhängig.SiewirdvonverschiedenenFaktoren(pH,Klima,Bodenart,Bodenfeuchte,
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Nutzung,Vegetation,organischerGehalt,usw.)beeinflusst(Glasstetter,1991).DadasVorkommenvonRegenwürmernvonderBodenchemieabhängigist,kannsichdieErfassungvonMpaufsaurenBödennichtnuraufdiesebiogenenMpstützen.AllerdingsistdieEinschätzungdergefügebedingtenDurchlässigkeitschwierig10.NebenderZahlderMpistauchihreLängeundKonnektivitätwichtig.Weiler(2001)konntezeigen,dassdieInitiierungdesMp-FlussesanderOberflächeaberauchimOber-oderUnterbodenerfolgenkann.ImFallederInitiierunganderOberflächezeigteer,dassgroßeMpjenachMikroreliefeingroßesbissehrgroßesEinzugsgebiethabenkönnen.DamitsindeinzelneMpinderLagedieInfiltrationeinerFlächevonmehrerendm2 zu dominieren.
Foto1: PerforationeinesBtHorizontesdurchRegenwürmer(Profilwand)[FotoDr.S.Sauer]
Foto2: PerforationeinesBtHorizontesdurchRegenwürmer(Aufsicht)[FotoProf.T.Harrach]
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In der Literatur wurden unter Grünland 200-400 Individuen/m2, auf Acker zwischen 20-250 festge-stellt. Für einen Ackerstandort wird hier der Zusammenhang zwischen Zahl und Durchmesser der Mp aufgezeigt (Tab. 4/4).
Tab.4/4: ZahlderWurmgänge(Makroporen)prom2aufeinemAckerbodenaufgeteiltinzweiKlassennachihremDurchmesser(verschiedeneAutoren11).
Klasse Durchmesserd>2mm Durchmesser>5mmMakroporen/m2 200-700 100-200
Bis700MpmiteinemDurchmesser>2mmwurdenprom2festgestellt.DiemaximaleAnzahlfür d>5mmlagbeietwa200Mp.AlsobildenMpzwischen2und5mmDurchmesser(100bis500Mp/m2)diegrößteGruppe.
UnterGrünlandistdieMp-Zahlum50bis100%größeralsunterAcker.DortkonntenauchEhlers,1975undWarner,199860-80%derausgezähltenMpderKlassed=2-5mmund20-40%derKlas-sed=5-8mmzuordnen.
4.3.6.2 Herleitung des Zusammenhanges zwischen Wurmdichte und Infiltration
MpsindfürdenraschenvertikalenTransportvonWasseringrößereTiefenundfürdieVerteilungdesWassersindieumgebendeBodenmatrix(Interaktion)verantwortlich(Weiler,2001).Jebesserdieses System funktioniert, um so mehr Wasser kann gespeichert werden.
FürdieInfiltrationistdieBeziehungzwischenDurchmesserundZahlderMp,ihreKontinuitätundDurchgängigkeitvonderOberflächebiszumUnterbodenwichtig.Jefeinkörnigerunddamitweni-gerdurchlässigdieMatrixeinesBodenist,destowichtigersindMpfürdenInfiltrationsprozess(wei-ler, 2001)
ZurEinschätzungderhydrologischenWirksamkeitvonMpstützenwirunsaufdieUntersuchungvonEhlers(1975),diefolgendeResultateergab(Tab.4/5).
Tab.4/5: ZusammenhangzwischenDurchmesserderMakroporen,AnteilandergesamtenMakroporositätundAnteilanderInfiltration.
Klasse(Durchmesser) AnteilderMakroporosität AnteilanderInfiltration< 2 mm 50 % 1 %2-5 mm 40 % 33 %> 5 mm 10 % 66 %
DanachträgtdieKlasse0-2mmkaumzurInfiltrationbei,obwohlihrAnteilanderMakroporositätsehrgroßist.Wurmröhrenmit5bis8mmDurchmessersindmaßgebendfürdieInfiltration.Mit10%derMakroporositätsindsiefür2/3derInfiltrationverantwortlich,ihreInfiltrationskapazitätistalsoimjenenFallca.8malgrößeralsdiederKlasse2-5mm.
4.3.6.3 Bewertung der Makroporosität
Tabelle 4/6 zeigt den verwendeten Ansatz für die Beurteilung der Wirksamkeit von Mp. Demnach ist bei weniger als 40 Mp/m2derEinflussaufdieInfiltrationverhältnismäßiggering.Ab70Mpprom2isteinegroßeundab150einesehrgroßeInfiltrationzuerwarten.DerBereich40bis70Mp/m2
istkritisch.ZusätzlichzurMp-ZählungwerdenhierInfiltrationsversuchebeitrockenenBodenver-
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36 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
hältnisseninKombinationmitTracer(z.B.BrilliantBlue)empfohlen,umdievorhandenMpbessersichtbarzumachenunddieInfiltrationskapazitätzutesten.
Tab.4/6: BeurteilungderhydrologischenWirksamkeitderMakroporenanhandderZahlderMakroporen.
Makroporenzahlprom2 Makroporosität0-40 geringe Infiltration klein40-70 kritischer Bereich mäßig70-150 normale Infiltration großab 150 große Infiltration sehr groß
DieBeurteilungderMakroporositätimGeländemussjedochderTatsacheRechnungtragen,dassdiegroßenMpwesentlichmehrWasserindieTiefeleitenkönnenalskleinereMp.Umdiesenhy-drologischenUnterschiedzuberücksichtigen,wirddieZahldergroßenMp>5mmmitdemFaktor5multipliziert. Werden beispielsweise in einem Oberboden insgesamt 40 Mp/m2 festgestellt, und wei-sendavon10MpeinenDurchmesservon5mmundmehrauf,soergibtsichfolgendeEinschätzung:Die10großenMpwerdenmitFaktor5multipliziert(5x10)was50Mpergibt.50Mp+32kleineMp ergeben insgesamt 82 Mp. Die Wirksamkeit aller Mp entspricht also 82 Mp. In der Tabelle 4/6 liegenwirdamit(knapp)imBereich„Makroporositätgroß“undkönnenmit„normalerInfiltration“rechnen.
4.3.6.4 Erhebung der Makroporen im Felde
DieZahlderMpkannanhandvonstichprobenhaftenFeldzählungenerfasstwerden.DieseMetho-dewurdebereitsvonSmettemundCollis(1985)fürdieErfassungvonbiogenenMakroporenange-wandt. Dabei werden an horizontalen (quadratischen) Bodenschnitten im Abstand von 20 cm die Mp ausgezählt.MiteinerBürstemussdazudieOberflächederSchnittflächevonlosenBodenteilenbe-freitwerden12.Diesgelingtnur,wennderBodenverhältnismäßigtrockenist.Isterfeucht,werdendieHohlräumeverstopftundetlicheMpwerdensonichterfasst.Abbildung4/10zeigtsolcheHori-zontalschnitte.
Besonders Mp mit Durchmesser von weniger als 2 mm sind zwar weniger wichtig als große Mp, werdenaberselbstbeisorgfältigemArbeitenleichtübersehen.Manmussdavonausgehen,dassdiesoermittelteMp-Zahlschätzungsweisebiszu30%höherliegenkann,wennsämtlicheMperfasstwürden.DieRegenwurmaktivitätunterliegtaucheinersaisonalenSchwankung,dieRöhrendürftendemzufolge nicht immer gleich gut sichtbar sein.
Ein abgekürztes Verfahren der Mp-Erfassung istmöglich,wennsichanhanddesBodenprofilszeigt, dass sehr viele Makroporen vorhanden sind und daher der Boden keinesfalls kritisch hinsicht-lichMakroporositätist.Wennca.5–8Mpaneinerca.50cmbreitenProfilwandinetwagleicherHöheangeschnittensind,istdieMpgroßbissehrgroß,undeserübrigtsicheinedetaillierteMp-Un-tersuchung.
ZeigtsichaneinemBodenprofil,dassdiePackungsdichte(Kap.4.3.7)bei1-2liegt,kannvoneinemsehrlosenbislosenBodengefügeausgegangenwerden.InsolchenBödenbestehenausreichendRäu-mezwischendenBodenaggregaten,dieeinpräferentiellesFließenvonWassergestatten.
Abb.4/10nächsteSeite
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ca. 50 cm
ca. 50 cm
-10 cm
- 30 cm
- 50 cm
Horizontalschnitt an derBodengrube
x
x
x
Kleine, grosse WurmröhrenWurzelnSkelett
+
+- 10 cm
- 30 cm
- 50 cm
Aufsicht Anz. Mp d > 5 mm
Anz. Mp d < 5 mm
Total (nach Multiplikation*) Total Mp/m2Tiefe
Abb. 4/10: Die Beurteilung der Makroporosität am Boden-Horizontalschnitt. (*Die Zahl der grösseren Mp (d > 5 mm) werden mit Faktor 5 multipliziert).
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38 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
4.3.7 Packungsdichte (Dichte resp. Verdichtung der Matrix)
DieVerdichtungvonBödenlässtsichdurchverschiedenequalitative(LagerungsdichtenachAGBODEN,1994;PackungsdichtenachHarrach&Sauer,2002oderDIN,1998)oderquantitativeGrö-ßen(z.B.mitStechzylinderermittelteLagerungsdichte,EindringwiderstandmitPenetrometer13) be-schreiben. Der Bestimmungsschlüssel bedient sich für die Beurteilung von Verdichtungen resp. der DichtedesBodensdes„integrativen“BegriffsderPackungsdichte.
Die theoretschen Grundlagen zur Packungsdichte sind in Harrach & Sauer (2002) im Detail beschrie-ben. So wird unter Packungsdichte (Pd)14 der mit gefügekundlichen Feldmethoden ermittelte Grad derKompaktheitbzw.LockerheiteinesBodenhorizontesverstanden,dereinenfundamentalenEin-flussaufwichtigeBodeneigenschaftenundBodenfunktionenwiePorengrößenverteilung,Wasser-durchlässigkeit,Durchlüftung,Durchwurzelbarkeit,Ertragsfähigkeit,Verdichtungsempfindlichkeitusw. ausübt. Diese Bodeneigenschaften bzw. Bodenfunktionen werden nicht durch die Packungs-dichteallein,sonderndurchdieKombinationvonKörnung(Textur),PackungsdichteundteilsauchWassergehalt bestimmt.
Bei Zunahme der Packungsdichte (Verdichtung des Bodens) oder bei ihrer Abnahme (Lockerung) ändertsichbesondersderSekundärporenanteildesBodens.UnterSekundärporenverstehtmanimGegensatzzudenkorngrößenbedingtenPrimärporendieaufbiogeneTätigkeit,Frost,Schrumpfung,mechanische Lockerung usw. zurückführbaren Grobporen. Die Packungsdichte ist folglich ein Aus-druckfürdenSekundärporenanteil,derz.B.fürdieLuft-undWasserdurchlässigkeitvonbesondererBedeutungist.DerfürdieInfiltrationwichtigeZusammenhangzwischenPackungsdichteWasser-leitfähigkeit(kf)wurdevonHarrach&Sauer2002untersucht.
DiePackungsdichtewirdin5Stufeneingeteilt:Pd1-5(Pd1sehrgering;Pd2gering;Pd3mittel;Pd4hoch;Pd5sehrhoch).FürdieBestimmungderPackungsdichtewerdenfolgendeKriterienmitun-terschiedlicher Gewichtung herangezogen:
Tab.4/7: DieKriterienundihreunterschiedlicheGewichtungzurBeurteilungderPackungsdichtenachHarrach&Sauer(2002).
Kriterien GewichtungMechanischer Eindringwiderstand mittlere GewichtungAggregatgröße mittlere GewichtungZusammenhalt des Bodengefüges (Verfestigungsgrad) mittlere GewichtungLagerungsart der Aggregate hohe GewichtungAnteil biogener Makroporen hohe GewichtungWurzelverteilung sehr hohe Gewichtung
Tab. 4/8 zeigt den Zusammenhang zwischen den Gefügemerkmalen, Wurzelverteilung und ihre di-agnostischeGewichtung.Siezeigt,dassbeisehrhoherPackungsdichtePd5einhoherEindringwi-derstand zu beobachten ist, die Lagerungsart der Aggregate meist geschlossen und damit der Anteil biogener Makroporen gering ist. Dies führt dazu, dass sich das Wurzelwachstum v.a. an Rissen ori-entiert.ImGegensatzdazuistbeisehrgeringerPackungsdichtePd1dermechanischeEindringwi-derstand gering, der Zusammenhalt des Bodens lose, die Lagerungsart der Aggregate sperrig und damitderAnteilderbiogenenMakroporenrechthoch.DieWurzelnkönnensichineinemsolchen
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Bodengleichmäßigundfreientfalten.DieBeurteilungderPackungsdichtekannweitgehendnachdieserTabelleerfolgen.ImAnhang5istdieBestimmungderPackungsdichteimDetailerklärt.
ImPBSerscheintdasKriterium„Matrixverdichtet“.LiegtdiePackungsdichtebei4oder5,giltdieMatrixalsverdichtet,liegtsiebei3,handeltessichumeinenÜbergangsbereichundessindu.U.wei-tergehende Untersuchungen notwendig.
Tab.4/8: TendenziellerZusammenhangzwischenGefügemerkmalen,WurzelverteilungundPackungsdichtesowieihrediagnostischeGewichtungnachHarrach&Sauer2002.
GefügemerkmalemittlererGewichtung GefügemerkmalehoherGewichtung
Gefüge-indikatorsehrhoherGewichtung
Mechanischer Bodenwider-stand
Aggregat-größe
Zusammenhalt des Bodengefüges (Verfestigungsgrad)
Lagerungs-art der Ag-gregate
Anteil bio-gener Ma-kroporen
Wurzelver-teilung
Packungs-dichte (Pd)
sehr gering sehr fein bis fein
sehr lose (nicht verfestigt)
sperrig sehr hoch gleichmäßig Pd 1 sehr gering
gering sehr fein bis mittel
lose (nicht verfestigt)
offen hoch gleichmäßig Pd 2 gering
mittel fein bis grob
mittel (schwach verfestigt)
halboffen mittel etwas ungleich- mäßig
Pd 3 mittel
hoch ittel bis sehr grob
fest (mittel bis stark verfestigt)
fast ge-schlossen
gerinr starke Häufung in Rissen
Pd 4 hoch
sehr hoch grob bis sehr grob
sehr fest (stark bis sehr stark verfestigt)
geschlossen sehr gering sehr starke Häufung in Rissen
Pd 5 sehr hoch
4.3.8 Matrixdurchlässigkeit
BeiderBeurteilungderAbflussprozessemitdenPBSfürintensiveNiederschlägespielendieMakro-poreneinezentraleRolle.BeiwenigerintensivenNiederschlägen(<ca.20mm/h)gelangtdasWas-serweitgehendalsSickerfrontdurchdieMatrixindenBoden15.
WenigerintensiveNiederschlägebiszu20mm/h(20mm/hentspricht5.5*10-6 m/s) liegen im Be-reichdergesättigtenLeitfähigkeiteinergutdurchlässigenMatrix.Siekönnenalsoweitgehend–zu-mindestübereinegewisseZeit–durchdieMatrixinfiltrieren.BeihöhererIntensitätistdieInfiltra-tionskapazitätderMatrixnichtmehrausreichend.DannisteingutausgebildetesMakroporensystemnötig,umeineguteInfiltrationzugarantieren.
Rawls&Brakensiek(1989)habendiegesättigteWasserleitfähigkeitvon2000Bodenprobenauswer-tet.DaraufbasierendwerdenhierverschiedeneDurchlässigkeitsbereichevorgeschlagen(Abb.4/11,Tab.4/9).ZusätzlichsindauchdieinderAGBODEN(1994)angegebenenDurchlässigkeitenfürver-schiedeneKorngrößenklasseninderAbbildungeingetragen.
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Tab.4/9: DieBodenartenuntergruppendesFeinbodenseingeteiltinDurchlässigkeitsklassen.
Durchlässigkeitsklasse Korngrößekaum durchlässig Tt, TL, Tu2, Ts2, Ts3, Lts, Lt2, Lt3, Tu3Übergangsbereich Lu, Ls2, Ls3, Ls4, St3, Ts4, Ut4 gut durchlässig uU, Us, Su4, Su3, Su2, St2, Sl2, Sl3, Sl4, Slu, Uls, Ut2, Ut3, (Ut4)hoch durchlässig Ss, (St2, Sl2, Su2)
Eswirdempfohlen,imÜbergangsbereich(kritischeDurchlässigkeit)diePackungsdichteeinzubezie-hen.HorizontemitPd1-2dürftensicherlichundPd3bedingteineausreichendeMatrixdurchlässig-keitaufweisen.ZusätzlicheInfiltrations-oderKlein-BeregnungsversucheverleihenderBeurteilungmehr Gewicht (Kap. 5).
