Hochwasserminderung Im Ländlichen Raum Ein Handbuch Zur Quantitativen Planung Hochwasserminderung Im Ländlichen Raum Simon P

Simon P. Seibert Karl Auerswald Hochwasserminderung im ländlichen Raum Ein Handbuch zur quantitativen Planung Hochwasserminderung im ländlichen Raum Simon P. Seibert Karl Auerswald Hochwasser minderung im ländlichen Raum

Ein Handbuch zur quantitativen Planung Simon P. Seibert Karl Auerswald TU München Wissenschaftszentrum Weihenstephan Jetzt: Bayerisches Landesamt für Umwelt TU München Augsburg, Deutschland Freising, Deutschland

ISBN 978-3-662-61032-9 ISBN 978-3-662-61033-6 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6

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Planung/Lektorat: Sebastian Müller Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany V

Danksagung

Die Erstellung dieses Buches wurde in weiten Teilen durch die Bayerische Verwaltung für Ländliche Entwicklung im Rahmen der Initiative boden:ständig (7 www.boden- staendig.eu) fnanziell gefördert. Eine Reihe von Behördenvertreten, insbesondere aus dem Bereich Zentrale Aufgaben (BZA), und von Landschafsplanungsbüros, die an dieser Initiative langjährig mitwirken, haben die Entstehung des Buchs kritisch begleitet und gefördert. Hervorzuheben und stellvertretend für alle zu nennen sind Norbert Bäuml (BZA), Anton Lenz (Ingenieurbüro Lenz, Ringelai), Felix Schmitt (H&S Ingenieure, Freising), Robert Brandhuber (Bayerische Landesanstalt für Landwirt- schaf), Wolfgang Rieger (Bayerisches Landesamt für Umwelt) sowie Wolfgang Bauer (Agrolufbild). Austausch bestand weiterhin mit Jürgen Ihringer (Karlsruher Institut für Technologie), Peter Fiener (Universität Augsburg), Tomas Machl (Technische Universität München), Wolfgang Ewald (Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaf und Forsten), Tanja Winterrath (Deutscher Wetterdienst) und Franziska Fischer (Bayerisches Landesamt für Umwelt). Dem Springer Verlag gilt unser herzlicher Dank für die Gestaltung, den Vertrieb und die technische Aufereitung des Manuskriptes. Stellvertretend seien hier Sebastian Müller und Janina Krieger genannt. Die Publikation wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaf (DFG) und der Technischen Universität München (TUM) im Rahmen des Programms Open-Access- Publizieren fnanziell unterstützt. Ihnen allen sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Verzeichnis wichtiger Abbildungen und Tabellen mit Faustzahlen und Formeln

Abbildungsinhalt Abbildungsnummer Seite

Begrife und Symbole: Darstellung von Anstiegszeit, Ablaufzeit, Scheitelhöhe und Abb. 3.1 34 Wellenvolumen bei Abfusswellen Konzeptionelle Darstellung des Dreiecksganglinienverfahrens Abb. 3.5 38 Schematische Darstellung des Fließpfadmusters aus Schicht- Abb. 3.6 43 abfuss, Abfuss in Rillen und Rinnen, Hangmuldenabfuss und Abfuss in Gräben Darstellung von dimensionsloser Einheitsganglinie und Abb. 3.8 47 Dreiecksganglinie Regeneigenschaften: Karten der Starkniederschlagshöhen einer Jährlichkeit von 30 Abb. 4.7 78 Jahren für die Dauerstufen 1 und 4 h in Deutschland und Abb. 8.8 196 Abfussmenge: Anpassung des für mittlere Feuchteverhältnisse gültigen Abb. 4.1 66

CNII-Wertes an abweichende Feuchteverhältnisse Einfuss der Bodenbedeckung auf die CN-Werte unterschied- Abb. 4.2 66 licher Ackerkulturen Jahresgang der CN-Werte von konventionell und in Abb. 4.6 72 Mulchdirektsaat angebautem Mais Abfussgeschwindigkeit: Typische Formen des Abfusses in aufeinanderfolgenden Abb. 5.7 106 Fließabschnitten und zugehörige hydraulische Radien Typische Längen des schichtförmigen Fließens bei unter- Abb. 8.1 179 schiedlichen Oberfächen Hydraulische Radien von rechteckigen Rinnen und Rillen und Abb. 8.3 181 von Hangmulden in Abhängigkeit von Fließtiefe und Wasser- spiegelbreite Formeln zur Bestimmung von durchfossener Querschnitts- Abb. 8.4 182 fäche, benetztem Umfang und hydraulischem Radius Dimensionierung von Schutzmaßnahmen: Schematischer Querschnitt durch ein Kleinstrückhaltebecken Abb. 6.11 131 Regelquerschnitt eines Wegs mit Wegseitengraben mit einer Abb. 6.21 148 auf 1 m verbreiterten Sohle VII Verzeichnis wichtiger Abbildungen und Tabellen mit Faustzahlen …

Abbildungsinhalt Abbildungsnummer Seite Schematische Darstellung des Wasserdurchlasses unter Abb. 8.18 214 Wegen von der Berg- auf die Talseite durch Rohre oder Planumsickerschichten in eine talseitige Abfussmulde

Tabelleninhalt Tabellennummer Seite Begrife und Symbole: Wortverbindungen zur Beschreibung von Wasserhaushaltsgrößen Tab. 2.1 14 und deren Bedeutung Verwendete Fachbegriffe, Formelzeichen und übliche Einheiten Tab. 2.2 16 Regeneigenschaften: Starkniederschlagshöhen für unterschiedliche Wiederkehrinter- Tab. 3.1 41 valle und Niederschlagsdauerstufen Maximalniederschlag in Abhängigkeit von Dauerstufe und Tab. 4.3 75 Wiederkehrintervall Jahresgang typischer Niederschlagsmengen (in mm) Tab. 4.4 79 Kritische Regenintensitäten in Abhängigkeit von Dauerstufe und Tab. 8.6 186 Wiederkehrintervall Zeitliche Niederschlagsverteilung von Bemessungsnieder- Tab. 8.8 193 schlägen Abfussmenge: CN-Werte (Curve Number) bei mittlere Entleerung des Boden- Tab. 4.1 65

wasserspeichers (CNII) für verschiedene Bodennutzungen und hydrologische Bodengruppen Monatliche CN-Werte von Ackerkulturen, Grünland, Wald, Tab. 4.2 68 Siedlungs- und Verkehrsfächen für die hydrologische Boden- gruppe C Hydrologische Bodengruppe in Abhängigkeit vom Tongehalt im Tab. 8.16 210 obersten Meter und dem medianen Korndurchmesser im Ober- boden Hydrologische Bodengruppen für die Ackerbeschriebe der Boden- Tab. 8.17 211 schätzung Hydrologische Bodengruppen für die Grünlandbeschriebe der Tab. 8.18 211 Bodenschätzung Mittlere Abfussbeiwerte für unterschiedliche Wegoberfächen Tab. 6.10 152 Maximale Abfussbeiwerte des Lutz-Verfahrens für unterschied- Tab. 8.12 204 liche hydrologische Bodengruppen und Landnutzungen Anfangsverluste des Lutz-Verfahrens für unterschiedliche hydro- Tab. 8.13 206 logische Bodengruppen und Landnutzungen Wochenzahlen des Lutz-Verfahrens für die Monate des Jahres Tab. 8.14 207 VIII Verzeichnis wichtiger Abbildungen und Tabellen mit Faustzahlen …

Tabelleninhalt Tabellennummer Seite Abfussgeschwindigkeit: Rauheitsbeiwerte für linearen oder fächenhaften Abfuss mit Tab. 5.1 108 Fließtiefen > 5 cm Rauheitsbeiwerte für Schichtabfuss und konzentrierten Abfuss Tab. 8.2 178 mit Fließtiefen 3 cm ≤ Formeln zur überschlägigen Bestimmung der Fließgeschwindigkeit Tab. 8.3 180 in Rinnen und Rillen für verschiedene Oberfächen Formfaktor F zur Bestimmung der Ablaufzeit einer Dreiecksgang- Tab. 3.2 42 linie Verhältniszahlen zur überschlägigen Bestimmung des Scheitel- Tab. 8.5 185 abfusses Zeit- und Abfusswerte der dimensionslosen Einheitsgangline Tab. 3.6 50 Dimensionierung von Schutzmaßnahmen: Kritische Hanglängen bei höhenlinienparalleler Bewirtschaftung Tab. 6.1 119 für unterschiedliche Hangneigungen Faustzahlen zur Breite von begrünten Abfussmulden Tab. 6.4 127 IX

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung...... 1 1.1 Anlass und Problemstellung...... 2 1.2 Zielgruppe und Bestimmungszweck...... 5 Literatur...... 7

2 Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten und dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen...... 11 2.1 Begrife und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts...... 12 2.1.1 Komponenten und Bilanzgleichung des Wasserhaushalts...... 12 2.1.2 Wichtige Prozesse des Niederschlag-Abfuss-Vorgangs und ihre Terminologie. . . . 13 2.1.3 Einzugsgebiete und ihre Abgrenzung...... 14 2.1.4 Begriffe, Defnitionen, Synonyme und ihre Einheiten und Formelzeichen ...... 15 2.2 Starkregen – Auslöser für unterschiedliche Hochwasserarten ...... 22 2.3 Ansätze und Wirkung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen...... 26 Literatur...... 29

3 Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann...... 33 3.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen...... 34 3.1.1 Eigenschaften von Abfusswellen...... 34 3.1.2 Einfüsse von Abfussbildung und Abfusskonzentration auf Wellenablauf und Abfussminderung...... 35 3.2 Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen...... 37 3.2.1 Das Dreiecksganglinienverfahren...... 38 3.2.2 Das Einheitsganglinienverfahren ...... 46 Literatur...... 58

4 Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird...... 61 4.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen...... 62 4.2 Bestimmung der abfusswirksamen Niederschlagshöhe...... 62 4.3 Das Runof-Curve-Number-Verfahren...... 63 4.4 Modellregen für den ländlichen Hochwasserschutz...... 73 4.4.1 Bemessungsziele in der Wasserwirtschaft und Ableitung von Bemessungszielen für die Flur ...... 74 4.4.2 Niederschlagshöhen typischer Starkregenereignisse nach KOSTRA...... 76 4.5 Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens...... 79 4.5.1 Landnutzungsänderung ...... 79 4.5.2 Flächenparzellierung ...... 82 4.5.3 Landwirtschaftliche Bewirtschaftungspraxis...... 86 Literatur...... 90 X Inhaltsverzeichnis

5 Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird...... 95 5.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen...... 96 5.2 Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten...... 97 5.3 Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit ...... 102 5.3.1 Fließwege im Einzugsgebiet...... 103 5.3.2 Hydraulische Grundlagen...... 104 5.3.3 Die Geschwindigkeitsmethode zur Bestimmung der Konzentrationszeit...... 105 5.3.4 Fließgeschwindigkeitsbestimmung mithilfe der Gauckler-Manning-Strickler-Gleichung ...... 105 Literatur...... 110