4.3.9 Laterale Fließwege
ImKap.2.3wurdendieFließwegeimBodenvorgestellt.HierwerdenhinsichtlichEntstehungdreiverschiedene Arten von Fließwegen (vgl. auch IHW, 2000) nochmals unterschieden:
Geologisch-pedologisch bedingte Fließwege
ÜberdemintaktenFelsgesteinliegtofteineVerwitterungsschicht,diewesentlichhöhereDurchläs-sigkeit als der darunterliegenden Fels resp. der darüberliegende Boden aufweist (Anhang 4, Foto17). ErreichtdasinfiltrierendeWassersolchehochdurchlässigenSchichtenkommteszuraschemlateralenFließen(Scherrer,199716).
Pedologisch bedingte Fließwege
DichteunterschiedeinBödenkönnenzuStauerscheinungenundzulateralemAbflussvonNieder-schlagswasser führen. Durch Auswaschung (Suffosion) von Feinmaterial oder durch die Wühlakti-vitätvonBodentieren(Anhang4,Foto18),abgestorbene(Baum-)WurzelnkönnenimBodeneigent-liche Pipes entstehen.
IndenPBSwirdbeitrockenen(„normalen“)Bödendavonausgegangen,dasslateraleFließwegebeieinerNeigung>10%einenHangentwässernkönnen.BeinassenBödenwirdhingegendavonaus-gegangen,dassdieserlateraleFlussschonab5%möglichist.
Dränagen
DränagendienenderunterirdischenEntwässerungvonBödenundgeltenebenfallsalspräferentielleFließwegeimBoden.UntersuchungenvonStamm,1999habengezeigt,dassdasZusammenwirkenvonvertikalenMakroporenundDränagenzuraschemAbflussführt.Dränagepläne,AussagenvonLandwirten,SchächteundAusläufeamBachsindwichtigeHinweiseaufdasVorhandenseinvonDränagen.ImGegensatzzulateralenFließwegenimBoden,dienebstanderenRandbedingungenzurAktivierungeineGeländeneigungvonetwa10%benötigen,könnenAbflüsseinDränagenschonbeisehrkleinenGeländeneigungenerfolgen.
LateraleFließwegelassensichkaumanBodenaufschlüssenbeobachtenoderdirektimGeländekar-tieren.SiekönnendeshalbindirektdurchAuswertungvonLuftbildern,ZurückverfolgenvonQuell-
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045
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mm
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4.1
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m/h
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m/h
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m/h
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AB
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
4� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
wasser-oderReturnFlow-Wasseraustritten,ErfassenvonoberflächennahenWühlgängen,SuchenvonschmalenRinnenohneoberflächlicheFließspuren,welcheaufunterirdischeAuswaschungsvor-gängeverbundenmitNachsackendesBodenshindeutenu.a.,ermitteltwerden(vgl.Kap.3.2.2).Oftkann dabei weniger das effektive Vorkommen solcher Fließwege, als das Potenzial zu deren Bildung aneinemStandortoderHangeingeschätztwerden.
4.3.10 Hydromorphie17
Rabenhorstetal.(1996)gebeneinengutenÜberblicküberVernässungeninBödenundderenErfas-sung. Die Hydromorphie wird auf zwei verschiedene Arten in den PBS berücksichtigt. Zum einen beiderEntscheidung,obessichum„normale“Bödenoderum„maßgeblichvonGrund-undStau-wasserbeeinflussteBöden“handelt,undzumanderndurchverschiedeneKriterienimPBS.ObbeieinemStandortvoneinem„maßgeblichvonGrund-oderStauwasserbeeinflussten“Bodenauszuge-hen ist, kann anhand von Anzeichen für Hydromorphie oder eines vorhandenen Wasserspiegels be-urteilt werden.
Unterscheidung „normale“ Böden oder von Grund- und Stauwasser beeinflusste Böden
• WasserspiegelerzeugtdurchGrundwasser:UnterdieseKategorie fallensämtlicheGrund-wasserstufengemässTab.42AGBODEN(GWS1-GWS6).FürdieProzessbeurteilungsollzuerstvoneinemmittlerenGrundwasserabstand(MGW)ausgegangenwerden.JenachFragestellungkann aber auch der mittlere Hochstand des Grundwassers (MHGW) von Belang sein.
• WasserspiegelerzeugtdurchStauwassersindoftvorübergehenderNatur.OberflächennaheWas-serspiegelverschwindenmeistraschbeimÜbergangvonderNass-zurTrockenphase(AGBO-DEN,1994).ImFeldistdahernuranhandderVergleyungsspurenamBodenprofilaufsolcheStau-wasserspiegel zu schliessen.
Im PBS enthaltene Kriterien:
• AlsFlurabstandwirddervertikaleAbstanddesGrund-oderStauwasserspiegelszurOberflächebetrachtet.
• MitderLagederVergleyungsmerkmalesindOxidations-undReduktionserscheinungengemeint.• DerVergleyungsgradwirdüberdenVernässungsgrad(AGBODEN,Tab.44)beurteilt.DieStu-
fenVn0–Vn1(KA4,Tab.44)werdendem„Vernässungsgradschwach“(Vergleyungsgrad)zuge-teilt.
4.3.11 Geologie
DieGeologiebeeinflusstzusammenmitanderenFaktorendieEntstehungvonBöden.JenachVer-witterungsproduktderGeologieentstehendurchlässigereundwenigerdurchlässigeBöden.Aberauch der geologische Untergrund kann je nach Zusammensetzung der Schichten unterschiedlich durchlässigsein.SandigeFlussschotteroderstarkverkarsteteKalkeweisenextremhoheDurchläs-sigkeitenbiszu10-3m/sauf.ImGegensatzdazuzeigtunverwittertesKristallinDurchlässigkeitenvon10-11m/s.BeigroßerDurchlässigkeitistmitTiefensickerungzurechnen.KenntnisseüberdieDurchlässigkeitderGeologiesinddaherwichtig.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 43
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
In Rheinland-Pfalz sind verschiedene geologische Karten (1 : 25 000, 1 : 50 000) verfügbar, die in denErläuterungenAngabenüberdieDurchlässigkeitenbeinhalten.ZudemexistierenimMaßstab1 : 200 000 Kartenwerke der Grundwasserlandschaften oder der Hydrogeologie.
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
44 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
5 ZusatzuntersuchungenimFeldzurVerifikationderhergeleitetenProzesse
5.1 Einleitung
AnhandderimKapitel4.3aufgeführtenKriterienundBeurteilungsrichtlinienlässtsichderdominan-teAbflussprozessidentifizieren.BeiUnsicherheitenundzurVerifikationderProzessidentifikationsoll auf hydrologische Zusatzuntersuchungen zurückgegriffen werden. Tabelle 5/1 (IHW, 2000 leicht verändert)bewertetdieAussagekraftverschiedenerMethoden.
DieTabellezeigt,dassInfiltrometer-undKleinberegnungsversucheetlicheInformationenhinsicht-lichInfiltrationshemmnissenliefern.FürdieBeurteilungvonSOFsindKleinberegnungsversuchebessergeeignetalsInfiltrometer.DieDurchführungvonInfiltrometer-undKleinberegnungsversuchemit und ohne Tracer werden im folgenden Abschnitten beschrieben. Laterale Fließprozesse im Boden lassensichmitdiesenHilfsmittelnnurinbesonderenFällenerfassen.
5.2 VersuchemitDoppelringinfiltrometer
BeimDoppelringinfiltrometer(Abb.5/1)werdenzweiMetallringe(Durchmesser30cmund50cm)indenBodengetrieben.EswirdvorsichtigWassereingefülltundanschliessendiminnerenRingdieÄnderungderWasserspiegelhöheunddamitdieInfiltrationinzeitlicherAuflösunggemessen.DeräussereRingdientdazu,Randeffektezuverringern.BeiInfiltrometerversuchenwirdanderBoden-oberflächeeinAufstauerzeugt,wasbeieinemNiederschlagnormalerweisenichtvorkommt.DeshalbistdiegemesseneInfiltrationsratehöheralsbeinatürlichenNiederschlägen.DennochbietetdieseMethodeeineMöglichkeit,verschiedeneStandortezuvergleichenundbeivorsichtigerInterpretati-onauchAussagenüberdienatürlicheInfiltrationsratezutreffen.
5.3 VersuchemitKleinberegnungsanlage
Abbildung 5/2 zeigt die vom IHW entwickelte Kleinberegnungsanlage. Andere Anlagen sind die von BorkundBork,1981undMarkartundKohl(mündl.Mitteilung).Hierwirdmiteinerbatteriebetrie-benenPumpeWasserübereinenSchlauchvomVorratsbehälterzurDüsegepumptundübereinerkreisförmigenFlächevon1m2verregnet.BeikontinuierlicherBeregnunglassensichIntensitätenvon 50 mm h-1 bis 150 mm h-1 erzeugen, mit Intervall-Beregnung solche von 1 mm h-1 bis 50 mm h-1.DieBeregnungsflächewirddurcheinenMetallringabgegrenzt,der10cmindenHumusabgeteuftwird.DerÜbergangsbereichamMetallringwirdmitTonabgedichtet.AuftretenderOberflächenab-flussverlässtdenRingdurcheinenAuslassandertiefstenStelleundwirddurcheinenSchlauchzueiner Wippe geführt18.
DerAufbauderAnlage,diemitsämtlichemZubehöretwa80kgwiegt,dauertzwischen30und45min.JenachVersuchsdauerkönnenmitdieserAnlage4bis6BeregnungenproTagdurchgeführtwerden.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 45
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
Pumpe
Wippe
Düse
Metallring
1.1 m
Abb. 5/1: Doppelringinfiltrometer (IHW, 2000)
Abb. 5/2: Versuchaufbau Kleinberegnungsanlage (IHW, 2000)
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
46 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Tab.5/1:InformationenundHinweise,dieInfiltrometerundKleinberegnungsversucheliefern.
Abfl
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proz
ess Infiltrometer Kleinberegnungsversuch
Beurteilungskriterium Wasser Tracer Wasser Tracer Ebene Hang Ebene Hang Ebene Hang Ebene Hang
HO
F
Max.Infiltrationsrate D z D z z z z z
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SOF
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Sättigungsdefizit z z z z D D D D
Muldenrückhalt - - - - D D D D
SSF
Laterale Fließwege - - - D - b - D
Laterale Durchlässigkeit - - - z - - - -
DP
Minimale Infiltrationsrate z z z z z z z z
Vertikale Fließwege (Mp) - - z z z z D D
D detaillierte Aussagen mit großem Informationsgehalt
b bedingt Aussagen möglich
z zum Teil Aussagen möglich
- keine Aussagen möglich
5.4 EinsatzvonTracernbeiInfiltrometerundKleinberegnungsversuchen
MitdemEinsatzvonTracernkannderInformationsgehaltderInfiltrometer-undKleinbereg-nungsversuchedeutlicherhöhtwerden(Ghodrati,1990;Fluryetal.,1994).EingeeigneterTracerzurVisualisierungvonFließwegenistderFarbstoffBrilliantBlueFCF.ErstellteinengutenKompro-misszwischengeringerSorption,SichtbarkeitundeinerhohenUmweltverträglichkeitdar(Flury&Flühler,1995).DerTracerwirdjenachFragestellungdemBeregungswasserkontinuierlichodernacheinerbestimmtenInfiltrationsmengezugegeben.NachdemBeregnungsversuchwerdenaufderVer-suchsflächevorsichtighorizontaleund/odervertikaleBodenprofilepräpariertundfotografiert.Mitdieser Methode lassen sich einzelne Fließwege und das Ausbreitungsmuster des Wassers im Boden untersuchen.DamitwirddieZuordnungvonFlächenzubestimmtenAbflussprozessenerleichtert.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 47
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
5.5 TracerversucheanHängen
MitFluoreszenztracern(Uranin,Eosin)oderanionischenTracern(Chlorid,Bromid)lassensichla-teraleFließwegeanHängenuntersuchen.DazuwirdaneinerStelleimHangoberflächlichoderimBodenderTracereingespeistundhangabwärtsdasaustretendeWasseroderdasWasserinderge-sättigtenZoneaufseineTracerkonzentrationhingetestet.SolcheVersuchekönnenunterstationärenBedingungen durchgeführt werden, was aber eine künstliche Beregnung voraussetzt, oder unter in-stationärenBedingungen,beinatürlichenNiederschlagsereignissen,wasmeisteinelangeVersuchs-dauer bedingt. Besonders in Gebieten, wo die Prozessevaluation ausgedehnte Areale mit lateralen AbflussprozessenimBodenergibt,werdensolcheVersucheempfohlen.
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48 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
6 BeispielederProzessbeurteilungaufverschiedenenRaumSkalen
6.1 Einleitung
AndieserStellewerdeneinzelneBeispielederProzessevaluationvorgestellt.DamitlässtsichdieVorgehensweise am praktischen Beispiel nachvollziehen. Zudem wird auch ein Feldformular zur ErfassungderKriteriengezeigtundanhandzweierStandortemitunterschiedlicherLandnutzungwirddieErfassungderStandorteigenschaftenunddieEvaluationderdominantenAbflussprozessedemonstriert.AmEinzugsgebietIdarbachbeiAllenbachwerdenaneinerProzess-Catenadieunter-schiedlichenAbflussprozessepräsentiert.DieflächendeckendeProzesskartestelltdasEndproduktderräumlichenÜbertragungdervomStandortausgehendenAbflussprozess-Kartierungdar.
6.2 DieProzessbeurteilungamStandort
6.2.1 Unterlagen zur Erhebung
Die Untersuchungen der Standorte laufen nach einem einheitlichen Vorgehen ab, welches beispielhaft inderAbbildung6/1,6/4und6/5dargestelltist.Abbildung6/1zeigtdasFormularzurErfassungab-flussrelevanterKriterien.NebstdenStandortdaten(Lage,Relief,Bodentyp,Geologie)sinddieinden PBS enthaltenen Kriterien aufgeführt. Die Mp-Zahl kann in das Formular dem Bodenhorizont entsprechendeingetragenundanhanddesMaßstabesdieMakroporositätbestimmtwerden.FürdieBeurteilungderMatrixdurchlässigkeitbestehteinKorngrößen-DreieckmitdefiniertenDurchläs-sigkeitsbereichen.AllfälligeZusatzuntersuchungen(InfiltrometerversucheundKleinberegungsver-suchemitundohneTracerzugabe)könnenalsGraphen(Infiltrations-oderOberflächenabflussmengeinAbhängigkeitderZeit)odereinfachalsWerteindiefreieFlächeeingetragenwerden.BasierendaufdenAngabenaufdiesemFormularkönnensämtlicheEntscheidungsfragenimPBSbeantwortetwerden. An den Beispielen Massweiler P02 und P07 werden zwei Standortuntersuchungen und Pro-zessbeurteilungen vorgestellt.
6.2.2 Die Prozessbeurteilung an zwei Standorten und Prozesskarte Massweiler-Kneispermühle
6.2.2.1 Einleitung
Im September 2000 wurden in der Gegend von Massweiler nordwestlich von Pirmasens verschie-deneStandortenachAbflussprozessenuntersucht.DasUntersuchungsgebietMassweilerstellteinetypischeRaumeinheitSaarländisch-PfälzischenMuschelkalkgebietsdar.DasUntersuchungsgebietist im Kartenausschnitt (Abb. 6/2) dargestellt und die im Landwirtschaftsgebiet liegenden Untersu-chungsstandorte (P01 bis P07) sind eingetragen. Die zertalte Plateaulandschaft wird zu einem über-wiegendenTeilderSüdwestpfälzischenHochflächezugeordnetundbestehtausHochflächenum350mü.NNundverzweigtenTälernmiteinerTalsohleaufca.230mü.NN.DiesteilerenAbhängeweisenmeistWaldauf,währenddieHochflächenvorwiegendackerbaulichaber,z.T.auchalsGrün-land genutzt werden.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 49
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
6.2.2.2 Geologie
DieAngabenzuGeologie,BödenundKlimaentstammendenErläuterungenzurgeologischenKartePirmasens-Nord(Konrad,1975).InderAbbildung6/3istdieVerbreitungdergeologischenSchichtendargestellt.DiehöhergelegenenGebietebestehenausdemtriadischenUnteren Muschelkalk (mu2 und mu1). Der Wellenkalk (mu2) tritt kaum auf.