6 Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann...... 113 6.1 Flächige, schlaginterne Maßnahmen zur Erhöhung der Oberfächenrauheit. . . . 115 6.2 Grünstreifen...... 121 6.3 Begrünte Abfussmulden (Grassed Waterways)...... 124 6.4 Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur...... 129 6.5 Flurgliederung und Flächenarrangement...... 137 6.5.1 Konzentrationszeit und Flächenbedarf abfussmindernder Fließpfade...... 137 6.5.2 Vergleich aktueller und historischer Flurgliederungen...... 141 6.5.3 Flurneuordnung unter Berücksichtigung abfussverzögernder Strukturen und Maßnahmen...... 143 6.6 Abfussgeschwindigkeit in Gräben und Rohren ...... 146 6.7 Wege- und Wasserführung...... 150 Literatur...... 153

7 Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung von Abflusssituation und Abflussminderung...... 159 7.1 Einführung...... 160 7.2 Methoden ...... 160 7.2.1 Bemessungsniederschlag und abfusswirksame Niederschlagshöhe...... 160 7.2.2 Ermittlung der Konzentrationszeit...... 162 7.2.3 Abschätzung der Scheitelhöhe...... 163 7.3 Ergebnisse...... 163 7.3.1 Abfussentstehung...... 163 7.3.2 Konzentrationszeit...... 163 7.3.3 Scheitelabfussrate bei Starkregen...... 167 7.3.4 Einfuss der Grabengestaltung auf Abfusskonzentration und Scheitelabfussrate...... 167 7.3.5 Wirkung einer fächendeckenden Mulchdirektsaat...... 168 7.4 Zusammenfassung...... 170 Literatur...... 171

8 Anhang...... 173 8.1 Wirksamkeit dezentraler Maßnahmen zur Abfussminderung ...... 174 8.2 Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade...... 174 8.2.1 Schichtabfuss...... 174 XI Inhaltsverzeichnis

8.2.2 Flacher konzentrierter Abfuss (Rillenabfuss)...... 178 8.2.3 Abfuss in Hangmulden...... 180 8.2.4 Abfuss in Gräben, teilgefüllten Rohren und anderen offenen Gerinnen...... 181 8.2.5 Fließzeit durch Wasserkörper und Feuchtgebiete...... 183 8.2.6 Bestimmung des hydraulischen Radius...... 183 8.3 Das Verhältnisverfahren zur Bestimmung des Scheitelabfusses...... 184 8.3.1 Anwendungsbeispiel ...... 185 8.3.2 Das erweiterte Verhältnisverfahren...... 187 8.4 Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen...... 188 8.4.1 Grundlagen, Kenngrößen und Defnitionen...... 188 8.4.2 Bestimmung von Gebietsniederschlägen aus Messdaten...... 189 8.4.3 Radardaten...... 189 8.4.4 Stationsdaten ...... 190 8.4.5 Synthetische Gebietsniederschläge...... 192 8.4.6 Veränderungen durch den Klimawandel...... 195 8.4.7 Anwendungsbeispiele zur Festlegung von Bemessungsniederschlägen...... 197 8.5 Bestimmung der Abfusshöhe nach Lutz...... 202 8.5.1 Bestimmung des Proportionalitätsfaktors a...... 206

8.5.2 Bestimmung der Gebietskonstanten C1, C2 und C3...... 207 8.6 Hydrologische Bodengruppe...... 208 8.6.1 Bestimmung der hydrologischen Bodengruppe aus einer Korngrößenanalyse. . . . 210 8.6.2 Bestimmung der hydrologischen Bodengruppe aus der Bodenschätzung...... 211 8.7 Wegebau und Wasserführung...... 211 8.8 Kartierung von Fließwegen im Gelände...... 215 8.9 Geodaten und Geodatenanalyse...... 216 8.10 Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen, bei Vorverschlämmung, bei natürlichen Regen und bei aufeinanderfolgenden Regen ...... 217 Literatur...... 224

Serviceteil Stichwortverzeichnis...... 233 1 1

Einleitung

1.1 Anlass und Problemstellung – 2 1.2 Zielgruppe und Bestimmungszweck – 5 Literatur – 7

1.1 Anlass und Problemstellung beispielsweise das bestehende Schutzkonzept 1 zu einem ganzheitlicheren Hochwasserrisiko- Die gesamtwirtschaflichen Schäden durch management erweitert (Aktionsprogramm Naturkatastrophen steigen weltweit. Ins- 2020+) [12]. Dort wird gegenwärtig auch besondere Hochwasser und Sturzfuten eine „Hinweiskarte Oberfächenabfuss und nehmen eine immer größere Bedeutung ein. Sturzfuten“ (HiOS) für alle Kommunen Allein im Jahr 2016 verursachte eine Stark- erarbeitet [13]. Baden-Württemberg hat 2016 regenserie innerhalb von zwei Wochen in als erstes Bundesland einen Leitfaden zum Deutschland einen Versicherungsschaden von kommunalen Starkregenrisikomanagement etwa 2,6 Mrd. € [1]. Obwohl im Jahr 2017 die als praxisorientierte Hilfestellung für Schäden geringer als im Vorjahr waren, über- kommunale Fachplaner und Entscheidungs- stiegen sie aber noch immer die Summe von 1 träger veröfentlicht [14]. Mrd. € [2]. 2018 wurden bereits in der ersten Die genannten Reaktionen sind ein Jahreshälfe Schäden in Höhe von 1,3 Mrd. € wichtiger Schritt hin zu einer besseren Vor- registriert [3]. Neben materiellen Schäden sorge vor meteorologischen Extremen. Der an Gebäuden und Infrastruktur verursachen Fokus liegt aber bisher noch auf besiedelten Starkregen und Sturzfuten durch Boden- Räumen. Da rund 80 % Deutschlands land- abtrag, Verminderung der Bodenfruchtbar- und forstwirtschaflich genutzt sind, ergeben keit und Gewässerbelastung vor allem aber sich jedoch vor allem Herausforderungen auch schwere und kaum quantifzierbare öko- im ländlichen Raum, um die natürlichen logische Schäden. Dies belegen Lufbildauf- Ressourcen dieser Regionen langfristig zu nahmen von landwirtschaflichen Flächen erhalten – die Landschaf muss wetterfester nach Starkregenereignissen eindrucksvoll [4, werden. Daher hat sich in der Bayerischen 5]. Aktuelle Auswertungen zeigen, dass der Verwaltung für Ländliche Entwicklung die Trend hin zu stärkeren Extremen zunimmt Initiative boden:ständig formiert (7 www. und sich beispielsweise die Regenerosivität boden-staendig.eu), um einen nachhaltigen seit 1960 verdoppelt hat [6]. Wissenschafler Beitrag zum Boden- und Gewässerschutz zu und Fachverbände sind sich daher einig: leisten. Durch die Vernetzung und Unter- Hochwasser- und Starkregenvorsorge werden stützung engagierter Akteure werden dabei Daueraufgabe bleiben [7]. insbesondere Landwirte und Gemeinden Zahlreiche Reaktionen folgten auf diese bei der Planung und Umsetzung von Entwicklungen. Dazu zählen beispiels- Maßnahmen unterstützt, die den negativen weise die Europäische Hochwasserrisiko- Auswirkungen der intensiven Flächennutzung management-Richtlinie [8], die 2010 durch entgegenwirken. Ziel ist, vor der „eigenen die Novellierung der Wassergesetze von Bund Haustür“ zum Erhalt lebendiger Böden bei- und Ländern in national geltendes Recht zutragen und die Flur abfussmindernd zu übersetzt wurde. Dies führte zur Ausweisung gestalten. Weitere Ansätze sind beispiels- und Festsetzung von Überschwemmungs- weise Entwicklungskonzepte für Gewässer gebieten. Wichtige Konsequenzen wurden auf III. Ordnung oder Bachpaten- und Gewässer- Bundesebene gezogen durch das Nationale nachbarschafen, die Kommunen und örtlich Hochwasserschutzprogramm im Jahr 2014, zuständige Wasserwirtschafsämter unter- das Hochwasserschutzgesetz II von 2017 stützen [15–17]. Im Freistaat Sachsen wurden und durch die Anpassung der Strategien fächendeckend aus Gelände- und Boden- und Leitlinien der Länderarbeitsgemein- daten reliefedingte Abfussbahnen ermittelt schaf Wasser [9–11]. Auf Ebene der Bundes- und in digitalen Karten dargestellt worden. länder unterscheiden sich die Reaktionen Dort wird unter anderem die Begrünung stark. In Bayern wurde im Nachgang an erosionsgefährdeter Abfusswege forciert und das „Jahrhunderthochwasser“ von 2013 gefördert [18, 19]. 3 1 1.1 · Anlass und Problemstellung

In Anbetracht der durch Klima- und Ansätze und andere Schätzverfahren, Landnutzungsänderungen steigenden Hoch- sogenannte Regionalisierungsmethoden, wasserschäden muss der Wasser- und Stof- sind aufgrund fehlender Messdaten oder der rückhalt in der Landschaf verbessert werden. of großen Heterogenität von Landschafs- Dazu müssen die Wasserfüsse in der Flur elementen in kleinen Gebieten (ca. 10–500 ha) mehr Beachtung fnden, z. B. bei der Anlage bis heute dagegen nicht zuverlässig anwend- oder dem Ausbau von Straßen und Wegen, bar. der Ausweisung von Baugebieten, der Die bedeutendste neuere Entwicklung Umgestaltung der Landschaf im Rahmen ist die zunehmende Verbreitung hydro- von Flur- oder Bodenneuordnungen, aber dynamischer Modelle, die nicht nur den auch bei der land- und forstwirtschaflichen Wellenablauf in Gewässern, sondern durch Bewirtschafung. Dies erfordert zunächst, Lösen der Flachwassergleichungen auch sich der Wasserfüsse in der Landschaf eine detaillierte Simulation des Ober- und der vielfältigen Einfussnahme durch fächenabfusses bei Starkregen in der Fläche den Menschen bewusst zu werden und die ermöglichen. Sie erlauben eine deutlich Wasserfüsse quantitativ zu beschreiben. diferenziertere Betrachtung und Analyse Benötigt werden (standardisierte) Methoden, der Fließpfade in der Flur als die klassischen um abzuschätzen, wo mit wieviel Regen Ansätze zur Abschätzung von Welleneigen- bzw. Abfuss in welcher Zeit zu rechnen schafen. Ihre Bedeutung wird daher weiter ist, wo dieses Wasser fießt und ob daraus zunehmen. Bis heute ist ihre Anwendung eine Gefahr für Feld, Flur und Infrastruktur jedoch aufwendig, da sie entsprechende oder gar für Leib und Leben erwachsen Kenntnisse und Programme, hochauf- kann. Diese Kenntnisse bilden die Basis, um gelöste Daten und zumindest für größere Maßnahmen zur Abfussminderung in der Gebiete auch noch immer enorme Rechen- Flur abzuleiten und zu gestalten. leistungen voraussetzen. Ihr Einsatz ist daher Methoden zur quantitativen Beschreibung bis jetzt meist auf wasserwirtschafliche von Wasserfüssen werden z. B. zum Belange, größere Gewässer und besiedelte Gewässerausbau oder der Dimensionierung Räume begrenzt. Für kleine, einige Hektar von Rückhalteräumen in der wasserwirt- bis wenige Quadratkilometer große Einzugs- schaflichen Bemessungspraxis seit Ende des gebiete besteht somit ein Mangel an einfachen 19. Jahrhunderts eingesetzt [20], wobei die Planungsmethoden. ersten hydrologischen Planungswerkzeuge vor Entsprechend sind (standardisierte) Ver- allem zwischen 1930 und 1950 in den USA fahren zur Quantifzierung von Wasser- entwickelt wurden [21, 22]. Hierzulande fand füssen in der Flur bis heute in Deutschland diese Entwicklung vor allem in den 1960er- nicht etabliert, variieren von Bundesland zu bis 1980er-Jahren statt, als Hochschulen sich Bundesland und werden häufg mit Ansätzen dem Tema intensiver widmeten [23–29] und der Bodenabtrags- und Erosionsmodellierung sich die ersten größeren Vereine und Fach- vermengt. Letzteres ist fachlich nicht halt- verbände formierten [30, 31]. Der Großteil bar, da Erosion ein Prozess der Fläche ist und der noch heute eingesetzten Planungs- und Bodenabtrag wesentlich vom Vorhandensein Bemessungsmethoden, insbesondere für von transportierbarem Material abhängt (z. B. kleine Gewässer und Gebiete, in denen keine bei fehlender Bedeckung) und häufg nicht Messdaten über Wasserhaushaltsgrößen durch die Transportkapazität des Abfusses und -füsse vorliegen, wurde zu dieser Zeit, limitiert wird. Ein weiterer wesentlicher, für d. h. vor 40 bis 60 Jahren entwickelt. Sie die fächenhafe Erosion irrelevanter Aspekt bieten bis heute die einzige Möglichkeit, sind die Fließwege des Abfusses zwischen Bemessungsgrößen für die Flur relativ ein- Feldrand und Gewässer. Sie bestimmen die fach abzuschätzen. (Extremwert-)statistische Geschwindigkeit der Gebietsentwässerung 4 Kapitel 1 · Einleitung

und damit die Höhe einer Abfusswelle Fläche und bei historischen Sturzfutereig- 1 maßgeblich [21]. nissen gewonnen wurden [54–57], durch Dieses Handbuch bereitet daher Methoden Empfehlungen bestehender Leitfäden und zur quantitativen Erfassung und Beschreibung Veröfentlichungen der Fachverbände [7, 58– von Wasserfüssen zusammenfassend und für 62] sowie durch Erfahrungen aus den Nach- Fragen der ländlichen Entwicklung und Flur- barländern Österreich und Schweiz [63–65]. und Landschafsgestaltung auf. Entsprechend Der zweite Fokus des Handbuchs liegt liegt der räumliche Fokus im Bereich ober- auf der Beschreibung und Quantifzierung halb der Gewässer III. Ordnung, also auf der Wirkung von abfussmindernden kleinen (< 5 km2), vor allem landwirtschaf- Maßnahmen. Klassische Fragen sind bei- lich geprägten Einzugsgebieten. Folgende spielsweise: Wie kann ein Wegseitengraben Kernfragen werden beantwortet: Welcher gestaltet werden, damit Wasser darin nicht Teil des Niederschlags fießt ab? Auf welchen beschleunigt, sondern verzögert abgeführt Wegen fießt er ab, und wie können Abfuss- wird? Wie breit muss eine begrünte Abfuss- geschwindigkeit oder Scheitelhöhe an einem mulde sein, um Wasser schadlos aus der bestimmten Punkt des Fließweges ermittelt Fläche abzuleiten? Wie kann die Gebietsent- werden? Da in der Praxis häufg unterschied- wässerung durch Wege und die Parzellierung liche Ansätze oder identische Ansätze mit der Flur positiv beeinfusst werden und welche unterschiedlichen Parameterwerten verwendet Wirkung ist zu erwarten? Welchen Efekt werden, werden hier Empfehlungen zur haben landwirtschafliche Maßnahmen auf Bestimmung hydrologischer Größen gegeben den Wasserrückhalt? Wie sind kleine Rück- und ein Beitrag zu einer Vereinheitlichung der haltebecken in der Fläche zu dimensionieren? Methodenstandards geleistet. Dazu erfolgte Neben einer Beschreibung der Maßnahmen eine umfangreiche Recherche relevanter werden Gleichungen und Richtzahlen zur Methoden und Fachveröfentlichungen [30, Planung und Beurteilung der Wirkung bereit- 32–39], Lehrbüchern [40–43] und den an gestellt. Das vorliegende Handbuch ist kein Wasser- und Umweltbehörden der Länder Leitfaden, der Schritt für Schritt beschreibt, verfügbaren Publikationen und Bemessungs- wie eine bestimmte Maßnahme umzu- verfahren [z. B. 14, 44–50]. Letzteren kommt setzen ist, sondern eine Zusammenstellung eine hohe Bedeutung zu, um möglichst in von Maßnahmen und Methoden, mit denen der Wasserwirtschaf etablierte Methoden zu Wasserfüsse in der Landschaf gestaltet verwenden. Eine weitere, wesentliche Quelle und beschrieben werden können. Idealer- stellten die Veröfentlichungen und Werkzeuge weise können die vorgestellten Ansätze des US Natural Ressources Conservation als Blaupause für die Modellierung bzw. Service (NRCS) dar. Der NRCS hat seit den Dimensionierung konkreter Maßnahmen in 1960er-Jahren umfangreiche und zwischen- der Flur herangezogen werden. zeitlich weltweit verbreitete Methoden- Das vorliegende Handbuch ver- standards und Praxishandbücher publiziert. sucht, die Lücke zu schließen, die ent- Am wichtigsten sind hier das seit den 1950er- steht, weil klassische wasserwirtschafliche Jahren kontinuierlich fortgeschriebene hydro- Bemessungsansätze auf dauerhaf wasser- logische National Engineering Handbook [51], führende Gewässer und kommunale Räume der Conservation Practices Training Guide beschränkt sind. Zum anderen werden [52] und die zahlreichen, online verfügbaren Maßnahmen zum dezentralen Wasserrück- Planungswerkzeuge und Modelle [53]. Diesen halt in den bestehenden Handreichungen Quellen wurden viele Auszüge entnommen fast ausschließlich qualitativ beschrieben und und an die hiesigen Bedingungen angepasst. erscheinen damit in der Wirkung ungewiss. Ergänzt wurden sie durch Erkenntnisse, die Dies erschwert eine Kosten-Nutzen-Analyse bei Pilotprojekten zum Wasserrückhalt in der und ein Abwägen verschiedener Optionen. 5 1 1.2 · Zielgruppe und Bestimmungszweck

Gleichzeitig wurden nur gut beschriebene durch Zahlen und Kennwerte, die auf einem Methoden berücksichtigt, die mit üblichen großen Fundus an Messungen, Erfahrungen Tabellenkalkulationsprogrammen gelöst und publizierten Werten aus der Literatur werden können. Dies beruht auf der Über- beruhen. legung, dass damit vielfach schon hinreichend genau Lösungen abgeleitet werden können. Die Komplexität der (instationären) Abfuss- 1.2 Zielgruppe und prozesse bei konkreten Hochwasser- und Bestimmungszweck Sturzfutereignissen wird damit zwar nur stark vereinfacht abgebildet, für Planungen, Wasser kennt keine Grenzen. Es bahnt sich die viele Jahre Bestand haben, sind aber unweigerlich seinen Weg, vernetzt unter- konkrete Ereignisse ohnehin nicht bekannt. schiedliche Landschafsteile und wird dabei Die Auswahl der Methoden begründete auf vielfältige Weise durch menschliches sich auch dadurch, dass auf Spezialwissen Wirken beeinfusst. Um die Auswirkungen z. B. über fächendiferenzierte (hydro- von Starkregen zu mindern, gibt es daher dynamische) Modellierungen und auf hohe viele Ansatzpunkte in der Fläche und ent- technische Anforderungen, die sich of lang des kompletten Fließweges von der aus der Anwendung fächendiferenzierter Wasserscheide bis in die größeren Gewässer. Niederschlag-Abfuss-Modelle ergeben, ver- Konsequenter Wasserrückhalt betrif daher zichtet wurde, um auch „Quereinsteigern“ immer viele unterschiedliche Akteure. Das gilt und Spezialisten mit anderer Ausrichtung insbesondere, wenn Abfussminderung mit die Nutzung zu ermöglichen. Die Verfahren kleinen, dezentralen Maßnahmen erfolgen sollen so einem breiteren Nutzerkreis zugäng- soll. Solche dezentralen Einzelmaßnahmen lich werden. haben of nur eine geringe Wirkung und Die beschriebenen Methoden versuchen, beschränkte Reichweite. In Konsequenz einen fairen Ausgleich zwischen dem not- sind mehrere aufeinander abgestimmte wendigen Aufwand und der erforderlichen Maßnahmen an unterschiedlichen Stellen des Genauigkeit zu erreichen. Hinsichtlich der Einzugsgebietes erforderlich, um einen deut- Genauigkeit sind zwei Dinge wesentlich: lichen Efekt zu erreichen. Starkregenvor- Erstens weiß eine Planung im Gegensatz zur sorge in der Flur muss daher zwangsläufg als retrospektiven Betrachtung nie, wann welches gesamtgesellschafliche Gemeinschafsaufgabe Ereignis wo aufritt und wie der Zustand der verstanden werden. Die wesentlichen Vor- Flächen genau zu diesem Zeitpunkt ist. Diese teile vieler dezentraler Maßnahmen sind, dass Unsicherheit stellt alle anderen Unsicher- sie preiswert und vergleichsweise einfach zu heiten bei Weitem in den Schatten. Zweitens verwirklichen sind und nicht nur punktuell bedeutet dezentraler Hochwasserschutz wirken, sondern das gesamte Einzugsgebiet immer, dass viele Maßnahmen zusammen- schützen. wirken müssen, weil die einzelne Maßnahme Das vorliegende Handbuch soll dies unter- schwach wirkt oder nur einen kleinen Teil stützen. Es richtet sich in erster Linie an der Flur schützt. Eine Fehleinschätzung einer Planer und Ingenieure, die den Landschafs- einzelnen Maßnahme in einer speziellen wasserhaushalt beeinfussen, aber auch an Situation hat daher kaum Auswirkungen. alle weiteren, in der Flur tätigen Akteure wie Es kommt auf das Gesamtpaket an. Eine Wasserberater, Pfege- und Zweckverbände, generelle Fehleinschätzung einer Maßnahme, Hochschulangehörige, Fachinstitute und Ent- z. B. eine Unterbewertung der Mulchsaat oder scheidungsträger in Behörden. Für sie wurden eine Überbewertung einer Querbearbeitung, etablierte und praxisorientierte Ansätze zur wirkt sich dagegen stark aus. Hier ersetzt Erfassung und Quantifzierung der Wasser- dieses Handbuch die gefühlte Wirkung füsse in der Landschaf zusammengefasst 6 Kapitel 1 · Einleitung