HingegensinddieMuschelsandsteineunddiemergeligenSchichtenstarkvertreten.EineWechsel-folge von gelblichgrauen Sandsteinen und grüngrauen mehr oder minder sandigen Tonsteinen bau-en diese Schichten auf. Gegen unten schliessen die Schichten des Oberen Buntsandsteins (so2 und so1)an.DieSchichtendesVoltzien-Sandstein(so2)bestehenauswenigerdurchlässigenFeinsand-stein,währenddieanschliessendenSchichtendesso1,diesog.Zwischenschichten,ausbesserdurch-lässigengröberenSandsteinenbestehen.
6.2.2.3 Klima
DerjährlicheNiederschlagliegtimBereichzwischen600und900mm/a,diemittlereJahres-temperatur bei 8.7 ° C.
6.2.2.4 Massweiler, Standort P02: Ackerstandort auf Muschelsandstein
Die Lage der Bodengrube PO2 ist aus der Karte und der Standortcharakterisierung ersichtlich (Abb. 6/2 und 3 und 6/4).
Bodenansprache
Auf den Schichten des Voltzien-Sandsteins hat sich ein Pseudogley-Boden entwickelt. Unter dem 0.2 mmächtigenAp-HorizontliegteinbeigebraunerSw-HorizontmitgrauenFlecken.Eshandeltsichum einen regenwurmreichen sandigen Silt. In 0.6 m Tiefe folgt der ebenfalls beigebraune sandig-sil-tigeSd-Horizont.JedochtrittmitzunehmenderTiefediebeigebrauneFarbezuGunstenvonrotenundgrauenFleckensowiestarkenMarmorierungen(25%)indenHintergrund.ImganzenProfilwarkein Skelett feststellbar.
Beurteilung der abflussrelevanten Kriterien
DieAbbildung6/5zeigtdieBeurteilungabflussrelevanterKriterien.TrotzergiebigerNiederschlägeimVorfeldderUntersuchungenwurdenkaumHinweiseaufVerschlämmungenaufderBodenober-flächefestgestellt.ZudembliebenbeimVerschlämmungstest(einfacherNass-Siebungstest)dieBo-denaggregatestabil.DieMakroporendichtewurdeaufgrundderAuszählungalshochangesprochen.Der Tracerversuch hingegen brachte aufgrund der hohen Bodenfeuchte nicht die gewünschten Re-sultate.AndiesemStandortwürdesichein(nochmaliger)InfiltrometerversuchkombiniertmitTra-cereinsatzbeiwenigerfeuchtenBodenverhältnissenlohnen.
Prozessbeurteilung
DieAbbildungen6/6(niedrigeIntensität)und6/7(hoheIntensität)zeigendieProzessbeurteilung.BeiniedrigerNiederschlagsintensitäterfolgtSOF3.DankgünstigerInfiltrationsbedingungen(fürAcker-standortehoheMakroporosität)kanneingroßerTeildesoftfeuchtenBodenprofilsgesättigtwerden.DeshalbtrittOberflächenabflusserstverzögertauf.19
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
50 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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niedrige Niederschlagsintensitäthohe Niederschlagsintensität
Abb. 6/1: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien.
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BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 51
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
PO1PO2
PO3
PO4
PO5
PO6,7
Abb. 6/2: Topographische Karte (1:50'000, L6710, Pirmasens-Nord, Landesvermessungsamt Rheinland-Pfalz, 1993) mit der Lage der Untersuchungsstandorte (P01-P07).
Kalksteine, blaugrau,feinschichtig,an der Basis Karbonatbreccie
Sand-, Schluff-, und Tonsteine, grau, teilweise karbonatisch, im oberen Teil Mergel mit Dolomitbänken, τ = Haupt-Terebratelbank
Sandsteine, rot und gebleicht, mittel- bis grobkörnig,Tonsteine rot untergeordnet auch grüngrau
Sandsteine, im unteren Teil rötlichgrau, grob geröllführend; nach oben graurot, glimmerführend, geröllfrei, mit Karbonatknauren und Dolomit-bröckelbänken; oberste Partien Sandsteine, mittel- und grobkörnig
Abb. 6/3: Geologische Karte im Massstab 1 : 25'000 (Geologisches LandesamtRheinland-Pfalz, Mainz, 1974, Blatt 6711, Pirmasens-Nord).
Mergelige Schichten, Muschelsandstein Wellenkalk
Zwischenschichten, Hauptkonglomerat, Obere Felszone Voltziensandstein
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PO1
PO2
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PO4
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PO6,7
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
5� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
6.2.2.5 Massweiler, Standort P06: Mähwiese auf Voltzien-Sandstein
An diesen Standort wurde eine lange Schürfgrube (Graben) angelegt, welche sowohl die Acker- als auch die Grünlandparzelle erfasste.
Bodenansprache
An diesem, 12% geneigten Standort wurde auf den Zwischenschichten (Ob. Buntsandstein) eine flachgründigeRanker-Braunerdeaufgeschlossen(Abb.6/8).DerlangeGrabenzeigtedievariierendeGründigkeitdesBodenssehreindrücklich.Diesandig-lehmigeBodenmatrixwieswederVerdich-tungen,nochvieleMpimOberbodenaus(Abb.6/9).ImUnterbodenkonntenetlicheMpbeobach-tet werden und mit der Tiefe nahm der Skelettgehalt auf ca. 10% zu. Die Zwischenschichten des ob. Buntsandsteins,dieausgrobkörnigenSandsteinenaufgebautsind,zeigenbessereDurchlässigkeitalsder Voltzien-Sandstein. Die Grabarbeiten brachten einen plattigen Sandstein mit etlichen Fugen zu-tage,diefürinfiltrierendesWasserdurchdringbarscheinen.
Prozessbeurteilung
AufgrundderBeurteilungderabflussrelevantenKriterienkanndieProzessbeurteilunginAbbildung6/10(niedrige)und6/11(hoheIntensität)vorgenommenwerden.AufgrundderhohenDurchlässigkeitderMatrixundder(wahrscheinlich)gutenDurchlässigkeitderGeologiedürftesichbeiergiebigen,wenigintensivenNiederschlägenTiefensickerungalsdominanterProzesseinstellen.Ebenfallseinge-tragen ist der Beurteilungsweg, wenn von stauendem Untergrund ausgegangen wird (SSF3).
BeiintensivenNiederschlägenstelltdieMp-ArmutimOberbodeneinHemmnisfürdieInfiltrationdar.InjenemFallstelltsichHOF2alsdominanterProzessein.DieErfassungderMpinderUm-gebungdiesesStandortsundweitereUntersuchungen(Kleinberegnungs-undInfiltrometerversuchemitoderohneTracer)müssenhingegenAufschlussüberdieInfiltrationsverhältnissebeiGewitter-niederschlägengeben.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 53
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 6/4: Die Bodenansprache am Standort Massweiler P02.
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
54 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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Abb. 6/5: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien aus Standort Massweiler (P02).
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BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 55
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
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Abb. 6/7: Prozessbeurteilung am Standort Massweiler P02 (hohe Niederschlagsintensität).Die punktierte Linie markiert den Entscheidungsgang.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 57
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Abb. 6/8: Die Bodenansprache am Standort Massweiler PO6.
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
58 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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Abb. 6/9: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien aus Standort Massweiler P06.
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
60 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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Abb. 6/11: Prozessbeurteilung am Standort Massweiler P06 (hohe Niederschlagsintensität).
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
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6.2.2.6 Prozesskarte Massweiler-Kneispermühle
Prozesskarte wenig intensive Niederschläge
Abb.6/12zeigtdieProzesskarteMassweilerfürNiederschlägegeringerIntensität.Imlandwirt-schaftlich genutzten Gebiet (oberer Gebietsteil) überwiegt SOF3 als dominanter Prozess. In den ebenenFlächenMüllkopfundHäselbergerhofisttrotzteilweisesehrflachgründigerBöden(P03)DPzuerwarten,daderSandsteinrechtdurchlässigist.SOF2istlediglichaufschmaleMuldenarealenbegrenzt,wosichdieBodenfeuchtelängerhältundsichstellenweisepseudovergleyteBödenentwi-ckelt haben. Beim Standort P02 (Pseudogley) wurde SOF3 (Grenzfall zu SOF2) als dominanter Pro-zessevaluiert.AllerdingsistdiesesBandmitpseudoverleytenBödenimGeländeschmal(Breite:we-nigeMeter,Höhenlage:ca.auf360mü.NN),sodassesalsProzessarealeohnehinnichtabgegrenztwerden muss.
Die bewaldeten HängeliegenimBereichdesoberenBuntsandsteins.DieBödensindsehrsandigundtrotzteilweisebeachtlicherHangneigungrechttiefgründig.Fließgerinne,dieaufAbflussbildungimWaldgebiethindeuten,fehlengänzlich.AllerdingshatesGerinne,derenUrsprungaufdenland-wirtschaftlichgenutztenFlächenliegen.DiebegutachtetenAufschlüsseimWaldzeigeneinzelne,meistkurzeundwenighoheFelskanzeln.DasFehlendurchgehenderFelsbänderdeutetdaraufhin,dasswahrscheinlichdieZwischenbereichestärkerverwittertsindundnichtnurinGefällsrichtungsondernauchhorizontalgrößereUnterschiedeinderDurchlässigkeitdieserFelsformationenbeste-hen.
Aufgrunddersandigen,tiefgründigenunddurchlässigenBödendürfteindenHängenmeistDP,anwenigenStellenSSF3dominieren.GebietemitstärkeremlateralenAbflussimBoden(SSF2)sindaufgrunddesFehlensvonStauschichtenkaumwahrscheinlich,abgesehenvonextremsteilenWald-flächenmitnahezuanstehendemSandssteinfels.
InderAuedesSchwarzbachs(GrundwasserspiegelwenigedmunterFlur)dürfteaufdennassenBö-den SOF2 auftreten. Mit SOF1 ist aufgrund der geringen Hangneigung kaum zu rechnen.
Als Gesamtbeurteilung kann festgestellt werden:
• DieverzögertenAbflussprozesseSOF3,SSF3undDPsindflächenmäßigdominantimGebiet.• RascheAbflussbildungsindaufwenigeMuldenflächenbegrenzt.• BeilangenNiederschlägendürftenzuersteinzelneStrassenflächen(HOF)undMuldenflächen(ge-
ringeresSättigungsdefizit)ansprechen.• DiestarkeundrascheAbflussbildungkonzentriertsichjedochaufkleineAreale.Insgesamtwird
indiesemGebieteinestarkbissehrstarkverzögerteAbflussbildungbeianhaltendenNiederschlä-gen zu erwarten sein.
Prozesskarte intensive Niederschläge
DieStandortkartierunghatergeben,dasssichaufgrunddergutenDurchlässigkeitderBödenkeinewesentlichenUnterschiedederAbflussprozesseresultieren.VonderNiederschlagsintensitätabhän-gigeUnterschiedeimAbflussverhaltensindnuraufkleinenArealenzuerwarten.DieseArealeliegeninTiefenliniendesReliefs,welchedenOberflächenabflusssammelnundihnabführen.DerNieder-
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
6� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
schlagderaufdieseFlächenfällt,fließtalsHOFab.StrassenundWege,dieinsolchenMuldenver-laufen,nehmenden(marginalen)AbflussderÄckerauf.
Dass Wege und Strassen als Wasserleitlinien dienen, zeigte sich auch auf dem Weg Kneispermühle- Häselberg,woderKiesbelagerheblicheErosionsspurenaufwies.
Dabeikurzen,intensivenNiederschlägenkaumdieNiederschlagsvolumenanfallen,diezumAuslö-senvonSOF3oderSSF3ausreichendsind,istaufjenenFlächenDPzuerwarten.AufnassenBödenderBachaue(Schwarzbach)hingegenreichtdieInfiltrationskapazitätbeiStarkregennichtausundesentstehtHOF2(J>ca.3%).
Abb.6/12,13(nächsteSeite)
6.3 DieAbflussprozesseanverschiedenenHängenundineinemEinzugsgebiet
6.3.1 Einleitung
IndiesemKapitelwerdenHangsequenzen(Catena)ausverschiedenenEinzugsgebietendargestelltunderläutert.DieProzess-Evaluationbeziehtsichaufwenigintensive,ergiebigeNiederschläge.Diessollzeigen,wiedieProzessabfolgeanHängenaussehenkannundwiesichdieverschiedenenProzes-sarealeaneinemHangbeeinflussenkönnen.ZudemwirddieProzesskartedesIdarbach-Einzugsge-biets vorgestellt (IHW, 2000).
6.3.2 Beispiele einiger Prozess-Catena
6.3.2.1 Prozess-Catena Idarbach 1 (Ringelkopf-Schwarzenbruch)
Abbildung6/14zeigteinLängsprofildesHangesmitGeologie,BödenundLandnutzung(InstitutfürHydromechanikundWasserwirtschaftderETHZürich,2000).DerHangweistimoberenTeilmit-telgründigeBödenauf,dieimunterenTeildesHangesüberGehängeschuttundGehängelehmliegenundanMächtigkeitzunehmen.EinedetaillierteBeschreibungderBodenprofilebefindetsichinIHW(2000).ÜberdemkompaktenQuarzitsandsteinliegteinewenigeMetermächtigeVerwitterungs-schicht,dieklüftigunddurchlässigist.DieausdemVerwitterungsproduktentstandenenBödensindebenfallsdurchlässig.(s.Abb6/14)
DarausergibtsichdasfolgendeProzessbild:AufdemflacherenRingelkopfundimoberstenTeildesHangessickertNiederschlagswasserdurchdiedurchlässigeMatrixundentlangvonMakroporen(Pflanzenwurzeln)indieBödenundweiterindenverwittertenUntergrund(Abb.6/14a).AufgrunddesbeachtlichenSpeichervermögensderBödenundderdarunterliegendenVerwitterungsschichtistaufdiesenFlächenTiefensickerung(DP)zuerwarten.ImMittelhangfließtinfiltriertesNieder-schlagswassererstnachausreichenderBenetzungstarkverzögert(SSF3)hangabwärts(Abb.6/14b).AufgrundderbeachtlichenBodenmächtigkeitdürftendieseBödenkaumvollständiggesättigtwerden.ImunterenHangteilwirddasSättigungsdefizitmitzunehmenderGerinnenähegeringer,daHang-wasserkontinuierlichindiesenBereichentwässert.EsentstehtverzögerterAbflussimBoden(SSF2undSSF1,Abb.6/14c)entlanglateralerFließwege(Pipes,hochdurchlässigeHorizonteinderVerwit-terungsschicht). In einem schmalen Saum entlang des Idarbachs liegt der Wasserspiegel nur wenige ZentimeterunterFlur,undesentstehtOberflächenabfluss(SOF1)alsFolgederraschenBodensätti-
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 63
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Abb. 6/12: Dominante Abflussprozesse bei langen, wenig intensiven Niederschlägenim Einzugsgebiet Massweiler-Kneispermühle.
Abb. 6/13: Dominante Abflussprozesse bei intensiven Niederschlägenim Einzugsgebiet Massweiler-Kneispermühle.
Untersuchungsgebiet
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64 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
gung.TrotzderbeachtlichenSteilheitdesHangesistdieAbflussbildunginfolgederverhältnismäßigmächtigenBodenprofileunddemFehleneinerdichtenStauschicht(Fels)verzögert.
6.3.2.2 Prozess-Catena Idarbach 2 (Am Sand - Honigsack)
Abbildung 6/15 zeigt eine Prozess-Catena des unbewaldeten Teils des Idarbach-Einzugsgebiets. Im Hang wechselt der Untergrund von Taunusquarzit zu Hunsrückschiefer. Der mittlere Teil des Hanges im Bereich der trockenen Böden wird ackerbaulich genutzt, der untere Teil mit feuchten bis nassen Böden dient als Mähwiese und Weide.