. Abb. 1.1 Schematische Gliederung des Buchs und Zusammenwirken der Kapitel in der Abfussprognose

und beschrieben. Vereinzelt werden auch Vielfalt an Verfahren und Maßnahmen sind konstruktive Aspekte z. B. für den Wegebau, den Möglichkeiten eines Buches gleichzeitig die Anlage von begrünten Abfussmulden deutliche Grenzen gesetzt. Daher wird auch oder kleine Rückhaltebecken genannt; diese eine große Zahl weiterführender Literatur- haben jedoch in der Regel schematischen stellen genannt. Das Handbuch soll vor allem Charakter. Rechtliche Aspekte wurden, einen Zugang zu den unterschiedlichen Ver- ebenso wie Strategien für die Umsetzung von fahren sowie deren Möglichkeiten und Grenzen Maßnahmen in die Praxis, ausgeklammert. bieten, einen Beitrag zur Standardisierung der Der thematische Aufau des Buchs und die Ansätze leisten und die Diskussion zwischen für eine quantitative Prognose notwendigen Wasserwirtschaf, Landwirtschaf und Länd- Berechnungsschritte sind in . Abb. 1.1 licher Entwicklung befruchten. Zusammen sind illustriert. Durch den Temenumfang, die sie die wesentlichen Akteure, die den Wasser- Komplexität des Abfussvorgangs und die rückhalt in der Fläche verbessern können. 7 1 Literatur

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Open Access Dieses Kapitel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz (7 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de) veröffentlicht, welche die Nutzung, Verviel- fältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/ die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die in diesem Kapitel enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten Weiterverwendungen des Materials die Ein- willigung des jeweiligen Rechteinhabers einzuholen. 11 2

Grundlagen der Abfussentstehung, Sturzfuten und dezentralen Hochwasser schutzmaßnahmen

2.1 Begrife und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts – 12 2.2 Starkregen – Auslöser für unterschiedliche Hochwasserarten – 15 2.3 Ansätze und Wirkung dezentraler Hochwasser schutzmaßnahmen – 24 Literatur – 29

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_2 12 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2.1 Begriffe und Defnitionen des da häufg nicht zwischen Oberfächen- Landschaftswasserhaushalts abfuss und Zwischenabfuss unterschieden werden kann oder die Unterscheidung nicht 2 Dieses Kapitel beschreibt den Landschafs- zweckmäßig ist. Gleiches gilt für den Begrif wasserhaushalt und wesentliche Begrife, Direktabfuss, der ebenfalls den Teil des Komponenten und Prozesse, die beim Nieder- Niederschlags bezeichnet, der unmittelbar schlag-Abfuss-Prozess von Bedeutung sind. oder nur mit kurzer zeitlicher Verzögerung Darüber hinaus werden Einzugsgebiete nach einem Regen einem Gewässer zufießt. Er charakterisiert, da sie die wesentliche räum- ist ebenfalls synonym zum efektiven Nieder- liche Bezugsgröße zur Bilanzierung von schlag und wird of verwendet, wenn Nef Wasserfüssen darstellen. Eine Übersicht einem Gewässer zugefossen ist. Trotz des ähn- wichtiger, in diesem Handbuch verwendeter lichen Namens, darf aber Nef keinesfalls mit Begrife und Defnitionen ist glossarartig in dem Niederschlag N gleichgesetzt werden, 7 Abschn. 2.1.4 zusammengestellt. Die Inhalte da der Gebietsrückhalt ΔS bei den meisten stützen sich auf etablierte Grundlagenwerke (kleineren und mittleren) Regen wesentlich [1–4]. größer als Nef ist und dann Nef nur einen kleinen Anteil des Niederschlags ausmacht.

Verglichen mit N und Nef ist ET bei Hoch- 2.1.1 Komponenten und wasserereignissen üblicherweise sehr klein, Bilanzgleichung des weshalb ET in der quantitativen Betrachtung Wasserhaushalts großer Niederschlag-Abfuss-Ereignisse vernachlässigt werden kann. Die Speicher- Für Hochwasserereignisse hat der Nieder- änderung, d. h. der Teil des Niederschlags, der schlag eine zentrale Bedeutung. Seine Eigen- bei einem Regen im Gebiet zurückgehalten schafen bestimmen in erheblichem Maße die wird, ergibt sich aus der Wassermenge, die Eigenschafen einer Überfutung. Die Begrife infltriert, und dem Wasser, dass an der Ober- Überschwemmung, Überfutung und Hoch- fäche, z. B. auf Pfanzen oder in Mulden, wasser werden hier synonym als Überbegrif zurückgehalten wird. Nef entspricht also bei für Überschwemmungen aller Art verwendet. kurzzeitiger Betrachtung der Diferenz von Δ Eine Abgrenzung unterschiedlicher Über- N und S: schwemmungstypen erfolgt in 7 Abschn. 2.2; Neff = N − S (2.2) dort wird auch auf unterschiedliche Stark- regenarten eingegangen. Der Niederschlag (N) Die wesentliche Herausforderung bei der teilt sich auf in die Komponenten abfießender Bestimmung von Nef liegt daher in der Δ oder abfusswirksamer oder efektiver Nieder- Schätzung des Gebietsrückhalts S, der von unterschiedlichen Aspekten abhängt und schlag (Nef), Evapotranspiration (ET) und Änderung des Gebietsrückhalts bzw. Gebiets- sich über die Zeit verändert. Sind N und Nef speichers (ΔS). Zusammen bilden sie eine bekannt, lässt sich aus ihrem Quotienten der Ψ geschlossene Bilanzgleichung (2.1), die besagt, volumetrische Abfussbeiwert ( ) bestimmen. dass alles Wasser, das sich als Abfuss in einem Er ist eine dimensionslose Verhältniszahl und Gewässer wiederfndet, seinen Ursprung im variiert zwischen Null und Eins. Ein Wert von Ψ 0,6 bedeutet, dass 60 % des Niederschlags Niederschlag hat: = abfießen. Neff = N − ET − S (2.1) Neff = (2.3) Die Bezeichnungen abfießender oder abfuss- N wirksamer oder efektiver Niederschlag haben sich im deutschen Sprachraum eingebürgert, 13 2 2.1 · Begriffe und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts

In der ingenieurhydrologischen Praxis liegt, wird der Wellenablauf in dauerhafen spielen Abfussbeiwerte (und Ansätze, sie zu Gewässern weitgehend ausgeblendet. Praxis- bestimmen) eine wichtige Rolle, um das zu taugliche Verfahren zu seiner Beschreibung erwartende Abfussvolumen abzuschätzen. können beispielsweise den Veröfentlichungen Abfussbeiwerte sind hoch bei fachgründigen der Landesanstalt für Umweltschutz Baden- Standorten mit geringem Porenvolumen, bei Württemberg entnommen werden [5–7]. Böden mit hohen Tongehalten, bei hohem Die Abfussbildung (7 Kap. 4) hängt von Anteil überbauter und versiegelter Flächen im der Zwischenspeicherung des Niederschlags Einzugsgebiet und bei intensivem Ackerbau auf der Vegetation (Interzeption), der Wasser- mit hohem Reihenkulturanteil und wendender speicherung auf der Bodenoberfäche und der Bodenbearbeitung. Umgekehrt treten niedrige Infltration ab. Besonders bedeutsam ist die Abfussbeiwerte häufg bei geringem Ver- Infltration, die ihrerseits von Eigenschafen siegelungsgrad, hohem Waldanteil und auf der Oberfäche und des Bodens bestimmt tiefgründigen, durchlässigen Standorten auf. wird. Auf landwirtschaflichen Nutzfächen können Die Abfusskonzentration (vgl. 7 Kap. 5) konservierende Maßnahmen (z. B. Mulch- erfolgt, während der abfusswirksame bedeckung 30 % oder nicht-wendende Niederschlag über ober- und unterirdische ≥ Bodenbearbeitung) die Abfussbeiwerte deut- Fließpfade, die an der Wasserscheide lich reduzieren (vgl. 7 Abschn. 4.5.3). beginnen und bis in die Gewässer reichen, Wenn hier vom Niederschlag gesprochen lateral abfießt. Wesentliche Kenn- und wird, ist üblicherweise der Gebietsnieder- Einfussgrößen der Abfusskonzentration sind schlag gemeint, also die mittlere (abfuss- die Länge und Dichte der Fließpfade sowie wirksame) Niederschlagshöhe eines deren hydraulische Eigenschafen. Sie beein- Einzugsgebietes. Sie ist für den Hochwasser- fussen die Geschwindigkeit, mit der Wasser abfuss von grundlegender Bedeutung, da sie aus der Fläche abgeleitet wird, und damit auch multipliziert mit der Einzugsgebietsfäche die Scheitelhöhe einer Abfuss- oder Hoch-

(AEZG) das Abfussvolumen (Q) ergibt: wasserwelle. Grundsätzlich gilt: Je länger und hydraulisch rauer der Fließweg, desto lang- Q = Neff · AEZG (2.4) samer der Abfuss und desto geringer der Scheitel einer Abfusswelle. Die Anzahl land- 2.1.2 Wichtige Prozesse des schafsgliedernder Elemente und Strukturen Niederschlag-Abfuss-Vor und deren Beziehung zueinander hat daher gangs und ihre Terminologie einen hohen Einfuss auf den Wasser- und Stofaushalt eines Einzugsgebietes [8]. Der Abfussprozess gliedert sich in drei Häufg wird Abfuss anhand seiner wesentliche Vorgänge: i) die Bildung von Fließpfade in (Land-)Oberfächenabfuss Efektivniederschlag (Abfussbildung) auf der und Zwischenabfuss unterschieden. Ober- Fläche, ii) die Bündelung des Efektivnieder- fächenabfuss im engeren Sinn ist Wasser, das schlags in der Fläche (Abfusskonzentration) gar nicht in den Boden infltriert, z. B. weil und iii) den Fließprozess in Gerinnen und die Oberfäche versiegelt, verschlämmt oder Gewässern (Wellenablauf). Die Vorgänge der Bodenporenraum gesättigt ist. Häufg laufen gleichzeitig ab und können in zahl- infltriert Oberfächenabfuss auch entlang reiche Unterprozesse aufgegliedert werden. des Fließpfades und wird dann zu Zwischen- Da der Fokus des Handbuchs auf kleinen Ein- abfuss, häufg auch Interfow genannt, um zugsgebieten und damit vor allem auf den lateral (oberfächennah) im Boden, z. B. Bereichen oberhalb der Gewässer III. Ordnung entlang von Horizontgrenzen abzufießen. 14 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