Im flacheren, obersten Teil des Hanges haben sich auf Quarzit tiefgründige, durchlässige Böden entwi-ckelt. Dank guten Infiltrations- und Speichereigenschaften findet dort DP statt. Im bewaldeten Ober-hang fließt das Wasser verzögert lateral im Boden ab (SSF3). Im Mittelhang sind über dem Hunsrück-schiefer relativ mächtige Böden entstanden, die ackerbaulich genutzt werden. An der Bodenoberfläche besteht keine Verschlämmungsneigung, sodass die sandig-lehmigen Böden günstige Infiltration zei-gen. Sie sättigen sich daher langsam und es entsteht SOF3. Im steileren Teil des Mittelhanges sind die Böden flachgründiger und die Voraussetzungen für lateralen Abfluss im Boden günstig (SSF2). Dieses Wasser gelangt im flacher werdenden Unterhang wieder an die Oberfläche (RF) und sorgt für ver-nässte Böden in jenem Bereich. Dies ermöglicht SOF2, in Gerinnenähe sogar SOF1. (s. Abb 6/15)
6.3.2.3 Prozess-Catena Ror (Kanton Zürich, Schweiz)
Die Prozess-Catena Ror liegt in einem Kleineinzugsgebiet ca. 20 km südöstlich von Zürich, das von Schmocker-Fackel (2004) detailliert nach Abflussprozessen untersucht wurde. Abbildung 6/16 zeigt die Prozesscatena eines 500 m langen, landwirtschaftlich genutzten, NE exponierten Hanges. Der oberflächennahe Untergrund bildet die Moräne eines Drumlins und ein Kolluvium, der tiefere Unter-grund besteht aus Sandsteinen und Mergeln der Oberen Süsswasser Molasse. Die Prozessevaluation stützt sich zusätzlich auf Messungen ab (Piezometer GW1, 3, 6. 8, 9).
Im Oberhang (GW9) bildet die schwach durchlässige Moräne ein Hindernis für die vertikale Sicke-rung und die laterale Durchlässigkeit des Bodens ist gering (SOF2). Beim abrupten Gefällewechsel bei GW8, tritt Wasser als Return Flow (RF) aus und sorgt kleinräumig für SOF1. Weiter unten liegt ein besser durchlässiges Kolluvium, das nur bei sehr ergiebigen Niederschlägen gesättigt wird (SOF3) und leichten lateralen Abfluss im Boden (SSF3) ermöglicht. Weiter unten liegt ein weiterer Gefälls-knick bevor der Hang über der Molasse ausflacht. Beim Gefällsknick wurde austretendes Hangwasser beobachtet (RF) was kleinflächig SOF1 erzeugte. Dieses Wasser infiltriert wieder, sodass unterhalb davon auf den zeitweise feuchten bis gar nassen Böden SOF2 kartiert wurde. In der Nähe des Baches (GW1) wurde der Boden drainiert. Die häufige Sättigung des Bodens in jenem Bereich deutet auf ein-geschränkte Funktionstüchtigkeit der Drainagen hin (SOF1). (s. Abb. 6/16)
6.3.2.4 Prozess-Catena Grundsgraben, Zemmer (Rheinland-Pfalz)
Das Einzugsgebiet des Grundsgrabens bei Zemmer liegt ca. 15 km nördlich von Trier. Dieses Gebiet wurde von Schobel detailliert nach Abflussprozessen untersucht (Steffen Schobel, 2004). Die darge-stellte Catena basiert auf Scherrer AG (2005). Der Hang liegt im Bereich des Oberen Buntsandsteins, der aus den Sandsteinen der Zwischenschichten (so1) und den Wechsellagerungen aus Sand-, Schluff- und Tonsteinen des Voltziensandsteines (so2) aufgebaut ist. Die Böden des oberen, ackerbaulich ge-nutzten Hangteils sind je nach Durchlässigkeit des Ausgangsmaterials Braunerden und Pseudogleye. Im unteren, steileren und bewaldeten Bereich liegen Braunerden und Regosole.
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66 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 67
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68 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Abbildung6/17zeigtdieProzesscatena.ImKastenüberdemHangprofilsinddieErgebnissederPro-zessbeurteilungnachPBSfürdenStandortangegeben,daruntersindunterdemBegriff„Catena“dieevaluiertenProzesseaufgeführt,wennzusätzlichnochhanghydrologischeAspekteberücksichtigtwerden.
InderKuppenlageamoberenEndedesHangesergibtdasPBSSOF3.AngesichtsderFlachheitdesGeländeundderperipherenLagedieserFlächewurdedieFlächealsnichtbeitragendbeurteilt.Dermittlere Teil des Hanges wird als SOF3 beurteilt. Im steileren, bewaldeten Unterhang ergibt das PBS aufgrundderteilweisehochdurchlässigenSandsteineDP.Dieswürdebedeuten,dassdasalsSOF3abfließendeNiederschlagswasserdesOberhangesinjenembachnahenSaumversickernwürde.DadieserSaumnurwenige10er-Meterbreitist,isteinewesentliche„Pufferung“desAbflusseskaumwahrscheinlich. Die Besichtigung des Steilhanges zeigte auch, dass verschiedene Rinnen vom Wald-rand bis zum Bach hinunter reichen, d. h. der landwirtschaftlich genutzte Bereich des Hanges ist also ans Gerinne angeschlossen. (s. Abb. 6/17)
6.3.2.4 Prozess-Catena mit starker gegenseitiger Beeinflussung der Prozessflächen
Abbildung6/18zeigteineProzesscatenamitstarkergegenseitigerBeeinflussungProzessflächen.ImOberhang liegt ein schmales Kalksteinband. Unterhalb davon bilden Tonschichten den geologischen Untergrund,worauffeuchtebisnasseBödenentstandensind(Gleye,Pseudogleye).HangabwärtsstreichteineetwasbesserdurchlässigeMergelformationausundamHangfussbildenKalkgesteineden Untergrund.
Im obersten Hangabschnitt über Kalkgestein versickert das Niederschlagswasser (DP). Der Abschnitt mitTonuntergrundmitfeuchtenbisnassenBödenwirdgemässPBSalsSOF1bis2klassifiziert.DeranschliessendeBereichmitMergeluntergrundwirdgemässPBSalsSOF3klassifiziert,derHangfussalsSSF2.DadieimoberenTeildesHangesliegenden,starkreagierendenSOF1-2-Flächendenunter-halbdavonliegendenSOF3-FlächenWasserzuführen,wirddieProzessintensitätvonSOF3aufSOF2erhöht.ImBereichdesHangfusseserhöhtsichdieIntensitätvonSSF2aufSSF1.(s.Abb.6/18)
6.3.3 Abflussprozesskarte des Idarbach-Einzugsgebiets
DerIdarbachliegtimHunsrückzwischen478und766mü.NN.DerJahresniederschlagbeträgt1055mm. Der geologische Untergrund bildet der Hunsrückschiefer und der Taunusquarzit. Darauf ent-wickeltensichstarksaureBraunerdenmitsandig-lehmigerTextur.DieBödenaufGehängeschuttab-lagerungendesQuarzitssindteilweisevernässt,undesentwickeltensichGleyeunterschiedlichsterAusprägung.
MittelsderzusammengetragenenGrundlagenundderProzess-CatenenkonntedieAbflussprozess-karteermitteltwerden(Abb.6/19).Abbildung6/20zeigtdenAnteilderverschiedenenAbflusspro-zesseimEinzugsgebietbeiwenigintensivenNiederschlägen.Auf12%derGebietsflächefindetent-langderGerinneundindenvernässtenBereichensofortigerOberflächenabfluss(SOF1)alsFolgederBodensättigungstatt.IndenlandwirtschaftlichgenutztenUnterhängenimunterenTeildesEinzugs-gebietsliegenArealemitverzögertemOberflächenabfluss(SOF2:8%).ImForstsinddieFlächenmitsofortigemAbflussimBoden(SSF1)klein(8%)undliegenoftoberhalbvongesättigtenBereichen.DominantsindhingegenleichtundstarkverzögerterAbflussimBoden(SSF2undSSF3)mit18resp.32%.KaumodergarnichtanderAbflussbildungbeteiligtsind16%derGebietsfläche(DP).RascheAbflüssealsFolgevonInfiltrationshemmnissenspielenimIdarbachbeilanganhaltendenNiederschlä-gen kaum eine Rolle. (s. Abb. 6/19 und Abb. 6/20)
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 69
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7� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Abb. 6/20: Flächenanteile der Abflusstypen im Einzugsgebiet des Idarbachs.
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BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 83
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18/2006
Abkürzungsverzeichnis:
AGBODEN Kartieranleitung4(AG,Bodenkunde,1994).
ATKIS Amtlich topographisch-kartographisches Informationssystem der Landesver
messungsämter
c Carbonatgehalt
h Humusgehalt
Vn Vernässungstufe
Ver Verschlämmungsneigung
W Durchwurzelungsintensität
I Niederschlagsintensität
Mp Makroporen,Makroporosität
PBS Prozess-Beurteilungsschema
Pd Packungsdichte
SSF SubsurfaceFlow(AbflussimBoden)
HOF HortonischerOberflächenabfluss
THOF TemporaryHortonianOverlandFlow(vorübergehenderOberflächenabfluss)
SOF SaturationOverlandFlow(gesättigterOberflächenabfluss)
DP Deep percolation (Tiefensickerung)
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84 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Anhang
Anhang1: GrundlagenzudenAbflussprozessenaufverschiedenerLandnutzung
Anhang 2: Weitergehende Untersuchungen zur Vorerkundung
Anhang3: Abflussreaktionskurven
Anhang 4: Fotodokumentation
Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte nach Harrach & Sauer, 2002
Anhang6: VerschiedeneFormularezurErfassunghochwasserrelevanterKriterien
Fußnoten
1DieUnterscheidungzwischenHortonschemOberflächenabfluss(HOF)undgesättigtemOberflä-chenabfluss(SOF,sieheS.7)istoftschwierig.VerschiedeneAutorensprechenvonSOF,wenneinOberboden,derübereinemwenigerdurchlässigenUnterbodenliegt,gesättigtwird.DaalsUrsa-chefürdenOberflächenabflusseinInfiltrationshemmnisdesUnterbodensvorliegt,gehenwirinsolchenFällenvonHOFaus.VonSOFwirdhiergesprochen,wenn(weitgehend)diegesamteBo-densäulegesättigtist.
2DerVorgangderVerschlämmungkanndurcheinenhohenRegenwurmbesatzunddiedamitver-bundenePerforationderVerschlämmungskrustekompensiertwerden.
3FachliteraturwieHillslopeHydrology(Kirkby,1978)oderProcessstudiesinhillslopehydrology(Anderson&Burt,1990)vermitteltAnschauungsmaterial,wiemansichdasZusammenwirkenvonAbflussprozessenvorstellenmuss.
4 Die Anwendung der PBS stützt sich auf Informationen ab, die an Bodengruben erhoben werden können.SondierungengebenzwarAufschlussüberSchichtung,Textur,Bodenfarbe,etc.,hinge-gen sind Aussagen über die Struktur an einer Sonde (Pürkhauer oder Rammkernbohrung) kaum machbar.
5DieEntwicklungvongeographischenInformationssystemenhatdazugeführt,dassverschieden-artige,digitalverfügbareGeländedatenmiteinanderkombiniert(„verschnitten“)werden,undsobeispielsweiseaufdieAbflussreaktionvonEinzugsgebietengeschlossenwird.DieseVerfahrenhabenbisheutenichtdenerwartetenErfolggehabt.VerschiedeneGründesinddafürverantwort-lich,wiebeispielsweisedieKomplexitätdesAbflussbildungsprozesses,fehlendesoderunvollstän-digesProzessverständnis,UnkenntnisdermaßgebendenParameterundderenZusammenwirken,gegenseitigeräumlicheBeeinflussungderProzesse,mangelndeVerfügbarkeitwichtigerParame-terwiez.B.Makroporositätu.v.a.
6EineCatenaisteineregelhafteAbfolgevonBödenaneinemHang,diedurchUmlagerungsprozessedifferenziert wurden.
7HeterogenitätenbeiAufbauundEigenschaftendesBodenssindbeinatürlichenaberauchanthro-pogenüberprägtenBödenüblich.BeilandwirtschaftlichgenutztenFlächenkommtdieArtderBearbeitung (unterschiedlicher Verdichtungs- und Deckungsgrad auf Fahrspuren und in den Zwi-schenbereichen,u.a.)insSpiel.AufFahrspurenisthäufigHOFzubeobachten,währendimZwi-
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schenbereichdurchausguteInfiltrationseigenschaftenvorherrschenkönnen.ObsolcheFahrspurenabflussrelevantwerdenkönnen,hängtvonverschiedenenFaktorenu.a.auchvonderBewirtschaf-tungsrichtungab.BeimÜbertrageneinerStandortbeurteilungaufdieFlächemussderBearbeiterdiesem Umstand Rechnung tragen.
8 Bei einem Beregnungsversuch in Hospental in den Schweizer Zentralalpen entstand auf der Ober-flächeeinesflachgründigensandigenBraunerdebodens,dereinenoberflächennahenWurzelfilzaufwies,raschabervorübergehendOberflächenabfluss.AlsUrsachewurdediestarkeAustrock-nungunddiestarkeoberflächennaheDurchwurzelungangesehen.
9UnterPackungsdichtewirddermitgefügekundlichenFeldmethodenermittelteGradderKompakt-heitbzw.LockerheiteinesBodenhorizontesverstanden,dereinenfundamentalenEinflussaufwichtigeBodeneigenschaftenundBodenfunktionenwiePorengrößenverteilung,Wasserdurchläs-sigkeit,Durchlüftung,Durchwurzelbarkeit,Ertragsfähigkeit,Verdichtungsempfindlichkeit,usw.ausübt. Diese Bodeneigenschaften bzw. Bodenfunktionen werden nicht durch die Packungsdichte allein,sonderndurchdieKombinationvonKörnung(Textur),PackungsdichteundteilsauchWas-sergehalt bestimmt (Harrach&Sauer, 2002).
10StrukturelleEigenschaftenwiePackungsdichte,Gefügeetc.beeinflussendiehydraulischeLeitfä-higkeitvonBöden(DIN,1998).EinKonzeptfürdieQuantifizierungvonBodenstrukturenwurdevonLinetal.,1999aundbvorgestellt.AllerdingssprengtdieVerfahrensweisedenAufwand,derimZusammenhangmiteinerProzessbeurteilungzuleistenmöglichist.EinewesentlicheVerein-fachungmüssteerarbeitetwerden,dieaberdenRahmendieserArbeitgesprengthätte.
11WarnerundNieber,1991;Ehlers,1975;TrojanundLinden,1998;Edwards,1990;Edwards,1998,Warner,1998.
12Weiler(2002)benützteeinenIndustriestaubsauger,umdieSchnittflächevonBodenteilchenzurei-nigen und damit die Mp freizulegen.
13Penetrometer,bestehendauseinerStabsondeundeinerRegistriereinheit,diedenEindringwider-standaufzeichnet.NuraufskelettarmenBödenliefertdiesesInstrumentrealistischeResultate.AufgrundderbegrenztenEinsatzmöglichkeitwirdaufdenEinsatzverzichtet.
14 Hilfestellung bei der Beurteilung von Bodengefüge gibt auch die Anleitung „Bodenstruktur erken-nenundbeurteilen“(BayerischesLandesanstaltfürBodenkulturundPflanzenbau,1997).
15Scherrer,1997hatbeispielsweisemittelsTensiometerinunterschiedlichenBodentiefenaneinersandigen Braunerde (Standort Therwil) gezeigt, wie bei einem Niederschlag von über 100 mm in zweiTagenderNiederschlagalsSickerfrontweitgehendüberdieMatrixinfiltrierte.BeidenBe-regnungsversuchenmithohenNiederschlagsintensitätenvonbiszu100mm/hspieltendieMakro-poreneinwichtigeRollebeiderInfiltrationundbeiVerteilungdesWassersimBoden.
16BeiBeregnungsversuchenimSandsteingebietdersubalpinenMolassewurdestarkerAbflussinsolchen lateralen Fließwegen beobachtet (Beregnungsversuch Willerzell-Hang).
17HydromorphieistdiedurchStau-oderGrundwasserhervorgerufenegrauebisrötlicheVerfärbung(Flecken)derBöden.OxidationsprozesseführenzurRotfärbung,ReduktionzurGraufärbungderBodenmatrix.
18ZusätzlichkanndieBodenfeuchteänderungunterhalbderBeregnungsflächemitdemTimeDo-mainReflectrometry(TDR),SystemMoisturePoint,derFirmaEnvironmentalSensorsInc.ge-messenwerden,umdieVerteilungdesWassersimBodenzuuntersuchen.DiesesSystemermög-licht die Bestimmung des Bodenwassergehaltes in mehreren Tiefen mittels einer einzigen, 100 cm
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Anhang1:GrundlagenzudenAbflussprozessenaufverschiedenerLandnutzung
Die Ausführungen in Anhang 1 entstammen IHW, 2000.
A AckerbaulichgenutzteFlächen
DieAbflussbildungaufÄckernhängtvomAufbauundderBearbeitungdesBodenssowievonderKulturab(DVWK,1985).DieDurchlässigkeitderBödenwirdvonBearbeitungstiefe,Makroporen,Bodenart,Wurzeldichte,DurchwurzelungstiefeundVerdichtungenbeeinflusst.DieDurchlässigkeitderOberbödenkanndurchverschlämmtesMaterialoderdurchdarausentstandeneKrustenverrin-gert werden. Saisonale Aspekte, wie der Deckungsgrad der Vegetation, spielen dabei eine wichtige Rolle.DasBefahrenderÄckerkannzulokalenVerdichtungenderFlächenführen.
Verschlämmung und Bodenkrusten
DieOberflächevonackerbaulichgenutztenBödenunterliegtwiederkehrendenVeränderungen.JenachNutzpflanzevariiertderDeckungsgradunddieBodenoberflächeistunterschiedlichlangundstarkderAufprallwirkunggroßerTropfenbeiStarkniederschlägenausgesetzt(Römkensetal.,1990).GroßeRegentropfen,v.a.beiGewitterregen,könnendieBodenaggregateanderOberflächezerschla-genundineinzelnePartikelzerlegen.DassoentstandeneFeinmaterialkannsichaufderOberflächeverteilen,dieWasserdurchlässigkeitderMatrixbegrenzenundMakroporenverfüllen.DievonMa-kroporenbeeinflussteInfiltrationgehtdannzurück.BeiAustrocknungdesverschlämmtenMateri-alskönnensichKrustenbilden,dieeinemarkanttiefereWasserleitfähigkeitaufweisenalsstruktu-rierteBöden(Roth,1998)1.SchwachaggregierteBödenausLössundpleistozänenSedimenten,dieoftschluffreichundfeinsandigsind,sowiekalziumarmeBödengeltenalsbesondersgefährdetfürVerschlämmung.EinenungenügendenSchutzderBodenaggregategegendieAufprallwirkunggroß-erTropfengewährenMais,Zuckerrüben,HopfenundReben.GetreidebietetnurimJungstadiumei-nen ungenügenden Schutz. Durch den Anbau von Zwischenfrüchten, Anwendung von Mulchungen, StabilisierungdesBodengefüges(Kalkung,ZufuhrorganischerSubstanz.u.a.)undErhöhenderOberflächenrauigkeitkanndieVerschlämmungsanfälligkeitwesentlichverringertwerden(Rothetal.,1995).WeitereUrsachenundTeilprozesse,diedenVerschlämmungsprozessbeeinflussen,findensichbeiRoth(1998).
DieVerschlämmungkannalsoaufstrukturschwachenBödendieInfiltrationlimitieren,allerdingsliegennachRoth(1998)dieInfiltrationsratenimmernochimBereichwenigintensiverNiederschlä-ge(2-19mmh-1).EntstehenhingegeneigentlicheKrusten,sokannjenachKrustentypdieInfiltrati-onsrateindenBereichvon1-3mmh-1sinken(ValentinundBresson,1992).NachHarachundsauer,2002 werden Sedimentkrusten, die aus abgetragenem Bodenmaterial aufgebaut sind und Regen-schlagkrustendie auf die Splashwirkung der Regentropfen zurückgehen, unterschieden.
1 Roth (1998) untersuchte die mittlere gesättigte Wasserleitfähigkeit an verschlämmten 5 mm mächtigen Schichten: Eine lehmig-siltige Parabraunerde aus Löss wies im Ausgangszustand eine Wasserleitfähigkeit von 378 mm/h auf, im verschlämmten Zustand nur gerade 6 bis 12 mm/h).
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Einfluss von Bewirtschaftung auf Bodengefüge, Infiltration und Entstehung von Oberflächenab-fluss
DieBewirtschaftungvonAckerbödenführtalljährlichzueinemAufbauundteilweisenAbbauvonFließstrukturenimBoden.EinerseitszerstörtdasPflügenzumindestensteilweisediedurchPflan-zenwurzelnundBodenlebewesenerzeugtenMakroporenundBodenaggregate.Essorgtjedochande-rerseitsdafür,dassverdichteterOberbodenaufgebrochenwirdundseineDurchlässigkeitlangfristiggewährleistetbleibt.DurchwiederholtesPflügeninetwaähnlicherTiefekannsicheinePflugsohleausbilden,dieihrerseitsdieWasserbewegungimBodenbeeinflussenkann.AnschliessendwerdeneinigewissenschaftlicheArbeitenzumkontroversenThemadesEinflussesderBodenbewirtschaf-tungaufgeführtundversucht,eineWertungdereinzelnenEinflüssevorzunehmen.
Beisecker(1994)hatdieWasserflüsseimBodenbeiverschiedenenBearbeitungsmethodenuntersucht(Direktsaat,PflügenundFlügelschargrubber).Erstelltefest,dassohneBearbeitunglängerfristighö-hereBodendichtenundkomprimierteGefüge,aberauchhöhereBelastbarkeitundTragfähigkeitderuntersuchtenBödenentstehen.BeiderPflugvariantewarendievertikalenWasserflüssegrößeralsbeiderDirektsaat.DiedurchgängigenMakroporenwarenbeiderDirektsaatvariantejedochlängeralsbeijährlichemPflügen.ImVerlaufderVegetationsperiodezeigtendiebearbeitetenBöden,un-abhängigvonVerschlämmungs-,Verkrustungs-oderVerdichtungseffekten,Sackungen,dieineinerAbnahmederLeitfähigkeitresultierten(Marxen,1988).
BeregnungsversuchedesBayerischenLandesamtesfürWasserwirtschaft(1985)zeigten,dassmitAnbauweisen,diederBodenerosionentgegenwirken(höhenkurvenparallelesPflügen,Untersaat,LockerungderFahrspuren,hangparalleleQuerstreifenmitandererKultur,etc.),auchderOberflä-chenabflussbeiStarkregenwesentlicheingeschränktwird,(sieheauchMüller,1984).SokollekundSüssmann(1981)beobachtetennachAbernteneinesGetreidefeldes,dasstarkbefahrenwurde,großeOberflächenabflüsse.BeigefrorenenBödenwurdeschonnachwenigintensivenNiederschlägenaufallenÄckernOberflächenabflussbeobachtet,ausserbeifrischgepflügtenundweniggeneigten(Nei-gung<2%).DieabflussdämpfendeWirkungrauherOberflächenführteErpenbeck(1987)aufdiegeringereAbflussgeschwindigkeitunddiedadurcherhöhteInfiltrationzurück.
DieVerdichtungdesOberbodenswirdwesentlichdurchdenunterschiedlichstarkenEinsatzvonLandmaschinenfürdieBearbeitungderFelderbeeinflusst.KartoffelanbaubeispielsweiseführtimJahresverlaufzufastflächendeckendemBefahrenderFlächen.IndenUntersuchungenderBodene-rosionwerdenverschiedensteVorschlägezurEindämmungdesOberflächenabflussesgemacht(Rich-ter,1998;Mosimannetal.,1991).
VegetationsloseHängezeigenmitzunehmenderHanglängegrößerenOberflächenabfluss.Schonge-ringeVegetationsbeständeverringerndenOberflächenabflussimVergleichzuvegetationsfreienFlä-chen(DVWK,1985).BesondersKleeundLuzernevermindernOberflächenabfluss.
B Weinberg
AbflussprozesseanweinbaulichgenutztenHängenwurdenkaumuntersucht.HingegensindüberdieBodenerosionsproblematikinWeinbergenverschiedeneArbeitenvorhanden,worüberRichter(1998)einenÜberblickgibt.HeutewerdenauchimRebbauMaschineneingesetzt.DafürwurdengrößereParzellen angelegt, Terrassen beseitigt und die Parzellen mit einem Wegnetz erschlossen. Die so ge-schaffenengrößerenundlängeren,teilweiseauchsteileren,HängesindaberanfälligeraufBodene-
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rosionundOberflächenabfluss.AllerdingshängtdiejährlicheErosionsratewesentlichvoneinzelnenstarkenGewitternab(Richter,1978).ErosionsvermeidendeMaßnahmenwerdenvonWalter(1991),Husse(1991)undHofmannetal.(1995)vorgestellt.
DerBodenerosionwirdvermehrtmitMulchungenausBaumrinden,SägemehloderStrohbegegnet,odereswirdspontanerUnkrautwuchsoderUntersaatzugelassen(Richter,1998).
ImEinzugsgebietdesKatzenbachskonnteeinekombiniertePraxisfestgestelltwerden.EinigeReb-zeilenwerdenunkrautfreiodergemulchtgehalten,währendandereimselbenWeinbergeinede-ckendeGrasschichtaufweisen.TeilweisewirddieGrasvegetationwährendderVegetationsperiodebeseitigt,wahrscheinlichumdenPilzbefallundNährstoff-/WasserkonkurrenzzwischenRebenundGras zu vermeiden.
DiegrundsätzlichenUnterschiedezuackerbaulichgenutztenGebietenliegtinderSteilheitderWein-berge.WährendÄckerkaumsteilerals15%sind,könnenWeinbergebisca.80%geneigtsein.GroßeSteilheitvonWeinbergenbedeutetnichtunbedingtvielOberflächenabfluss(Richter,1978).Beistei-lenHängenkanneinmalentstandenerOberflächenabflussanFließgeschwindigkeitzulegenunddes-halbnurschwerwiederversickern.AuchbeiwenigerintensivenNiederschlägenkannbeiBödenmiteinerverschlämmungsanfälligenBodenoberflächedurcheineKombinationvonmangelndemDe-ckungsgrad,schwacherDurchwurzelungundoberflächennaherVerdichtungserscheinungenOber-flächenabflussentstehen.
DaWeinbergeoftansonnenbegünstigtenLagenliegen,kannvongutenVerhältnissenfürdieStruk-turbildung(Benetzungs-undAustrocknungsvorgänge,Bodenfauna)ausgegangenwerden.SoferndieBödenwederstrukturlabil,nochaufgrundderBewirtschaftungverdichtetsind,dürfteeinegünstigeDurchlässigkeitvorherrschen.
C Grünland
EinedichteGrünlandvegetationkannzusammenmitoberflächennahemWurzelfilzeinetemporäreVerringerungderInfiltrationsratehervorrufen(Scherrer,1997).Dieoberflächennahe,dichteDurch-wurzelung kann bei warmer Witterung zu einer starken Austrocknung der obersten Zentimeter füh-ren.Diesführtdazu,dassOberbödenmiteinemhohenorganischenGehaltnachlängerennieder-schlagsarmenPeriodenwasserabstossend(hydrophob)sind.VegetationsdeckenmitBorstgräsern(Nardusstricta)sindbesondersofthydrophob(MarkartundKohl,1996).DieserEffektkannaufsubalpinenBödenüberlängereZeitanhalten(BarretundSlaymaker,1989).Holzhey(1969)gibteineÜbersichtüberHydrophobizitätauslösendeFaktoren.
Verdichtung durch landwirtschaftliche Bearbeitung oder hohen Beweidungsdruck verringert die DurchlässigkeitdesOberbodens.InDVWK(1985)wirdeineindeutigerZusammenhangzwischenBeweidungundErhöhungdesOberflächenabflussesfestgestellt.Erpenbeck(1987)zeigteauf,dasseine narbenschonende Grünlandnutzung (an der Bodenfeuchte orientierte Beweidung, Heu- und GraswerbungbeimöglichsttrockenenVerhältnissen)denOberflächenabflussverringert.
DieInfiltrationimBodenunterGrünlandiststarkdurchMakroporenbeeinflusst(Germann,1981).DasMakroporensystemkannsichaufGrünlandbödensehrgutentwickeln,daderBodennichtdurchPflügengestörtwird.FindetdieInfiltrationüberMakroporenstatt,soistbesondersderWasseraus-tausch(Interaktion)zwischendenMakroporenundderumgebendenBodenmatrixvonRelevanz.SostellteFaeh(1997)fest,dassbeiBödenmitgeringerInteraktionraschHortonscherOberflächenab-
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flussentstand.GeringeInteraktionkannaberauchzubypassflowführen,wodurchdasWasserraschintiefereBereichedesBodensgelangt.SoferndortleistungsfähigelateraleFließstrukturenvorhan-densind,istdieVoraussetzungfürstarkenunterirdischenAbflussgegeben.
BefindensichdieGrünlandflächeninvernässtenBereichen,findetraschSOFstatt(beihöherenNie-derschlagsintensitätenHOF).IstdasGebietdrainiert,wirdderWasserspiegelabgesenkt.Damitver-bessertsichinderRegeldieStrukturbildungunddamitdasWasser-RückhaltevermögenvonBöden.ZusammenmitbypassflowkannabereinDrainagesystemdasindieTiefegelangendeWasserraschabführenundzuverzögertem,aberstarkemAbflussimBodenführen(Stamm,1997).
Müller(1984)stelltebeiGrünlandbödeneinestarkesaisonaleAbhängigkeitderWasserbewegungimBodenfest.ErbegründetediesmiteinerVerdichtungszunahmeimOberbodeninfolgeeinerVerän-derungdesMakroporensystems.Meuser(1989)untersuchtediesaisonaleAbhängigkeitvonGrasbra-cheaufdasAbflussverhaltenundstellteaufgrundderbesserenEntwicklungdesMakroporensystemswährendderVegetationsphasesehrhoheSickerwassermengenfest,diebeigünstigengeologischenVerhältnissennureinegeringeAbflussreaktionerzeugen(DP).IndervegetationsfreienZeitistjedochaufgrundderAufsättigungdesBodensundderschlechterenAusbildungdesMakroporensystemsvoneinerhöherenAbflussbereitschaftauszugehen.
DiehoheVariabilitätimAufbauderBöden,diefürWeidewirtschaftundbegrenztauchfürGraswirt-schaft genutzt werden, sowie die unterschiedliche landwirtschaftliche Bewirtschaftung (Beweidung oderMähen)führenjenachStandorteigenschaftenzuverschiedenenAbflussprozessen.
D AbflussprozesseimWald
a) Grundlagen
WälderwirkenimVergleichzuWiesen,WeidenundÄckerndämpfendaufAbflussspitzen.Größe-rerInterzeptionsspeicherundhöhereTranspirationeinerseitssowiewasserspeicherndeStreuundvergleichsweisegrößereDurchlässigkeitderBödenandererseits,sinddierelevantenFaktoren.Zahl-reicheUntersuchungenhabenbereitsdenWaldeinflussaufgezeigt,wiez.B.dielangjährigenAbfluss-messungen in 3 benachbarten Kleinsteinzugsgebieten in Russland (20 bis 30 ha) mit unterschied-lichemWaldanteilvon13%,57%und90%(VORONKOVETAL.,1976).DieseUntersuchungenstellenanschaulichdieVerminderungderjährlichenmaximalenScheitelabflüssedar(vgl.IHW,2000).
ImWaldwirdderInfiltrationsvorgangsehrstarkdurchdasWurzelsystemderBäumegesteu-ert.EsentwickeltsicheinstabilesMakroporensystem,dasWasserpräferentiellindieTiefeleitetundfüreinehohelateraleDurchlässigkeitsorgt(WHIPKEY,1965undMOSLEY,1979).SchwundrisseintonigenBödenerhöhenzudemdieInfiltrationsrate.BesondersimSommerleitensolcheStrukturendenNiederschlagalsbypassflowdirektzudenlateralabflusswirksa-menBereichen(FLÜGELUNDSCHWARZ,1983;HENDRIKS,1993).
ImWaldwirdderInfiltrationsvorgangsehrstarkdurchdasWurzelsystemderBäumegesteuert.EsentwickeltsicheinstabilesMakroporensystem,dasWasserpräferentiellindieTiefeleitetundfüreinehohelateraleDurchlässigkeitsorgt(WHIPKEY,1965undMOSLEY,1979).SchwundrisseintonigenBödenerhöhenzudemdieInfiltrationsrate.BesondersimSommerleitensolcheStrukturen
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denNiederschlagalsbypassflowdirektzudenlateralabflusswirksamenBereichen(FLÜGELUNDSCHWARZ,1983;HENDRIKS,1993).