Umgekehrt exfltriert Zwischenabfuss ent- summe oder -spende gesprochen. . Tab. 2.1 lang des Fließweges auch häufg z. B. am enthält eine Zusammenfassung dieser Hangfuß, weswegen sich beide Abfuss- Substantive, die die Dimension ausdrücken. 2 komponenten of schlecht trennen lassen. Wesentlich ist, dass beide Komponenten im Vergleich zum Grundwasserabfuss hohe 2.1.3 Einzugsgebiete und ihre Fließgeschwindigkeiten aufweisen. Dadurch Abgrenzung sind sie meist gemeinsam für den Abfuss bei starken Niederschlägen verantwortlich. Einzugsgebiete sind die zentrale Flächenein- Zusammen werden sie auch als Direktabfuss heit zur Beschreibung von Wasserfüssen. Sie bezeichnet, da sie zeitlich unmittelbar nach werden durch Wasserscheiden begrenzt und einem Niederschlagsereignis einem Gewässer umfassen das Gebiet, von dem ein konkreter zufießen. In diesem Handbuch erfolgt Bezugspunkt seinen Abfuss bezieht. Solche keine strenge Trennung zwischen beiden Bezugspunkte können der Hangfuß eines Komponenten. Oberfächenabfuss wird als Ackers, in den die darüber liegende Nutz- Synonym für alle Abfussarten verwendet, fäche entwässert, die Mündung eines Baches die mit nur kurzer Verzögerung nach einem in ein anderes Gewässer oder eine Ortschaf Regen an oder nahe der Oberfäche aufreten sein, durch die ein Bach fießt. Einzugs- und in ein Gewässer gelangen bzw. diesem gebiete lassen sich daher beliebig fein in Teil- zufießen. einzugsgebiete untergliedern, solange bis Zur quantitativen Beschreibung der vereine Wasserscheide erreicht ist (. Abb. 2.1, schiedenen Wasserhaushaltskomponenten hat links). Sie können, abhängig von der Lage sich eine bestimmte Terminologie etabliert. des Bezugspunktes, wenige Quadratmeter bis Dabei werden Wortverbindungen verwendet, viele tausend Quadratkilometer groß sein. die die jeweiligen Komponenten benennen Bei kleinräumiger Betrachtung von Wasser- und diese mit einem Substantiv verbinden, füssen in der Landschaf müssen neben den das die Dimension der Komponente oder natürlichen Wasserscheiden, die sich aus der deren Bezugsgröße beschreibt. Beispielsweise Topographie bzw. den geologischen Eigen- wird häufg von der Niederschlagshöhe oder schafen des Untergrunds ergeben, auch alle -intensität und von Abfuss bzw. Abfuss- die Landschaf zerschneidenden Elemente

. Tab. 2.1 Übliche Wortverbindungen zur Beschreibung von Wasserhaushaltsgrößen und deren Bedeutung

Wortverbindung Einheit Erklärung mit

…summe Menge, z. B. m3, l „…fuss“ summiert über eine bestimmte Zeitspanne; wird oft synonym zu „…volumen“ verwendet

1 …fuss Menge pro Zeit, z. B. l s− , Volumen je Zeiteinheit (Volumenstrom); Quotient aus 3 1 m s− „…summe“ und einer Zeit …höhe Längeneinheit, z. B. mm, cm Quotient aus „…summe“ und einer Bezugsfäche (oft 1 m2) …spende Menge pro Zeiteinheit Quotient aus „…fuss“ und der Fläche des betrachteten 1 2 und Fläche, z. B. l s− km− Gebiets …stärke, … Höhe pro Zeit, z. B. mm Quotient aus „…höhe“ und der betrachteten Zeit- 1 1 1 intensität, …rate min− , mm h− , cm d− spanne 15 2 2.1 · Begriffe und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts

. Abb. 2.1 Untergliederung des 46 km2 großen Schwimmbacheinzugsgebietes bei Marklkofen in Nieder- bayern (links) anhand der topographischen Wasserscheiden in unterschiedliche feine Teileinzugsgebiete (verschieden starke rote Linien). Die blauen Linien kennzeichnen das Gewässernetz. Die rechte Tafel zeigt einen Landschaftsausschnitt bei Kirchdorf an der Amper mit unterschiedlicher topographischer (rote Linien) Wasser- scheide und hydrogeologischem Einzugsgebiet (hellblaue Fläche) (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsver- waltung) der Infrastruktur wie Wege und Straßen, Rauheit den Wasserfuss leiten kann. Wenn Wälle oder Bahndämme berücksichtigt hier Unsicherheiten bestehen und die genaue werden. Sie können zusätzliche, künstliche Abgrenzung wichtig ist, muss eine Kartierung Wasserscheiden schafen sowie die natür- der Fließpfade erfolgen (vgl. 7 Anhang 8.8). liche Einzugsgebietsabgrenzung und das Auch der meist langandauernde Abfuss bei Fließpfadmuster ändern. der Schneeschmelze bietet eine gute Gelegen- Darüber hinaus wird zwischen dem heit, die Fließpfade zu beobachten. Allerdings oberirdischen bzw. topographischen Ein- können sich die Fließpfade und damit die zugsgebiet und dem unterirdischen bzw. Einzugsgebietsgrenzen auch während eines hydrogeologischen Einzugsgebiet unter- Abfussereignisses ändern, z. B. wenn ein schieden. Beide stimmen in ihrer Größe und zuvor abfussableitender Rain plötzlich bricht Lage nur selten überein (. Abb. 2.1, rechts). oder überfutet wird. Bei Starkregenereignissen ändert sich der Grundwasserabfuss meist nur langsam. Es kommt vor allem auf den Oberfächen- 2.1.4 Begriffe, Defnitionen, abfuss an, der durch das topographische Ein- Synonyme und ihre Ein zugsgebiet bestimmt wird. Dies erleichtert heiten und Formelzeichen die Festlegung des Einzugsgebietes stark, auch wenn es im Bereich der Mikrowasser- Das Handbuch bedient sich vieler Fach- scheiden, d. h. auf Feld- oder Hangskala, begrife. Zur einfacheren Handhabung wurden immer noch schwierig sein kann, weil bereits die wichtigsten in . Tab. 2.2 glossarartig die durch die Bodenbearbeitung verursachte zusammengefasst. 16 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2 (Fortsetzung) ). Je nach Einheitsfäche sind verschiedene Maßeinheiten gebräuchlich 2 Oberbegriff für die Wirkung von Maßnahmen, die den Abfuss entlang des Entwässerungsweges bremsen, Oberbegriff für die Wirkung von Maßnahmen, den Abfuss entlang des Entwässerungsweges bremsen, z. B. durch Bewuchs in Wegseitengräben, der die hydraulische Rauheit erhöht Beschreibung/Synonyme Volumetrischer, meist ereignisspezifscher Quotient aus Direktabfuss- und Niederschlagssumme Siehe Ganglinie Gesamtheit der Prozesse, die Abfuss bündeln und über laterale Fließpfade auf unter Landober - fäche aus der Fläche in die Gewässer ableiten Siehe Ganglinie Überbegriff für Maßnahmen, die zu einer Minderung des Abfusses eingesetzt werden können; Abfuss - minderung kann sowohl über den Rückhalt von Abfussvolumen als auch durch Verzögerung des Abfusses erreicht werden oder bei gekürzten Einheiten 1 m Wasservolumen eines Einzugsgebietes, das pro Zeiteinheit einen defnierten Querschnitt passiert Wasservolumen eines Einzugsgebietes, das pro Zeiteinheit einen defnierten Querschnitt passiert (Volumenstrom); Abfuss ist kaum direkt messbar und wird in der Regel indirekt über das Produkt aus Fließgeschwindigkeit und Querschnittsfäche ermittelt Höchster Abfuss einer Abfusswelle Die Abfussspende ergibt sich, wenn die Abfussrate durch Fläche des dazugehörigen Einzugsgebietes geteilt wird. Die Abfussspende quantifziert den mittleren Abfussbeitrag einer Einheitsfäche (meist 1 km Wasservolumen eines Einzugsgebietes summiert über einen defnierten Zeitraum Anteil des Niederschlags, der nicht im Einzugsgebiet zurückgehalten wird und abfießt; Synonym zu Effektivniederschlag Niederschlagsmenge, bis der erste (Oberfächen-)Abfuss einsetzt , 2 − 1 − 1 1 − − , , km 1 1 1 s s − − 3 3 3 − – m Einheit – – – – – l s mm h m m l s l s mm mm eff v P S – Q Formel- zeichen Ψ – – – – q q q N A

Beschreibung verwendeter Fachbegriffe, Formelzeichen und übliche Einheiten 2.2 Tab.

Abfussverzögerung Abfussvolumen . Begrif Abfussbeiwert Abfussganglinie Abfusskonzentration Abfusskurve Abfussminderung Abfussrate Abfussscheitel Abfussspende Abfusswirksamer Niederschlag Anfangsverlust 17 2 2.1 · Begriffe und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts (Fortsetzung) 2 − 9,81 m s

= Beschreibung/Synonyme Siehe Grünstreifen B. für den Ausbau eines Gewässers, Im Ingenieurwesen etablierter Begriff für das Festlegen von Größen, z. B. den Ausbau eines Gewässers, für den Durchmesser eines Rohrs, die Dimensionierung Rückhaltebeckens usw. Oft kleine, unscheinbare Maßnahme zur Abfussminderung, die an vielzähligen Stellen im Einzugsgebiet und entlang des kompletten Entwässerungsweges umgesetzt werden kann; siehe auch Abfussminderung Summe aus Oberfächenabfuss und schnellem Zwischenabfuss; siehe Durch ein Auslassorgan z. B. eine Lochblende oder einen Schieber an einem technischen Bauwerk begrenzte Abgabe. Analog zum Abfuss, wenn die genaue Zuordnung des Einzugsgebietes unklar ist Durchfusskoeffzient durch ein Drosselorgan, abhängig von der Geometrie Drosselöffnung Siehe Abfussvolumen Wahrscheinlichkeit, mit der ein Ereignis defnierter Größe erreicht oder überschritten wird. Die Eintritts - wahrscheinlichkeit wird i. d. R. durch das mittlere Wiederkehrintervall quantifziert und mit „einmal pro n Jahre“ oder als „n-jährliches“ Ereignis angegeben; siehe auch Wiederholungszeitspanne Siehe abfusswirksamer Niederschlag Standardisierte, dimensionslose Form der Abfusswelle, die durch einen Niederschlagsimpuls erzeugt wird; durch Dimensionierung, die Einzugsgebiets- und Niederschlagseigenschaften berücksichtigt, kann zu erwartende, reale Abfussganglinie erzeugt werden Durch (oberirdische und unterirdische) Wasserscheiden begrenzte Fläche, aus der ein Gewässer- oder Ent - wässerungssystem seinen Abfuss bezieht Größe des oberirdischen Einzugsgebietes Naturkonstante g 2 , 1 1 1 2 − − − − 1 s s s − 3 3 3 3 Einheit – – – l s m m m – m % mm – – ha, km m s eff EZG o D o E Formel- zeichen – – – q q q C Q P N EGL EZG A g (Fortsetzung)