InbewaldetenHängenkannbedeutenderlateralerAbflussimBodenentstehen.DieserunterirdischeAbflusskann,ohnedassdieBodenmatrixgesättigtist,alspräferentiellerFlussinWurzelkanälen,Pi-pesoderhochdurchlässigenSchichtenerfolgen.DabeikönnenhoheFließgeschwindigkeitenbis2cms-1auftreten(BEASLEY,1976;MOSELY,1979).LateralerFlussfindetauchhäufigimgesättigtenBereich,z.B.anSchichtgrenzen,statt.Inmächtigenstarkdurchwurzelten,humusreichenOberbö-den,diebeitonigen,gleyigenBödeneinenwirksamenFließwegdarstellen(FEYEN,1998)oderintieferenhochdurchlässigenBodenschichten(WHIPKEY,1965)kanneszustarkemlateralenFlusskommen.NurunterungünstigenBedingungenwurdeinbewaldetenGebietenbeiextremenNieder-schlagsereignissenOberflächenabflussbeobachtet.EineVielzahlvonkünstlichenBeregnungsversu-chenaufWaldbödenmithohenIntensitätenzeigte,dassdieminimaleInfiltrationsratenichtunter50mmh-1sankundOberflächenabflusserstnachetwa30mmNiederschlagbegann(DVWK,1985;WEILERETAL,1998).DiegeringerenInfiltrationsratentretenbei
• naturfernenFichtenbeständen,meistaufundurchlässigen,vernässtenStandorten(Gley),• strukturschwachenBödenaufWaldweiden,• tonigen Standorten (Pelosole),• StandortenmithydrophobemAuflagehumusauf.DieHydrophobizitätdesOberbodensistnuraufBödenmitwenigMakroporenrelevant(BURCHETAL,1989).SOFtrittinWäldernaufBödenauf,dieaufgrundihrerBodeneigenschaften(tonig,lehmig)oderwegenihrerLageimRelief(Muldenlage,Hangfuss)schlechtdrainierenkönnenoderdauerndenWasserzuschusserhalten.DerWasserverbrauchderBäumewährendderVegetationsperi-odesorgtdafür,dassBöden,welcheimFreilandvernässtwären,eine„Entwässerung“überdieVe-getationerfahren(PETCH,1988).DaWaldbödenseltenbefahrenwerden,herrschenaufgrundderho-henMakroporendichtegünstigeInfiltrationseigenschaftenvor.InflachenGebietenmittiefgründigen,durchlässigenundunvernässtenBödenisteingroßesSpeicherpotentialvorhanden.DortdürftekaumAbflussentstehen.AufflachgründigerenBödeninHanglagensindhingegenaufgrundderVegetationeineVielzahlvonbevorzugtenFließstrukturenvorhanden,dieraschereAbflüsseimBodenermög-lichen(SSF1undSSF2).InsolchenGebietenistlateralerAbflussimBodenderdominierendeAb-flussprozess(BURCHETAL.,1989).
b) Schlussfolgerungen
WirdvonderräumlichenNiederschlagsverteilungdurchdiePflanzendecke(Kronentraufe,Tropfnie-derschlag,Interzeption,Stammabfluss)einmalabgesehen,beeinflusstdieVegetationdieAbflussbil-dunginWälderndurchdieSchaffungvonFließstrukturenimBodenmaßgeblich.JenachArtdesWaldes (Bestandesdichte, Altersstruktur des Bestandes, Zusammensetzung der Baumarten mit teil-weiser charakteristischer Durchwurzelung (Wurzeldichte und -tiefen), dem Vorhandensein einer Un-tervegetation, wie Kraut- und Moosschicht, u.v.a.), dürfte sich im Zusammenspiel mit der Bodenart einvertikalesundeventuelllateralesFließenausbilden.EinedirekteBeeinflussungderAbflussbil-dungdurchdieVegetationgehtaberauchvonderEntwicklungundBeschaffenheitdesOberbodensaus.InWäldernentstehenjenachStandorteigenschaftenaberv.a.inAbhängigkeitderVegetation(ArtundAbbaubarkeitderanfallendenStreu)unterschiedlichaufgebauteOberböden.Vonkaumvor-
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handenemHumus(beispielsweiseFichtenmonokulturen)biszumächtigenHumusauflagen(vernässteoderniederschlagsreicheGebiete)reichtdasSpektrum.BeiderEntwicklungdesProzessbeurtei-lungsschemasWaldzeigtesich,dassesschwierigist,diesämtlicheEinflussfaktorenineinemSche-ma zu berücksichtigen. Das Beurteilungsschema hat demzufolge stark vereinfacht werden müssen.
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Anhang2:WeitergehendeUntersuchungenzurVorerkundung(Sauer&Harrach,2002)
Vernässungsgrad
AmInstitutfürBodenkundeundBodenerhaltungderJustus-Liebig-UniversitätGiessenwurdeeinKartierschlüsselfürdiefeldbodenkundlicheAnsprachedesVernässungsgradesvonAckerflächenerarbeitet(Tab.2)undinverschiedenenProjektenerprobt(z.B.Tenholternetal.,1996;Selige,1997,Tenholtern,2000;Pleus,2002).DieDurchführungerfolgtnachausreichenderDurchfeuchtungdesBodensundnachbeginnenderAbtrocknungdernichtvernässtenBöden,inderRegelimFrühjahr,wenndienichtvernässtenBödenbereitsbefahrbar,aberdietemporärvernässtenBödennochnichtbefahrbarsind.FürdiesichereAnsprachevonVernässungenmussdieAnsprachedesVernässungs-gradesnichtunbedingterfolgen,auchwennderAusprägungsgradAussagenüberdieIntensitätderAbflussprozessezulässt.
Tabelle1: KartierschlüsselfürdiefeldbodenkundlicheAnsprachedesVernässungsgradesaufAckerflächen
Vernässungsgrad Bezeichnung Kartierungskriterien
Vn1 nicht vernässt, abgetrocknet
befahrbar, keine tiefen Fahrspuren, nur flache Fuß-abdrücke, aufgehellte Bodenfarbe
Vn2 nicht vernässt,feucht
wie bei 1, aber Bodenfarbe nicht aufgehellt
Vn3 vernässt kaum befahrbar, tiefere Fahrspuren, tiefere Fußabdrücke; bei empfindlichen Pflanzen sichtbare Entwicklungsstörungen, Chlo-rosen
Vn4 stark vernässt nicht befahrbar, kaum begehbar, tiefe Fußabdrücke, Wasser in Fahrspuren; gestörte Pflanzenentwicklung, Chlorosen
Vn5 sehr stark vernässst
nicht begehbar, teils Oberflächenwasser; stark gestörte Pflanze-nentwicklung
Zusammenfassend ergeben sich auch für andere Nutzungsarten folgende Kartierungskriterien für die sichereAnsprachevonVernässungen:Oberflächenwasser,Bodenfarbe(nurAcker),KonsistenzdesBodens(nurAcker),Befahrbarkeit,Begehbarkeit,EntwicklungsstörungenbeiKulturpflanzen(nurAcker),Pflanzengesellschaft,Zeigerpflanzen,z.B.Feuchtezeigern.Ellenberg.
ZeigerpflanzenaufGründland
InTabelle2sindPflanzenartenaufgeführt,dieaufGrünlandNässeanzeigen.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 93
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Tabelle2:BeispielehäufigvorkommenderNässezeigeraufGrünland
WissenschaftlicherName DeutscherName FZahln.Ellenberg(1979)Lychnis flos-cuculi Kuckucks-Lichtnelke 6Colchicum autumnale Herbstzeitlose 6Juncus conglomeratus Knäuel-Binse 7Juncus effusus Flatter-Binse 7Polygonum bistorta Wiesen-Knöterich 7Cardamine pratensis Wiesen-Schaumkraut 7Deschampsia caespitosa Rasen-Schmiele 7Molinia caerulea Pfeifengras 7Sanguisorba officinalis Großer Wiesenknopf 7Cirsium oleraceum Kohldistel 7Silaum silaus Wiesensilge 7Equisetum palustre Sumpf-Schachtelhalm 7Lotus uliginosus Sumpf-Hornklee 8Senecio aquaticus Wasser-Greiskraut 8Caltha palustris Sumpfdotterblume 8Filipendula ulmaria Mädesüß 8Ranunculus flammula Brennender Hahnenfuß 9
Zeigerpflanzen auf Ackerland: Ackerbegleitflora
DieAckerbegleitflorakanntrotzihrerstarkenanthropogenenBeeinflussungalsIndikatorfürBoden-eigenschaftengenutztwerden.ErstbeiintensiverBewirtschaftungüberlagertdieNutzungdieStand-orteigenschaften,indemUnkräuterbesondersdurchHerbizideinsatzvollständigverdrängtwerden.FolglichbietenextensivbewirtschafteteFlächenguteVoraussetzungenfürdieBioindikationdurchAckerwildkräuter(Saueretal.,1992).DennochkannselbstbeiintensiveremHerbizideinsatzaufver-nässtenStandorteneineverstärkteVerunkrautungoftwahrgenommenwerden.
TemporäreVernässungenvonBödenführenaufgrunddesimBodenherrschendenLuftmangelshäu-figzuLückenimKulturpflanzenbestand.IndiesenLückenentwickelnsichkleinflächigBestände,die sich schon optisch durch ihr üppiges Wachstum auszeichnen. Vor allem in Mulden und am Un-terhanggelegenfallenbesondersindenabreifendenGetreidefelderndiegrünenUnkrautbeständederNassstellenauf(Steinrückenetal.,2000).Steinrücken(1998)gibtfüreinUntersuchungsgebietamOstrand des Rheinischen Schiefergebirges die in Tabelle 4 angeführten Arten als typisch für tempo-räreNassstellenan:
Tabelle3: BeispielefürAckerwildkräutervernässterBödenimRheinischenSchiefergebirge(Steinrückenetal.,2000)
WissenschaftlicherName DeutscherName FZahln.Ellenberg(1979)Gnaphalium uliginosum Sumpf-Ruhrkraut 7Gypsophilla muralis Mauer-Gipskraut 7Plantago intermedia Mittlerer Wegerich 7Ranunculus repens Kriechender Hahnenfuß 7Juncus bufonius Krötenbinse 7
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94 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Anagallis minima Acker-Kleinling 7Mentha arvensis Ackerminze 8Polygonum hydropiper Pfeffer-Knöterich 8
Zustand von Kulturpflanzen als Hinweis auf Standortbedingungen
DerKulturpflanzenbestandisteinguterBioindikatorfürdenBodenwasserhaushalt,dadiePflanzensehrdeutlichaufunterschiedlicheWasserversorgungundDurchlüftungreagieren.Einegeringenutz-bareFeldkapazitätdesdurchwurzelbarenBodenraumes,z.B.beiflachgründigenodergrobkörnigenBöden,aberauchinfolgeunzureichenderDurchwurzelbarkeitaufverdichtetenStandorten,führtbei-spielsweisezudeutlichsichtbarenErtragsminderungen.VernässteKulturpflanzenbeständehingegenzeigenvomFrühjahrbiszurReifeeineverzögerteEntwicklungundgeringereBestandeshöhenalsunvernässteStandorte(Saueretal.,2000).
Nutzungsgrenzen
Nutzungsgrenzen,z.B.zwischenAcker-undGrünlandoderzwischenWald/Brachflächeundland-wirtschaftlicherNutzfläche,habenoftmalspedohydrologischeUrsachen.BesondersderWechselvonAcker-zuGrünlandistindenmeistenFällenaufeineÄnderungimBodenwasserhaushaltzurück-zuführen:InMittelgebirgslandschaftenbedeutetdasinderRegeleinWechselvon„tiefgründig“zu„flachgründig“oderhinzuStaunässe(Zeigerpflanzen!),inTallagenweistdasGrünlandaufhöherenGrundwasserstandhin.NutzungsgrenzenkönnenHinweiseaufAbflussprozesseliefern,indembei-spielsweiselateralimBodenunterGrünlandabfließendesWasserimÜbergangzumAckeraustritt.
BefragungortskundigerPersonen
ImRahmenderGeländebegehungsolltenachMöglichkeitdasGesprächmitortsansässigeLandwir-ten gesucht werden. Mit hydrologischen Besonderheiten, die in der Regel Bewirtschaftungserschwer-nissefürdieLandwirtschaftdarstellen(Saueretal.,2000),sinddieansässigenLandwirtebestensvertraut.SokönnenschonimVorfeldderGeländebegehunggezielträumlicheSchwerpunktefüreinenähereBetrachtungherausgearbeitetwerden.
OptimalerZeitpunktderGeländebegehung
Tabelle5zeigtdenfürdieErfassunghydrologischbedeutsamerPhänomeneoptimalenZeitpunktderGeländebegehung.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 95
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Tab.4:IdealeZeiträumefürGeländebegehungen.
GeländebegehungzurErfassungvon IdealerZeitpunktVerschlämmung FrühjahrAktuelle Erosionsformen Frühjahr/ nach StarkniederschlägenHistorischer Erosionsformen GanzjährigNassstellen FrühjahrLaterale Fließwege geringe Schneedecke oder SchneeschmelzeReliefpositionen GanzjährigGebietsentwässerung Ganzjährig/ nach Starkniederschlägen (Dränauslässe!)Abflussprozesse allg. nach größeren NiederschlägenBioindikation Frühsommer (Grünland), Sommer (Segetalflora und Kulturp-
flanzen kurz vor der Abreife)Nutzungsgrenzen Ganzjährig
GeländebegehungenzuunterschiedlichenZeitpunktensindzurVorbereitungdetailliertererUn-tersuchungenkaummöglich.AusdiesemGrundwirdderFrühjahrstermin,nachausreichenderDurchfeuchtungdesBodensundnachbeginnenderAbtrocknungderBöden,favorisiert,daaktuelleErosionsformen,VerschlämmungundNassstellenvonzentralerBedeutungfürdieIdentifikationhochwasserrelevanterFlächensind.WünschenswertwäreinjedemFalleinezusätzlicheGeländebe-gehungunmittelbarimAnschlussanStarkniederschlägeoderkurznachderSchneeschmelze,umProzessspurenundWasserführendeGeländestrukturenerkennenzukönnen.AuchwenndieBeur-teilungderVegetation(besondersderKulturpflanzen)optimalerweiseimSommererfolgenmüsste,sosolltedeminteressiertenHydrologendieIdentifikationwichtigerZeigerpflanzenauchimFrüh-jahrmöglichsein.