2.2 Tab. . Begrif Filterstreifen Bemessung Dezentrale Dezentrale Hochwasserschutz -maßnahme Direktabfuss Drosselabfuss Durchfuss Durchfusskoeffzient Durchfussvolumen Eintrittswahrscheinlich - keit Effektivniederschlag Einheitsganglinie Einzugsgebiet Einzugsgebietsgröße Erdbeschleunigung 18 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2 (Fortsetzung) ] Abschnitt eines Entwässerungsweges, über den Oberfächenabfuss bei Starkregen von der Wasser - scheide bis in ein Gewässer gelangt; Fließpfade können vielfältige Gestalt einnehmen und entsprechend des Abfusstyps z. B. in Schichtabfusspfade, Rinnen und Rillen, Hangmulden, Gräben oder Gewässerteil - strecken unterschieden werden Siehe Routing Siehe Flussüberschwemmung Ereignis, bei dem vom Gewässer ausgehend das angrenzende Gebiet (Aue) durch große Abfüsse (hohes Flusswasser) überschwemmt wird Zeitlich sortierte, meist graphisch dargestellte Werte einer Variablen wie Niederschlag oder Abfuss (z. B. Hochwasserwelle) Über eine defnierte Fläche (meist ein Einzugsgebiet) gemittelte Niederschlagshöhe (im Gegensatz zum punktuellen Niederschlag an einem Regenmesser) eines festgelegten, oft variablen Zeitraums (z. B. ein Ereignis) Geographisches Informationssystem Meist Grasstreifen von geringer Breite (wenige Meter), die quer durchfossen werden und dazu dienen, Sedimentkonzentration im Oberfächenabfuss unmittelbar vor einem schutzwürdigen Objekt zu senken; die Begriffe Gras-, Filter- oder Pufferstreifen werden hier synonym verwendet, obwohl sie in der Literatur teilweise unterschiedlich defniert werden Überbegriff, der für Überschwemmungen aller Art und damit sowohl Flussüberschwemmungen als auch für Sturzfuten verwendet wird; oberer Teil einer Abfussganglinie im Gegensatz zum mittleren (Mittelwasser) und zum unteren Teil (Niedrigwasser) oder Basisabfuss Beschreibung/Synonyme (Durchschnittliche) Fließ- oder Strömungsgeschwindigkeit, mit der sich Abfuss entlang eines Fließpfades (Durchschnittliche) Fließ- oder Strömungsgeschwindigkeit, mit der sich Abfuss entlang eines Fließpfades oder Gewässerabschnitts fortbewegt Zusammenfassung von Fließgewässern mit vergleichbaren naturräumlichen und morphologischen Merkmalen (Geologie, Klima, Vegetation) zu Gewässerlandschaften [vgl. 9 1 − – – – – – mm – – – Einheit m s – – – – – – N – – – Formel- zeichen v – (Fortsetzung) 2.2 Tab. Fließpfad Flood-Routing Flusshochwasser Flussüberschwemmung Ganglinie Gebietsniederschlag GIS Grünstreifen Hochwasser . Begrif Fließgeschwindigkeit Fließgewässerlandschaft 19 2 2.1 · Begriffe und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts (Fortsetzung) 1 − eine Höhe in mm 2 − oder mm min 1 − B. ) für einen defnierten, aber meist variablen Zeitraum (z. B. 2 , mm h 1 − Beschreibung/Synonyme Klassifkationsschema für Böden zur Abschätzung ihrer Abfussreaktion bei Regenereignissen. Die Ein - teilung der Böden erfolgt nach ihrer Korngrößenzusammensetzung und Gründigkeit in vier Klassen (A bis D), wobei Böden der Gruppe A bei Regen am wenigsten und D meisten Abfuss erwarten lassen Siehe Wiederholungszeitspanne Zeit, die Oberfächenabfuss benötigt, um von der Wasserscheide bis zu einem defnierten Bezugspunkt, z. B. einem Hangfuß, Grabenabschnitt oder einer Ortschaft zu fießen Landnutzung wird synonym zu Flächennutzung verwendet und beschreibt die Art der Inanspruchnahme von Böden und Landfächen durch den Menschen; häufg verwendete Landnutzungsklassen sind Grün - land, Wald, Acker, Wasser, Siedlungs- und Infrastrukturfächen Eine Zwischenfrucht steht über den Winter auf dem Feld (meist abgestorben) und die folgende Reihen - kultur wird mit einer leichten Bodenbearbeitung (je nach Reihenkultur meist Ende März bis April) gesät. Da das Pfügen Ende Oktober/Anfang November entfällt, verkürzt Mulchsaat die Periode, in der Boden unbedeckt bleibt. Eine durchgehende Bodenruhe wird aber nicht erreicht. Hierfür ist eine Mulch - direktsaat erforderlich. Eine hydrologisch wirksame Mulchschicht sollte die Oberfäche wenigstens zu 30 % bedecken Einsaat der Hauptfrucht in eine über den Winter abgestorbene Zwischenfrucht oder Untersaat ohne eine vorherige Bodenbearbeitung; wenn die Pfanzenreste von der Vorfrucht stammen, entfällt auch Bearbeitung unmittelbar nach der Vorfrucht. Dann spricht man von Minimalbodenbearbeitung oder no- till-Verfahren. Die Mulchschicht einer Mulchdirektsaat bedeckt die Oberfäche üblicherweise immer > 30 % Niederschlag wird hier synonym für Regen verwendet (umfasst aber eigentlich alle Arten von füssigem oder eisförmigem Wasser, das sich auf dem Boden der Vegetation absetzt) Siehe Ganglinie Niederschlagsmenge in l pro Einheitsfäche (I m Niederschlagshöhe pro Zeit, meist mm d ein Ereignis); durch Kürzen der Einheiten ergibt sich aus l m 1 − 1 − mm h Einheit – 1 a min – – – – – mm n C Formel- zeichen HBG T t – – – – – N (Fortsetzung) 2.2 Tab. Niederschlagsintensität . Begrif Hydrologische Boden - gruppe Jährlichkeit Konzentrationszeit Landnutzung Mulchsaat Mulchdirektsaat Niederschlag Niederschlagsganglinie Niederschlagshöhe 20 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2 (Fortsetzung) h. Diese Kategorien erlauben bzw. 20–35, 35–60 und >60 mm in 6 h. Diese Kategorien erlauben 1 − >40 mm h Beschreibung/Synonyme Überbegriff für Wasser, das zeitweise auf der Landoberfäche oder außerhalb dauerhaft wasserführender Überbegriff für Wasser, das zeitweise auf der Landoberfäche oder außerhalb dauerhaft wasserführender Gewässer z. B. als Schichtabfuss oder Abfuss in Rinnen, Rillen, Mulden Gräben auftritt. Ober - fächenabfuss ergibt sich beispielsweise aus der Schneeschmelze oder dem Anteil des Niederschlags, mit nur kurzer zeitlicher Verzögerung nach einem Regen abfießt. Oberfächenabfuss wird hier synonym zu Effektivniederschlag und Direktabfuss verwendet enthält üblicherweise auch (exfltrierenden) Zwischenabfuss Außerhalb bebauter oder befestigter Flächen bezeichnet das Wasserhaushaltsgesetz Oberfächenabfuss aktuell als wild abfießendes Wasser (§ 3 und 37 WHG). Innerhalb bebauter oder befestigter Flächen wird Oberfächenabfuss rechtlich als Niederschlagswasser bzw. Abwasser betrachtet (vgl. § 54 WHG). In diesem Handbuch wird einheitlich der Begriff Oberfächenabfuss verwendet Siehe Routing Siehe Grünstreifen Siehe Rauheit Rauheit beeinfusst den Abfusswiderstand und wird hier synonym für Beiwert der Gauckler-Manning- Strickler-Gleichung verwendet; dieser entspricht dem in der englischsprachigen Literatur verwendeten Kehrwert des Manning-Beiwerts n Überbegriff für Verfahren, die Verlagerung (Translation) und/oder den Rückhalt (Retention) von Abfuss entlang der Fließstrecke berechnen (beispielsweise Auseinander- und Zusammenfießen von Ober - fächenabfuss auf der Landoberfäche oder Ablauf einer Hochwasserwelle in einem Gewässer und angrenzenden Aue) Regen mit großer Niederschlagsmenge pro Zeiteinheit; der Deutsche Wetterdienst unterscheidet bei - spielsweise Starkregen, heftigen Starkregen und extrem durch Niederschlagsmengen von 15–25, 25–40 und allerdings keine Rückschlüsse auf die regionale Häufgkeit eines solchen Regens, weshalb zahlreiche allerdings keine Rückschlüsse auf die regionale Häufgkeit eines solchen Regens, weshalb zahlreiche weitere (oft länderspezifsche) Defnitionen für Starkregen existieren Plötzlich und meist mit großer Wucht auftretender Abfuss, der sich zu Sturzbächen sammelt, die „von oben, aus der Fläche kommend“ in Richtung tiefer gelegener Bereiche und Gewässer strömen; Folge von meist kurzen, besonders heftigen und lokal begrenzten 1 1 − − 1 − s s s 3 1/3 1/3 Einheit m – – m m – – – D Formel- zeichen q – – k k – – – (Fortsetzung) 2.2 Tab. . Begrif Oberfächenabfuss Oberfächenrouting Pufferstreifen Rauigkeit Rauheit Routing Starkregen Sturzfut 21 2 2.1 · Begriffe und Defnitionen des Landschaftswasserhaushalts Beschreibung/Synonyme Durch Wasserscheiden abgegrenztes Teilgebiet eines größeren Einzugsgebietes (Meist temporäre) Einsaat niedrigwüchsiger Pfanzenarten unter eine Hauptfrucht, die mit dieser nicht in Konkurrenz stehen. Untersaaten können zum Schutz des Bodens bei weitem Reihenabstand dienen und nach der Ernte Hauptfrucht umgebrochen werden (z. B. Wintergetreideuntersaat Saat von Mais), sie können aber auch zu Etablierung der Folgekultur ohne zeitliche Lücke dienen und beginnen dann nach der Ernte Hauptfrucht stark zu wachsen (z. B. Untersaat von Klee bei Getreide; besonders im organischen Landbau häufg praktiziert) Summe des Niederschlags, der nicht unmittelbar (als Direktabfuss) abfießt; Differenz aus Gesamtnieder - schlag und Effektivniederschlag; Wasserrückhalt kann durch Maßnahmen des dezentralen Hochwasser - schutzes gefördert werden Höhe der Wassersäule über Drosselblende eines Rückhaltebeckens Siehe Abfussscheitel Durchschnittliche Zeitspanne in Jahren, dem ein Starkniederschlag oder Hochwasserereignis, dessen Jährlichkeit der Wiederkehrzeit entspricht, statistisch genau einmal auftritt; siehe auch Eintrittswahrschein - lichkeit Siehe Oberfächenabfuss Siehe Wiederholungszeitspanne Nach der Ernte einer Hauptfrucht zur Bodenbegrünung angebaute, schnell keimende Kultur, die normaler - weise nicht genutzt wird und die nur Lücke zwischen den Kulturen bis zum Anbau der nächsten Haupt - frucht verkleinern soll 1 − Einheit – – mm m l s a – – – P o n Formel- zeichen TEZG – – h q T – – – (Fortsetzung) 2.2 Tab. . Begrif Teileinzugsgebiet Untersaat Wasserrückhalt Wassersäulenhöhe Wellenscheitel Wiederholungszeit - spanne Wild abfießendes Wasser Wiederkehrintervall Zwischenfrucht 22 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2.2 Starkregen – Auslöser typen wichtig, weil der Niederschlagstyp für unterschiedliche bestimmt, wie Abfuss entsteht und ob eine Hochwasserarten Sturzfut oder eine (Fluss-) Überschwemmung 2 folgt. Ebenso unterscheiden sich auch die Hochwasser heißt zunächst nur, dass die Maßnahmen zur Abfussminderung. Wasserführung in einem Gewässer – vom zeit- Ein gemeinsames Merkmal großer Nieder- weise wasserführenden Graben bis zum Strom – schlagsereignisse ist, dass sie selten, aber natür- gegenüber dem mittleren Abfuss, der auch null lich sind. In der wissenschaflichen Literatur sein kann, erhöht ist. Hier werden speziell die herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass Hochwässer behandelt, die so groß sind, dass im Zuge des Klimawandels von einer weiteren sie zu Überfutungen führen, weil die Kapazität Zunahme und Verschärfung extremer Wetter- der Hauptabfussrinne überschritten wird. Auch lagen auszugehen ist [10–13]. Bis 2050 ist mit dann ist Hochwasser nicht gleich Hochwasser. etwa einer Verdopplung extremer Nieder- Sturzfuten und Flusshochwasser laufen unter- schläge gegenüber 2015 zu rechnen. Stark- schiedlich ab und lassen sich dadurch auch auf regen und in Folge Überfutungen sind verschiedene Art und Weise beeinfussen. Um daher nirgendwo vermeidbar. Es gilt: Nach das Ausmaß einer Überfutung zu mindern, ist der (Sturz-)Flut ist vor der (Sturz-)Flut oder es daher wichtig zu wissen, wie ein Ereignis aus- anders gesagt, das Aufreten einer Über- gelöst wird, wie Abfuss entsteht und wie er sich schwemmung ist immer nur eine Frage der sammelt, überlagert und abfießt. Zeit. Dies gilt grundsätzlich auch dann, wenn Auslöser einer Überfutung ist immer Schutzmaßnahmen (Dämme, Retentions- eine große Niederschlagsmenge. Dabei muss becken) ergrifen wurden. Schutzmaßnahmen im Wesentlichen zwischen wolkenbruch- vergrößern nur das Wiederkehrinter- artigen Schauern hoher Intensität und lang- vall von Überschwemmungen, können anhaltenden, großfächigen Niederschlägen, sie aber nicht vollständig verhindern [14]. sogenannten Landregen (bzw. einer Schnee- Schutzmaßnahmen können daher auch grund- schmelze), relativ geringer Intensität unter- sätzlich nicht versagen, sondern nur die in sie schieden werden (. Tab. 2.3). Auch wenn gestellten Erwartungen können falsch sein. dies keine eindeutige Trennung ist, sondern Ein wesentlicher Unterschied zwischen Übergänge ebenso aufreten können, ist die Starkregen, die Sturzfuten bzw. Flussüber- Unterscheidung der beiden Niederschlags- schwemmungen verursachen, ist deren räum-

. Tab. 2.3 Übersicht über Niederschlagshöhe, Ereignisdauer und mittlere Ereignisintensität von Sturz- futen (S) und Bach- bzw. Flussüberschwemmungen (F) in Bayern [15–18]

Hoch- Datum Ort/Gebietsgröße Niederschlagshöhe Ereignisdauer Mittlere wasser (mm) (h) Intensität 1 typ (mm h− ) F Mai 1999 Südbayern 40–280 72 0.5–4.2 F August 2005 Südbayern 60–216 84 0.8–2.6 F August 2002 Südostbayern 140 72 2 S/F 01.06.2016 Simbach/Inn 167 40 4.2–22 S 25./26.06.2016 Bayerischer 65 3 22 Wald

S 29./30.05.2016 Obernzenn 91 1 91 23 2 2.2 · Starkregen – Auslöser für unterschiedliche Hochwasserarten liche Ausdehnung. Flussüberschwemmungen Abfüsse führen. Auch das Aufreten von sind die Folge großer Tiefdruckkomplexe oder Oberfächenabfuss ist möglich. Kritische langsam vordringender Fronten, die große Abfüsse und größere Überschwemmungen Einzugsgebiete (wenige bis viele tausend durch Ausuferungen von Gewässern treten km2) überregnen und meist an das Auf- aber in der Regel im überwiegenden Teil treten typischer Großwetterlagen gekoppelt eines Einzugsgebietes nicht auf. Erst in tief sind (z. B. Vb oder Tief Mitteleuropa) [19– gelegenen Bereichen des Einzugsgebietes 21]. Daher treten solche Regen selten über- werden die Kapazitäten der bestehenden raschend auf. Typische Vorwarnzeiten liegen Abfussbahnen überschritten Bach- oder, in der Größenordnung von vielen Stunden denn Flussüberschwemmung entstehen bis hin zu wenigen Tagen. Neben ihrer durch die Bündelung und Überlagerung von großen Ausdehnung verfügen sie auch über Abfuss aus dem gesamten Einzugsgebiet. Die ein typisches räumliches Muster, da Nieder- Aue wird vom Gewässer ausgehend über- schlagsschwerpunkte üblicherweise an die schwemmt (. Abb. 2.3). Sind Auen vom Orographie gekoppelt sind. Demgegen- Gewässer entkoppelt, besteht die Gefahr, über entstehen Wolkenbrüche, die Sturz- dass Dämme oder Deiche brechen. Das gilt futen auslösen, durch die rasche Hebung vor allem für große Flusssysteme, wo sich feucht-warmer Lufmassen (Konvektion). der Wellenablauf über viele Tage erstrecken Einzelne Gewitterzellen sind immer klein, kann, da das Risiko einer Durchweichung des mit einem Radius von typischerweise unter Dammkörpers mit der Dauer des Einstaus 5 km [22–24]. Erst durch ihre Zugbahn und steigt. die Überlagerung mehrerer Zellen zu Multi- Sturzfuten (Englisch: fash foods blitz- = oder Superzellen können größere Gebiete artige Überfutung) entstehen dagegen durch betrofen sein. Durch die geringe Ausdehnung einen hefigen und wegen der hohen Intensi- setzt der Niederschlag of unerwartet und tät of auch als bedrohlich empfundenen plötzlich ein. Typische Vorwarnzeiten vor Starkregen. Wesentlich ist, dass die Intensi- Wolkenbrüchen liegen in der Größenordnung tät solcher Regen zeitweise größer als die von mehreren Minuten bis hin zu wenigen Infltrationsrate des Bodens ist. Dadurch Stunden. Ein weiteres Kennzeichen von bildet sich im Bereich der Starkregenzelle wolkenbruchartigen Starkregen ist, dass sie schnell und fächig Oberfächenabfuss. Das kein typisches räumliches Muster aufweisen. gilt insbesondere bei hohem Versiegelungs- Solche Starkregen und in Folge Sturzfuten grad oder wenn die Bodenoberfäche nicht können also nicht nur plötzlich, sondern auch oder nur spärlich bedeckt ist, wie im Mai und überall und unabhängig von der Topographie Juni, wenn die Pfanzendecke nach einer Früh- aufreten. Das wird anhand der Extremwert- jahrssaat noch wenig ausgebildet ist. Dann auswertung radarbasierter Niederschlags- verschlämmt die Bodenoberfäche und wird messungen aus dem Zeitraum von 2001 bis nahezu wasserundurchlässig (. Abb. 2.4). 2018 in . Abb. 2.2 deutlich [25, 26]. Die Entsteht Oberfächenabfuss, folgt er noch in räumliche Vorhersagegenauigkeit beschränkt der Fläche dem größten Gefälle und fießt auf sich daher bisher auf die Angabe einer Region dem Landweg über Rinnen und Rillen, Hang- oder die Ebene von Landkreisen. mulden und Gräben bis in Vorfuter, Bäche Starke, lang andauernde Landregen und größere Gewässer. Bei entsprechend werden meist als ausgesprochen nasse, aber hoher Niederschlagsrate und insbesondere nur selten als bedrohliche Ereignisse wahr- bei steilem Relief „stürzt“ das Wasser dabei genommen. Sie können dazu führen, dass regelrecht aus der Fläche. Der Abfuss in Gräben und kleine Gewässer deutlich erhöhte Tiefenlinien, Sammelgerinnen und Vor- 24 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

. Abb. 2.2 Niederschlagsmenge 20-jährlicher, einstündiger Niederschläge in Deutschland basierend auf Daten der Radarklimatologie. (Quelle: Deutscher Wetterdienst, 2019)

futern kann binnen kurzer Zeit stark ansteigen lichen Ausdehnung nicht durch den Ein- (. Abb. 2.3, linke untere Tafel). Im Gegen- stau gewässernaher Bereiche, sondern vor satz zu Fluss- oder Bachüberschwemmungen allem aus der Zerstörung von Infrastruktur erwächst das große Schadenspotenzial bei und Siedlungsbereichen, die sich in oder ent- diesen Ereignissen wegen ihrer kleinen räum- lang von Abfusspfaden befnden. Ein erheb- 25 2 2.3 · Ansätze und Wirkung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen

. Abb. 2.3 Schematische Gegenüberstellung der unterschiedlichen Gefährdungslagen durch Überfutungen infolge von Starkregen (a) und durch Ausuferung von Gewässern (b) [obere Grafk: 27]

enorme Schleppkraf. Bereits ab wenigen Dezi- metern Wasserstand vermag der Abfuss nicht nur beachtliche Schlammfrachten, sondern auch schweres Geröll, Bäume, Strohballen und (ab etwa 50 cm) auch schwere und voluminöse Gegenstände wie größere Geländewagen mitzureißen. Engstellen wie Brücken, Stege, Zäune, Verrohrungen oder Rechen können sich dann zu besonderen Gefahrenpunkten . Abb. 2.4 Zunehmende Verschlämmung einer entwickeln, wenn dort Verklausungen auf- ungeschützten Bodenoberfäche nach 1 mm, 30 mm, 40 mm und 70 mm Niederschlag (von links nach treten und der Fließquerschnitt durch anges rechts). (Foto: K. Auerswald) chwemmtes Treibgut verengt wird. Sturzfuten verursachen daher häufg katastrophale Schäden. Ihre Kraf und ihr, im Vergleich zu liches Risiko geht dabei vor allem von der Flussüberschwemmungen blitzartiges Auf- hohen Fließgeschwindigkeit des Wassers aus. treten, birgt of nicht nur große Gefahren Letztere verleiht dem Abfuss zum einen Über- für Hab und Gut, sondern auch für Leib und raschungspotenzial und zum andern eine Leben. 26 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