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96 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Anhang3: Abflussreaktionskurven
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 5 0 100 150 200
Abflusstyp 1 (HOF 1, HOF 2, SOF1)Abflusstyp 2 (SOF 2, SSF 1)Abflusstyp 3 (SSF 2)Abflusstyp 4 (SOF 3, SSF 3)
Vo
lum
en-A
bfl
uss
koef
fizi
ent
[-]
Niederschlagssumme [mm]
Anhang 3: Abflussreaktionskurven für Abflussprozesse in den Untersuchungsgebieten. Von 50 mm gefallenem Niederschlag fliessen auf Flächen des Abflusstyp 1 (HOF 1, HOF 2 und SOF 1) 55 % oder rund 28 mm ab. Flächen des Abfluss-typs 4 (SOF 3, SSF 3) tragen demgegenüber bei gleicher Niederschlagssummepraktisch nicht zum Abfluss bei.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 97
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Anhang4:Fotodokumentation
Foto 1: Mäßig stark verschlämmte Bodenoberfläche (Verschlämmungsgrad V3) im Frühjahr (Herbstfur-che) [Foto: S. Sauer]
Foto 2: Durch Bodenerosion abgelagertes Sediment am Unterhang. [Foto: S. Sauer]
Foto 3: Stark verschlämmte Bodenoberfläche (Verschlämmungsgrad V4) über locker gelagerter Ackerkrume im Frühjahr (Herbstfurche) [Foto: S. Sauer]
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98 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Foto 4: Rillenerosion in einem Weizenfeld im Frühjahr [Foto: S. Sauer]
Foto 5: Auf historische Bodenerosion zurückführbares Schluchtensystem unter Wald. [Foto: S. Sauer]
Foto 6: Durch Bodenerosion verursachte Texturunterschiede und dadurch bedingte unterschiedliche Ab-trocknung der Böden in einer Lößlandschaft [Foto: S. Sauer]
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 99
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Foto 7: Krümelartiges Bröckelgefüge aus dem Bfv-Horizont einer Lockerbraunerde mit sehr geringer Packungsdichte [Foto: S. Sauer]
Foto 8: Polyedergefüge mit geschlossener Lagerungsart aus einem verdichteten rekultivierten Boden mit hoher bis sehr hoher Packungsdichte (senkrechte Bildkante etwa 20 cm) [Foto: T. Harrach]
Foto 9: Plattengefüge aus der nicht bearbeiteten Unterkrume einer Parabraunerde aus Löss mit geschlossener Lagerungsart und hoher Packungsdichte [Foto: Diez & Weigelt, 1997]
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100 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Foto 10: Prismengefüge im P-Horizont eines Pseudogley-Pelosols mit mittlerer bis hoher Packungsdichte [Foto: S. Sauer]
Foto 11: Säulengefüge im Knickhorizont einer Knickmarsch mit fast geschlossener Lagerungsart und hoher Packungsdichte [Foto: S. Sauer]
Foto 12: Ergebnis der Abwurfprobe: Links mittlerer Zusammenhalt, rechts sehr loser bis loser Zusammen-halt [Foto: Diez & Weigelt, 1997]
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 101
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Foto 13: Polyedergefüge mit geschlossener Lagerungsart in einem tonreichen Boden mit sehr hoher Pa-ckungsdichte [Foto: Schulte-Karring]
Foto 14: Grobprismatisches Gefüge mit fast geschlossener Lagerungsart eines stark verdichteten Hori-zontes mit hoher Packungsdichte; die Wurzeln sind durch hohen Quellungsdruck platt gepresst [Foto: T. Harrach]
Foto 15: Gleichmäßige Durchwurzelung eines Krümelgefüges geringer Packungsdichte [Foto: Diez & Wei-gelt, 1997]
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10� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Foto 16: Polyedergefüge mit halboffener bis fast geschlossener Lagerungsart in einem Pelosol-Pseudog-ley mit mittlerer bis hoher Packungsdichte [Foto: Vorderbrügge]
Foto 17: Austritt von Sub-Surface Flow in einem bewaldeten Hang [Foto: G. Waldenmeyer]
Foto 18: Der Ausfluss einer Pipe (Mausloch) während eines anhaltenden Niederschlages. [Foto: S. Scherrer]
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Foto 19: Niederschlagswasser, das nach Abfluss im Boden in einer Mulde am Hangfuss austritt. [Foto: S. Scherrer]
Foto 20: Hydrophobe Verhältnisse zu Beginn eines Beregnungsversuchs. Das Wasser benetzt den Boden nicht und fließt konzentriert über die Kante aufs Auffangblech. [Foto: S. Scherrer]
Foto 21: Visualisierte hydrologische Phänomene zum Zeitpunkt der Schneeschmelze. Das aus dem Hang austretende Wasser ist gut sichtbar. [Foto: S. Scherrer]
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104 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Anhang5:BestimmungderPackungsdichte(Harrach&Sauer,2002,Kap.4)
ErfassungvonGefügemerkmalen
Gefügeformen
Man unterscheidet visuell durch makroskopische Betrachtung nicht aggregierte und aggregierte Ge-fügeformen(Mückenhausen,1963[Abb.2];DIN19682-10,1998;Fotos4imAnhang).Nichtaggre-gierte Gefügeformen sind:
• dasEinzelkorngefügebeiFehlenvonBindemittelund• dasKohärentgefüge,dasdurchBindemittelwieTon,SesquioxideoderKalkzusammengehalten
wird,wobeiimFalleeinerVerfestigungdurchmassiveEisen-undKalkausscheidungenauchvoneinem„Kittgefüge“gesprochenwird.
• AggregierteGefügeformenversuchtmanaufgrunddervermutetenEntstehungsartderAggregatezu gliedern in
• Krümelgefüge, das als biogenes Aufbaugefüge angesehen wird• Absonderunsgefügeformen, die durch natürliche Segregationsprozesse entstehen, und zwar in ton-
haltigenBödendurchSchrumpfungundQuellungundindichtenschluffreichenBödendurchEis-lamellenbildung;zudenersterengehörenu.a.PrismenundPolyeder,währenddurchEislamellendas Plattengefüge entsteht
• Bodenfragmente,diedurchBodenbearbeitungerzeugtwerden(BröckelundKlumpen),undschließlich
• Rollaggregate,diebeiUmlagerungvonBodenmaterialz.B.aufTransportbändernentstehenundinnichtverdichtetenanthropogenenBödenvorkommenkönnen.
Die Schwierigkeit bei der Bestimmung der Gefügeform in einem Bodenhorizont besteht darin, dass derAusprägungsgradderGefügeformsehrunterschiedlichseinkann(sehrdeutlichbissehrundeut-lich).AußerdemkönnenunterschiedlicheGefügebildungsprozessegleichzeitigoderhäufigernachei-nandergewirkthaben.InfolgedessenkannesinmanchenBödensehrschwersein,dieGefügeformeindeutigzubestimmen.ZumBeispielkannesinvielenAckerkrumenkaummöglichsein,zwischenBröckeln,KrümelnundSubpolyedernzuunterscheiden(Abb.3).
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 105
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Abb.2:DiewichtigstenBodengefügeformen(verändertnachMückenhausen[1963])
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106 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Abb.3: ImOberbodendieserBraunerde(LubisTu3)sinddieAggregatenichteindeutigalsKrümel,SubpolyederoderBröckelzuidentifizieren.AufgrundandererGefügemerkmalelässtsichtrotzdemfeststellen,dassdiePackungsdichtegeringbissehrgeringist(Pd21).
FallsdieGefügeformdeutlichausgeprägtist,könnenüberdievorherrschendeGefügedynamikkla-re Aussagen gemacht werden. Das sind sehr wertvolle Informationen. Aber für die Bestimmung der Packungsdichte ist es nicht unbedingt notwendig, die Gefügeform eindeutig festzulegen. Für die si-chere Abstufung der Packungsdichte sind andere Gefügemerkmale notwendig, die nur teilweise mit derGefügeformzusammenhängen.
DiefolgendeZusammenstellungderwichtigstenGefügeformen(Übersicht3)gibteinenHinweisda-rauf,welchePackungsdichteninAbhängigkeitvonderGefügeformvorkommenkönnen.
Übersicht 3: Die wichtigsten Gefügeformen mit den häufigsten Packungsdichten
Einzelkorngefüge: Die Packungsdichte kann gering bis hoch seinKohärentgefüge: Die Packungsdichte kann gering bis sehr hoch seinKrümelgefüge: Die Packungsdichte ist in der Regel sehr gering bis geringPolyedergefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis sehr hochSubpolyedergefüge: Die Packungsdichte ist meistens sehr gering bis mittelPrismengefüge: Die Packungsdichte kann gering bis sehr hoch seinPlattengefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis sehr hochBröckelgefüge: Die Packungsdichte kann sehr gering bis hoch seinKlumpengefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis hochRollaggregate: Die Packungsdichte ist meistens sehr gering bis mittel
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 107
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FürdieBestimmungderPackungsdichtewichtigeGefügemerkmale
WährenddieAngabederGefügeformenimwesentlichennachdemRahmenvonMückenhausen(1963)zurbodenkundlichenRoutinegehört,werdendieweiterenMakrogefügemerkmaleinderRe-geleherstiefmütterlichberücksichtigt.WichtigeGrundlagenfürdieökologischeGefügebeurteilungimGeländehabenKoepf(1963)undBenecke(1966)erarbeitet.AufihrenErkenntnissenberuhtderBestimmungsschlüsselfürdieAnsprachedereffektivenLagerungsdichteimGelände(AGBoden,1994,S.126),deraberoffenbarzuwenigpraktikabelist,aufjedenFallwirderzuseltenkonsequentzurGefügeansprachebenutzt.SeitMittedersiebzigerJahresindmirauchkeineStudienbekannt,indenendieTreffsicherheitdernachdiesemSchlüsselermittelten„effektivenLagerungsdichte“belegtwird.
NichtdestotrotzbietendievonKoepf(1963),Benecke(1966),Werner&Thämert(1989)undAlte-müller(1991)beschriebenenGefügemerkmalesowiedievonDiez(1991)gewonnenenErfahrungendieGrundlagefürdiepraxisgerechteBestimmungderPackungsdichte.FolgendeMakrogefügemerk-male werden herangezogen:
• MechanischerBodenwiderstand(Eindringwiderstand)• Aggregatgröße• Zusammenhalt des Bodengefüges bzw. Verfestigungsgrad• Lagerungsart der Aggregate• Anteil biogener Makroporen.
Der mechanische Bodenwiderstand kann z. B. mit einem Taschenmesser getestet (Schlichting et al., 1995,Tab.3.5.4,S.36f.)odermiteinemTaschenpenetrometergemessenwerden.AuchbeimSpaten-stich wird der mechanische Widerstand differenziert wahrgenommen. Zu berücksichtigen ist, dass mitzunehmendemTongehaltundabnehmendemWassergehaltderEndringwiderstandbeigleicherPackungsdichtezunimmt.ErfahreneBodenkundlerkönnendennochmindestensfünfStufendesme-chanischen Widerstandes unterscheiden:
sehr gering/ gering/ mittel/ hoch/ sehr hoch.
WährenddermechanischerWiderstandinjedemBodenfeststellbarist,kanndieAggregatgröße nur inaggregiertenBödenbestimmtwerden.DiemittlereAggregatgrößekorreliertmitderPackungs-dichte, d. h. in einem lockeren Boden überwiegen i. a. kleine Aggregate und in einem dichten große Aggregate.SokannbeideutlichaggregiertenBödenbereitsmiteinemBlickaufdieLockerheitbzw.Verdichtunggeschlossenwerden.FolgendeAbstufungdermittlerenAggregatgrößenistüblich:
sehr fein, fein, mittel, grob, sehr grob< 2 mm 2-5 mm 5-20 mm 20-50 mm > 50 mm
Der Zusammenhalt des BodengefügeswirddurchdieAbwurfprobegetestet(Diez1991),hierzuwirdeinBodenblockausetwa1mHöheaufeinegeeigneteFlächefallengelassen(Abb.4,Fotos12,im Anhang 4 ).
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108 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Abb.4: AbwurfprobezurBestimmungdesZusammenhaltesbzw.desVerfestigungsgrades, hier„loserZusammenhalt“undgeringePackungsdichte(Diez&Weigelt1997)
AusdemGraddesAuseinanderfallensdesBodenblockesinAggregate(beiaggregiertenBöden)bzw.inBruchstücke(beikohärentenBöden)wirdderZusammenhaltdesBodengefügeseingestuft,wobeider Wassergehalt berücksichtigt werden muss:
sehr lose/ lose/ mittel/ fest/ sehr fest.
Die Fallprobe dient auch zur Feststellung des Verfestigungsgrades, falls eine Verfestigung (Kittge-füge)vorliegt.VoralleminSanden,dieeherEinzelkorngefügeaufweisen,kommenVerfestigungendurchEinlagerungvonSesquioxiden(Ortsteinbzw.Raseneisen)oderKalk(z.B.inderKapillarzo-nedesGrundwassers)vor.WährendalsobeibindigenBödenmitderFallprobederZusammenhaltdes Bodengefüges getestet wird, bestimmen wir mit der gleichen Handlung bei Sanden den Verfe-stigungsgrad:
nicht verfestigt/ schwach verfestigt/ mittel verfestigt/ stark verfestigt/ sehr stark verfestigt.
Die bisher behandelten Gefügemerkmale lassen sich sehr einfach und schnell feststellen. Sie geben tendenziell einen guten Hinweis auf die Packungsdichte, aber allein nach diesen Merkmalen ist nur einegrobeEinstufungderPackungsdichtemöglich.
Für die Feineinstufung der Packungsdichte müssen wir die Makroporensysteme des Bodensnä-herbetrachten(Altemüller,1991).BeigenauemHinsehenkönnenwirvisuellinaggregiertenBöden
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 109
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AggregatzwischenräumesehrunterschiedlicherAusprägungerkennenundaußerdemsowohlinag-gregiertenalsauchinnichtaggregiertenBödenbiogene Makroporen beobachten.
Das Gefügemerkmal „Lagerungsart der Aggregate“(Koepf,1963;Benecke,1966)dientderKenn-zeichnungderAggregatzwischenräume(Fotos8bis16imAnhang4).DiesesHohlraumsystemun-terliegtimJahresverlaufinfolgevonSchrumpfungs-undQuellungsprozesseneinerdeutlichenDy-namik. Worauf es dabei ankommt, ist die Frage, wie groß der Hohlraumanteil im ausgequollenen ZustanddesBodensist,alsoz.B.imFrühjahrnachreichlichenNiederschlägen.DerluftführendePorenanteilundihreKontinuitätimaufgequollenenZustandbeiFeldkapazitätsindausschlaggebendeFaktorenfürdasWurzelwachstum,diePflanzenentwicklungundfürdieWasseraufnahmefähigkeitdesBodensfürweitereNiederschläge.
DieBestimmungder„LagerungsartvonAggregaten“hatzumZiel,dieBeschaffenheitderAggre-gatzwischenräumeimaufgequollenenZustandunterfunktionalemAspekt(Luftkapazität,Luft-undWasserdurchlässigkeit)zubeschreiben.Werner&Thämert(1989)nennendiesesGefügemerkmalinAnlehnunganTGL24300/19„FormundPassfähigkeitderZwischenaggregathohlräume“.NachderfünfstufigenSkalalassensichfolgendeLagerungsartenunterscheiden,wobeierfahreneFachleutezusätzlichauchÜbergangsbereichefürdiesiebenstufigeBewertungmitausreichenderTreffsicher-heitausweisenkönnen:
• GeschlosseneLagerungsart:dieAggregatesindnurdurchFugengetrennt,d.h.ihreOberflächenbilden vollkommen Abdrücke voneinander und liegen im Quellungszustand unmittelbar aneinan-der
• FastgeschlosseneLagerungsart:imQuellungszustandsindnurwenigespalten-undröhrenförmigeHohlräumevorhanden
• HalboffeneLagerungsart:dieAggregatesindteilsdurchFugen,teilsdurchKlüfteoderspaltenför-migeHohlräumevoneinandergetrennt
• OffeneLagerungsart:dieAggregatesindüberwiegenddurchKlüfteoderspaltenförmigeHohlräu-mevoneinandergetrennt,ihreOberflächenbildenkeineodernurunvollkommeneAbdrücke
• SperrigeLagerungsart:dieAggregatebefindensichinwirrer,unorientierterAnordnungundlas-senvielgestaltigeHohlräumeauchimQuellungszustandzwischensichfrei.
ZumVerständnisderLagerungsartenseidaraufhingewiesen,dassindichtenBödenbeiderQuel-lung sehr hohe Quellungsdrücke entstehen. Die dadurch bedingten Pressungen und Quetschungen vernichtenmöglicherweisenochvorhandenesekundäreGrobporenundführenzugleichzurAusfor-mungglattflächigerundscharfkantigerAggregate.InlockerenBödenmitvielenSekundärporenbautsich dagegen kein hoher Quellungsdruck auf. Daher fehlen hier entsprechende Gefügemerkmale.
DiebeschriebenenGefügemerkmalegestattenes,zujederJahreszeitundbeijedemFeuchtezustanddes Bodens die Lagerungsarten zu bestimmen und die Packungsdichte zu ermitteln. Dennoch ist zu vermerken,dassnasseundsehrtrockeneBodenzuständedieArbeiterschweren.BesteBedingungenliegen im feuchten bis schwach feuchten Bereich vor.
Weniger abstrakt ist das Gefügemerkmal „Anteil biogener Makroporen“. Darunter fallen Feinwur-zelkanäle(Durchmesseretwa0,5–1,0mm)sowieWurzel-undWurmkanäle(1mmbisüber5mmDurchmesser).
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DerSchätzungsrahmenzurBestimmungdesMakroporenanteilsnachAGBoden(1994,Abb.12,S.124)hängtdieLattezuhoch.RealistischererscheintderentsprechendeRahmenvonWerner&Thämert(1989)(Tab.1).
Tab.1: HäufigkeitderAustrittevonbiogenenMakroporenjedm2inAnlehnunganWerner&Thämert(1989)
Poren 0,5-2 mm Poren 2-5 mm Poren > 5 mmsehr hoch > 40 > 20 > 10hoch 24 – 40 11 – 20 6 – 10mittel 12 – 23 6 – 10 2 – 5gering 5 – 11 3 – 5 < 2sehr gering < 5 < 3 0
In der Regel korreliert der biogene Makroporenanteil mit der Lagerungsart der Aggregate. In dich-tenBödenmitgeschlosseneroderfastgeschlossenerLagerungsartistdiebiologischeAktivitätge-ringer, daher entstehen dort weniger Makroporen. Darüber hinaus werden die wenigen Bioporen bei der Quellung des Bodens stark reduziert.
Durchwurzelungsmerkmale als Indikatoren der Packungsdichte
DadiePackungsdichtedesBodenseinenerheblichenEinflussaufdieDurchwurzelbarkeithat,kanndie vorhandene Durchwurzelung als ein Indikator des Bodengefüges betrachtet werden (Harrach & Vorderbrügge,1991;Selige&Vorderbrügge,1994).GemeintsindvorallemdieWurzelnanspruchs-vollerKulturpflanzen(z.B.Gerste,Weizen,Zuckerrübe,Raps),obgleichdieWurzelnwenigeremp-findlicherPflanzen(z.B.Roggen)aufstärkereVerdichtungennichtvielandersreagieren.Grundsätz-lichverhaltensichauchGrünlandpflanzenundGehölzeaufverdichtetenBödenähnlich.AmehestenkanndieEichealsAusnahmeherausgestelltwerden,dieamehesteninderLageist,mitihrenWur-zeln Bodenhorizonte hoher Packungsdichte noch einigermaßen zu durchdringen.
IneinemnichtverdichtetenBodennimmtdieWurzellängendichtemitderTiefeallmählichab(Abb.5),wennauchartenspezifischetwasunterschiedlich.EineabrupteAbnahmederDurchwurzelungsin-tensitätwirddagegenpedogenverursacht(z.B.pH-SprungoderanaerobeVerhältnisse).Eineüber-proportionale Abnahme der Wurzellängendichte(Abb.6)zeigtinvielenFälleneineVerdichtungimbetreffendenBodenhorizontan(Vorderbrügge,1989,S.87-97)
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 111
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Abb.5: AllmählicheAbnahmederWurzellängendichteimProfileinesnichtverdichtetenrekultiviertenBodens(nachVorderbrügge1989)
Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte
__________________________________________________________________________________________
21
Tab. 1: Häufigkeit der Austritte von biogenen Makroporen je dm² in Anlehnung an WERNER & THÄMERT (1989)
Poren0,5-2mm Poren2-5mm Poren>5mmsehrhoch >40 >20 >10hoch 24–40 11–20 6–10mittel 12–23 6–10 2–5gering 5–11 3–5 <2sehrgering <5 <3 0
InderRegelkorreliertderbiogeneMakroporenanteilmitderLagerungsartderAggregate.IndichtenBödenmitgeschlosseneroderfastgeschlossenerLagerungsart istdiebiologischeAktivitätgeringer,daherentstehendortweniger Makroporen. Darüber hinaus werden die wenigen Bioporen bei der Quellung des Bodens stark redu-ziert.DurchwurzelungsmerkmalealsIndikatorenderPackungsdichteDadiePackungsdichtedesBodenseinenerheblichenEinflussaufdieDurchwurzelbarkeithat,kanndievorhan-dene Durchwurzelung als ein Indikator des Bodengefüges betrachtet werden (HARRACH & VORDERBRÜGGE1991,SELIGE & VORDERBRÜGGE1994).GemeintsindvorallemdieWurzelnanspruchsvollerKulturpflanzen(z.B. Gerste, Weizen, Zuckerrübe, Raps), obgleich die Wurzeln weniger empfindlicher Pflanzen (z.B. Roggen) auf stärkere Verdichtungen nicht viel anders reagieren. Grundsätzlich verhalten sich auch Grünlandpflanzen undGehölzeaufverdichtetenBödenähnlich.AmehestenkanndieEichealsAusnahmeherausgestelltwerden,dieam ehesten in der Lage ist, mit ihren Wurzeln Bodenhorizonte hoher Packungsdichte noch einigermaßen zu durchdringen. IneinemnichtverdichtetenBodennimmtdieWurzellängendichtemitderTiefeallmählich ab (Abb. 5), wenn auchartenspezifischetwasunterschiedlich.EineabrupteAbnahmederDurchwurzelungsintensitätwirddagegenpedogen verursacht (z. B. pH-Sprung oder anaerobe Verhältnisse). Eine überproportionale Abnahme der Wurzellängendichte (Abb. 6) zeigt in vielen Fällen eine Verdichtung im betreffenden Bodenhorizont an(VORDERBRÜGGE1989,S.87-97)
Pd 3-4
Pd 5
Pd 4
Pd 4
Abb. 5: Allmähliche Abnahme der Wurzel-längendichte im Profil eines nicht verdichteten rekultivierten Bodens (nach VORDERBRÜGGE 1989)
Abb. 6: Überproportionale Abnahme der Wurzellän-gendichte im Profil eines verdichteten rekulti-vierten Bodens (nach VORDERBRÜGGE 1989) Abb.6: ÜberproportionaleAbnahmederWurzellängendichteimProfileinesverdichteten
rekultiviertenBodens(nachVorderbrügge1989)
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11� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
EinbesonderssensitiverIndikatordesBodengefügezustandesistdieWurzelverteilung in einem Bodenhorizont,indemunverdichteteHorizontegleichmäßigundverdichteteHorizonteungleichmä-ßig oder gar nicht durchwurzelt werden. Unterhalb der Durchwurzelungszone muss die Gefügebeur-teilung, die für hydrologische Fragestellungen wichtig sein kann, ohne die Bioindikatoren Wurzeln auskommen. Folgende Stufen der Wurzelverteilung werden unterschieden, wobei für die siebenstu-figeSkalaaucheinefeinereUnterteilungmöglichist:
gleichmäßig/etwasungleichmäßig/starkeHäufunginRissen/sehrstarkeHäufunginRissen.
Abb.7: WurzelprofilvonHaferineinerpseudovergleytenParabraunerdemitgleichmäßigerWurzelverteilungimOberbodenundetwasungleichmäßigerWurzelverteilungunterhalbvon50cmBodentiefe(Rex1984)
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 113
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte
__________________________________________________________________________________________
23
AbleitenderPackungsdichteausGefüge-undDurchwurzelungsmerkmalenDieGefügebeurteilungimGeländeaneinerProfilgrubeerfolgt in mehreren Schritten (Abb. 8). Die für die Be-stimmung derPackungsdichte relevantenMerkmale sind inÜbersicht 4 aufgelistet.DerZusammenhang zwi-schendeneinzelnenMerkmalenundderPackungsdichteistunterschiedlicheng.EristvorallemindenerstendreiSpaltenderÜbersicht4ehertendenziellzusehen.DieseeinfachzubestimmendenGefügemerkmaleerlau-bendahernureinegrobeEinstufungderPackungsdichte.VielpräzisercharakterisierendieLagerungsartundderAnteil biogener Makroporen die Packungsdichte und erlauben ihre Feineinstufung. SchließlichkommtderWurzelverteilungdiehöchsteZuverlässigkeit zubei derAbleitungbzw.KontrollederPackungsdichtenachÜbersicht4.FüreineweitereAbsicherungderGefügebeurteilungkönnenPflanzenalsBioindikatorennützlichsein.ImWald,inGrünlandbeständenundgegebenenfallsinUnkrautgemeinschaften sollten Zeigerpflanzen des Luft- und Was-serhaushaltes beachtet werden. Auf dem Ackerland sind die Kulturpflanzen hervorragende Indikatoren. Ihre Entwicklung, ihrephänologischenMerkmaleundihreErtragsleistungzeigenetwaigeSchadverdichtungensehrzuverlässigan,wennderWitterungsablaufberücksichtigtwird. InNormaljahren,diedurchNässe imFrühjahrund Trockenheit im Sommer gekennzeichnet sind, reagieren die Pflanzen empfindlich auf Schadverdichtungen. NurinJahrenmittrockenemFrühjahrundnachfolgendniederschlagsreichemSommergedeihensietrotzBoden-verdichtung zufriedenstellend.
Abb. 8: Arbeitsschritte zur Bestimmung der Packungsdichte
Die hier vorgestellte Synthese der Gefügebeurteilung ist eine wurzelökologisch begründete Bewertung des Bo-dengefügezustandes.DieMethodeisteinErgebnisjahrzehntelangerForschungsarbeitüberdieKausalkette
DiewurzelökologischbegründeteGefügebeurteilungkannohnewennundaberauchfürhydrologische Frage-stellungen genutzt werden. Das Makroporensystem hat für die Sickerung gleich große Bedeutung wie für das Wurzelwachstum, das eine ausreichende Drainage des Bodens voraussetzt. Außerdem hinterlassen Wurzeln WurzelkanäleimBoden,diebevorzugteFließwegefürdasSickerwasserdarstellen.ZwischenDurchwurzelbar-keit,DurchwurzelungundDrainageeigenschaftendesBodensbestehenalsovielfältigeWechselwirkungen.Einegute Durchwurzelung ist einerseits ein sicherer Indikator für ausreichende Drainage des Bodenprofils, und ande-rerseitsschaffendievorhandenenWurzelnneueKanäleimBodenfürdieSickerwasserbewegung.Bei einer bodenmechanischen Gefügebeurteilungwären leichtmodifizierteAkzente zu setzen. Hier ist der LagerungsartdashöchsteGewichtzuzumessen.EinBoden mit sperriger Lagerungsart hat die geringste mecha-nischeBelastbarkeit,währendeinBodenmitgeschlossener Lagerungsart, bei der Bioporen a priori kaum vor-kommenkönnen,überdiehöchsteBelastbarkeit(geringsteVerdichtungsgefährdung)verfügt.EineaußergewöhnlicheKonstellationvonGefügemerkmalenentwickeltsichimpfluglosen Ackerbau. Bei kon-
Ansprache der Gefügeform
Bestimmung einfach zu ermit-telnderGefügemerkmale
BestimmungderLagerungsartunddesAnteilsbiogenerMak-roporen
Untersuchung derWurzelvertei-lung
Background-Informationz.B.überdieGefügedynamik
GrobeinstufungderPackungs-dichte
FeineinstufungderPackungs-dichte
KontrollederermitteltenPa-ckungsdichte
Gefügeeigenschaften des Bodens Durchwurzelung Ertragsbildung
AbleitenderPackungsdichteausGefügeundDurchwurzelungsmerkmalen
DieGefügebeurteilungimGeländeaneinerProfilgrubeerfolgtinmehrerenSchritten(Abb.8).DiefürdieBestimmungderPackungsdichterelevantenMerkmalesindinÜbersicht4aufgelistet.DerZusammenhang zwischen den einzelnen Merkmalen und der Packungsdichte ist unterschiedlich eng. EristvorallemindenerstendreiSpaltenderÜbersicht4ehertendenziellzusehen.DieseeinfachzubestimmendenGefügemerkmaleerlaubendahernureinegrobeEinstufungderPackungsdichte.VielpräzisercharakterisierendieLagerungsartundderAnteilbiogenerMakroporendiePackungsdichteund erlauben ihre Feineinstufung.
SchließlichkommtderWurzelverteilungdiehöchsteZuverlässigkeitzubeiderAbleitungbzw.Kon-trollederPackungsdichtenachÜbersicht4.
FüreineweitereAbsicherungderGefügebeurteilungkönnenPflanzenalsBioindikatorennützlichsein.ImWald,inGrünlandbeständenundgegebenenfallsinUnkrautgemeinschaftensolltenZei-gerpflanzendesLuft-undWasserhaushaltesbeachtetwerden.AufdemAckerlandsinddieKultur-pflanzenhervorragendeIndikatoren.IhreEntwicklung,ihrephänologischenMerkmaleundihreEr-tragsleistungzeigenetwaigeSchadverdichtungensehrzuverlässigan,wennderWitterungsablaufberücksichtigtwird.InNormaljahren,diedurchNässeimFrühjahrundTrockenheitimSommerge-kennzeichnetsind,reagierendiePflanzenempfindlichaufSchadverdichtungen.NurinJahrenmittrockenem Frühjahr und nachfolgend niederschlagsreichem Sommer gedeihen sie trotz Bodenver-dichtung zufriedenstellend.
Abb.8: ArbeitsschrittezurBestimmungderPackungsdichte
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
114 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
Die hier vorgestellte Synthese der Gefügebeurteilung ist eine wurzelökologisch begründete Bewer-tungdesBodengefügezustandes.DieMethodeisteinErgebnisjahrzehntelangerForschungsarbeitüber die Kausalkette
Gefügeeigenschaften des Bodens Durchwurzelung Ertragsbildung
DiewurzelökologischbegründeteGefügebeurteilungkannohnewennundaberauchfürhydrolo-gische Fragestellungen genutzt werden. Das Makroporensystem hat für die Sickerung gleich große Bedeutung wie für das Wurzelwachstum, das eine ausreichende Drainage des Bodens voraussetzt. AußerdemhinterlassenWurzelnWurzelkanäleimBoden,diebevorzugteFließwegefürdasSicker-wasser darstellen. Zwischen Durchwurzelbarkeit, Durchwurzelung und Drainageeigenschaften des BodensbestehenalsovielfältigeWechselwirkungen.EineguteDurchwurzelungisteinerseitseinsi-chererIndikatorfürausreichendeDrainagedesBodenprofils,undandererseitsschaffendievorhan-denenWurzelnneueKanäleimBodenfürdieSickerwasserbewegung.
Bei einer bodenmechanischen GefügebeurteilungwärenleichtmodifizierteAkzentezusetzen.HieristderLagerungsartdashöchsteGewichtzuzumessen.EinBodenmitsperrigerLagerungsarthatdiegeringstemechanischeBelastbarkeit,währendeinBodenmitgeschlossenerLagerungsart,beiderBioporenapriorikaumvorkommenkönnen,überdiehöchsteBelastbarkeit(geringsteVerdich-tungsgefährdung)verfügt.
EineaußergewöhnlicheKonstellationvonGefügemerkmalenentwickeltsichimpfluglosen Acker-bau.BeikonservierenderBodenbearbeitungundnochstärkerbeimAckerbausystemmitDirektsaatbefindetsichdieUnterkrumeineinemrechtkompaktenZustand,weistabereinestarkePerforationdurchBioporenauf.DieLagerungsartistetwa„fastgeschlossen“(roterBereich),währendderhoheBioporenanteil Grün signalisiert. Die Durchwurzelbarkeit ist nicht ganz optimal, aber dennoch aus-reichend.EinezielgerichteteGefügebewertungergibttendenziell:
• wurzelökologisch:mittlerePackungsdichte(Pd3)• bodenmechanisch: hohe Packungsdichte (Pd 4)• pedohydrologisch: geringe Packungsdichte (Pd 2)
Diese von der Regel abweichende Kombination von Gefügeeigenschaften begründet die Faszinati-ondespfluglosenAckerbaues:DerBodenistgutbefahrbar(tragfähig),dieErtragsfähigkeitnichtbeeinträchtigtunddieInfiltrabilitätdesBodensfürWasser(Wasseraufnahmefähigkeit)sehrgün-stig(Dumbeck,1986;Vorderbrügge,1989;Kohl&Harrach,1991;Harrach&Richter,1994;Richter1995).EinderartigerGefügezustand,dersowohlauslandwirtschaftlicheralsauchauswasserwirt-schaftlicherSichterstrebenswertist,bietethervorragendenSchutzvorOberflächenabfluss,Bodenero-sionundBodenverdichtung.Esdarfjedochnichtverschwiegenwerden,dassimpfluglosenAckerbauPflanzenschutzaspektezubeachtensindunderhöhterPflanzenschutzmitteleinsatznotwendigist.
DiefunktionalenVorzügedessichbeipflugloserWirtschaftsweisebildendenBodengefügezustandeskämenbeidemGefügebewertungsrahmen,denBesteetal.(2001)anwenden,nichtzurGeltung.IhreGefügebewertung orientiert sich am optimalen Krümelgefüge, das im hier angesprochenen Boden nichtanzutreffenist.EinsolcherBewertungsrahmenscheintdaherdenZielendesBodenschutzesnicht optimal zu dienen.
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 115
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
Anhang6: VerschiedeneFormularezurErfassunghochwasserrelevanterKriterien
Anhang 6 /1: Schema zur Abschätzung des Bedeckungsgrades der Bodenoberfläche ackerbaulich genutzter Flächen.(Rohr et al., 1990)
Anhang 6 /1: Schema zur Abschätzung des Bedeckungsgrades der Bodenoberfläche ackerbaulich genutzter Flächen.(Rohr et al., 1990)
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116 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
ca. 50 cm
ca. 50 cm
-10 cm
- 30 cm
- 50 cm
Horizontalschnitt an derBodengrube
x
x
x
Kleine, grosse WurmröhrenWurzelnSkelett
+
- 10 cm
- 30 cm
- 50 cm
Aufsicht Anz. Mp d > 5 mm
Anz. Mp d < 5 mm
Total (nach Multiplikation*) Total Mp/m2Tiefe
Anhang 6/2: Die Beurteilung der Makroporosität am Boden-Horizontalschnitt.
(*Die Zahl der grösseren Mp (d > 5 mm) werden mit Faktor 5 multipliziert).
BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 117
LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
18/2006
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Prozessevaluation:
niedrige Niederschlagsintensitäthohe Niederschlagsintensität
Anhang 6/3: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien.
100
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6510
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LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz
118 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006
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