2.3 Ansätze und Wirkung natürlicher Retentionsfächen) zur Abfuss- dezentraler Hochwasser minderung bei, ebenso wie, die Erhöhung schutzmaßnahmen der hochwasserschützenden Wirkung von 2 Wäldern (z. B. durch standortsgerechte, stufg Dezentrale Maßnahmen zum Hoch- aufgebaute und gut strukturierte Mischwälder, wasserschutz sind of kleine, unscheinbare kleinfächige Verjüngungsmaßnahmen, die Maßnahmen, die an einer Vielzahl von Stellen Förderung und Sicherung von Auwäldern) im Einzugsgebiet, of abseits von Gewässern in sowie als wichtigste Maßnahme die der Fläche oder entlang der kompletten Ent- Beschränkung des Wegebaus und der Ver- wässerungswege umgesetzt werden können. zicht auf Wege und Gräben, die tiefe Hang- Ihre wesentliche Stärke liegt darin, Abfuss einschnitte erfordern. Für den dezentralen am oder nahe des Ortes der Abfussent- Hochwasserschutz ergeben sich daher nicht stehung zurückzuhalten oder zu bremsen. nur zahlreiche Ansatzpunkte, die an sehr Sie schützen bei lokalen Ereignissen ganz- unterschiedlichen Stellen im Einzugsgebiet heitlich und vermindern, bei konsequenter und entlang der Entwässerungswege umgesetzt Umsetzung, hohe Abfüsse und die Ver- werden können, sie betrefen auch zahlreiche lagerung von Nährstofen, Pfanzenschutz- unterschiedliche Akteure (. Abb. 2.5). mitteln und Bodenmaterial. Größere, zentrale Die bei Weitem wichtigste Maßnahme Hochwasserschutzmaßnahmen sind in dieser des dezentralen Hochwasserschutzes ist es Hinsicht wirkungslos, da sie üblicherweise erst aber, auf Maßnahmen zu verzichten, die den in den Mittel- und Unterläufen von Gewässer Abfuss erhöhen und beschleunigen. Dazu vorhanden sind und sich ihre Wirkung zählen vor allem; zwangsläufg auf den Bereich unterhalb der 5 Versiegelungen (Überbauung, Maßnahme beschränkt. Pfasterung), Dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen 5 Verrohrungen und Gräben wie Wegseiten- sind Gegenstand vieler Publikationen [z. B. gräben oder Drainagegräben, 28–34] und umfassen ein weites Spektrum. 5 Hangeinschnitte, besonders im steilen Zu ihnen gehören die Förderung der Ver- Gelände (Waldbau), sickerung auf landwirtschaflichen Flächen 5 Verlust an landschaflicher Vielfalt (z. B. durch hohe und kontinuierliche Boden- (Flächengliederung, Strukturelemente, bedeckung, nicht-wendende Bodenbe- Landnutzungen). arbeitung oder die Umwandlung von Acker in Grünland), der Rückhalt von Abfuss in Im Grunde sollte jede dieser abfuss- kleinen Speichern und Rückhalteräumen (z. B. fördernden Maßnahmen, wenn sie nicht Muldenspeicher und Kleinstrückhaltebecken) vermieden werden kann, durch zusätzliche sowie zahlreiche strukturelle Maßnahmen abfussmindernde Maßnahmen aus der oben (z. B. kleinteilige und höhenlinienparallele genannten Liste ausgeglichen werden. Diese Flurgliederung, wasserlenkende Strukturen, Zusammenhänge und die Vielzahl potenzieller abfussbremsende Entwässerungswege wie Ansatzpunkte verdeutlichen, dass dezentrale begrünte Abfussmulden und verkrautete, fach Maßnahmen zur Abfussminderung nicht gemuldete Wegseitengräben, Vermeidung von einer einzigen Akteursgruppe zugeordnet Verrohrungen, Versickerungen, z. B. zur Ent- werden können, sondern dass vorbeugender wässerung von Wegen). Darüber hinaus tragen Schutz vor Hochwasser als gesamtgesellschaf- auch Maßnahmen der Gewässerentwicklung liche Aufgabe verstanden werden muss. Dies (Verbreiterung des Abfussquerschnitts, Lauf- ergibt sich zwangsläufg daraus, dass beispiels- verlängerung, Förderung von Ausuferungs- weise die Landwirtschaf nicht Aufgaben aus möglichkeiten und Wiederherstellung dem Zuständigkeitsbereich der Kommunen 27 2 2.3 · Ansätze und Wirkung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen

. Abb. 2.5 Übersicht typischer Ansätze zum Wasserrückhalt und zum Bremsen des Abfusses in der Flur (weiße Beschriftung) und Akteure (schwarze Beschriftung), deren Beitrag für eine Umsetzung der Maßnahmen unerläss- lich ist (Bildquellen von A: W. Bauer (Agroluftbild), B: 7 www.boden-staendig.eu, C: [35], D: Illertaler (Wikipedia), E: K. Schneider (USDA Natural Resources Conservation Service), F: [36]) und die Wasserwirtschaf nicht die Aufgaben und dass ebenfalls lange Wassermangel- der Ländlichen Entwicklung übernehmen perioden dazwischen aufreten. Dezentrale kann oder umgekehrt. Hochwasserschutzmaßnahmen sind auch Dezentrale Maßnahmen unterscheiden unter dem Aspekt des Wassermangels die sich wesentlich von den klassischen (zentralen) richtige Antwort, weil sie die negativen Hochwasserschutzmaßnahmen, die vor Wirkungen der Trockenphasen mindern allem punktuell auf eine rasche Ableitung können. Das rasche Ableiten von Überschuss- oder eine Eindämmung des Gewässers (z. B. wasser verstärkt die Trockenheit dagegen noch durch Deiche) abzielen. Rasche Ableitung weiter. und Eindämmung verbessern zwar die Zur Wirkung dezentraler Hochwasser Abfusssituation am beabsichtigten Punkt, schutzmaßnahmen liegen inzwischen auf dem weiteren Fließweg steigt dadurch viele Erfahrungen vor (siehe . Tab. 8.1 im jedoch grundsätzlich die Hochwassergefahr. Anhang). Sie bestätigen, dass dezentrale Zudem kann keine dieser Maßnahmen, Maßnahmen einen deutlichen und positiven nicht einmal Rückhaltespeicher, die auf- Efekt zur Hochwasser- und Sturzfutvorsorge grund der hohen Kosten zudem selten gebaut in kleinen Einzugsgebieten (<50 km2) leisten werden, einen Beitrag zum Wasser- und können. Insbesondere in Gebieten < 10 km2 Stofrückhalt in dem oberhalb der Anlage kann of ein Schutz vor 20- bis 30-jähr- liegenden Einzugsgebiet leisten. Dezentrale lichen Abfussereignissen erreicht werden. Hochwasserschutzmaßnahmen gehen den In einzelnen Fällen vermochten dezentrale entgegengesetzten Weg und versuchen, das Maßnahmen sogar, den Scheitel eines HQ100- Abfießen von Überschusswasser zu verzögern Ereignisses um bis zu 50 % zu reduzieren. All- und im Verbund eine große Fläche unter- gemein gilt, dass dezentrale Maßnahmen eher halb zu schützen. Durch den Klimawandel klein sind und ihre Wirkung auf die Abfüsse ist zu erwarten, dass Starkregen zunehmen direkt unterhalb der Maßnahme beschränkt 28 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

ist. Fließt im weiteren Verlauf weiteres Wasser Anlage von Terrassen, die gleichermaßen auf zu, können sie auf das zusätzliche Wasser Volumenrückhalt und Abfussverzögerung keine große Wirkung mehr haben, auch wenn wirken. Solche Versuche sind aber wesentlich 2 die ursprüngliche Wirkung trotzdem erhalten schwieriger umzusetzen als beispielsweise ein bleibt. Dies bedeutet, dass viele Maßnahmen Beregnungs- oder Bodenbearbeitungsversuch. im kompletten Einzugsgebiet umgesetzt und Daher mangelt es gerade bei den vermutlich kombiniert werden müssen. Durch die Ver- efektivsten Maßnahmen in unseren Breiten bundwirkung werden dann aber selbst die gravierend an Erfahrung. Abfüsse größerer Einzugsgebiete beeinfusst. Obwohl bis heute in Deutschland in Die in . Tab. 8.1 aufgeführten Studien keinem größeren Gebiet (50–100 km2) und Projekte zielen überwiegend auf den fächendeckend dezentrale Hochwasser dezentralen Rückhalt von Abfussvolumen. schutzmaßnahmen konsequent umgesetzt Entsprechend werden Rückhaltebecken als wurden, wird häufg angenommen, dass efektivste Maßnahme zur Abfussminderung ihre Wirkung zur Abfussminderung mit beschrieben [28]. Untersuchungen zur zunehmender Gebietsgröße abnimmt [28]. Wirkung abfussverzögernder Maßnahmen Diese Annahme entbehrt einer fachlichen erfolgten in der Praxis dagegen bisher nur Grundlage, da Feldstudien, bei denen in exemplarisch für wenige Einzelmaßnahmen, größeren Gebieten konsequent Maßnahmen z. B. begrünte Abfussmulden [37]. Das liegt zur Abfussminderung in der Fläche umgesetzt daran, dass solche Versuche aufwendig sind, wurden, fehlen und die Efekte vieler insbesondere, wenn viele dieser Maßnahmen Maßnahmen in Simulationsstudien nicht auf Landschafsebene umgesetzt werden explizit berücksichtigt werden [8]. Tatsäch- sollen, wodurch Messdaten per se rar sind. lich zeigen Erfahrungen aus China das Gegen- Hinzu kommt, dass auch die Abbildung des teil. Dort werden dezentrale Maßnahmen Oberfächenabfusses bei Starkregen in der zum Wasser- und Stofrückhalt seit den Fläche mit hydrodynamischen Modellen in 1950er-Jahren auf politische Anordnung hin der Vergangenheit nur sehr selten unter- großfächig im Lössplateau umgesetzt [39]. In sucht wurde und hydrologische Modelle das der bisher besten und umfassendsten Studie Fließen entlang der Oberfäche (Oberfächen- dazu belegen Messwerte, dass die Sediment- routing) nicht adäquat abbilden können. fracht im zweitgrößten Fluss Chinas, dem Infolge können sowohl viele Einzelansätze Gelben Fluss (Huang He), gegenüber früher als auch deren Verbundwirkung auf Land- durch dezentrale Maßnahmen stark reduziert schafsebene bislang häufg nicht angemessen werden konnte. Dazu wurden großfächig beurteilt werden. Aus diesen Gründen wird Terrassen angelegt und viele kleine (durch- ihre Bedeutung vermutlich stark unter- strömbare) Querbauwerke (engl. „check schätzt. Zu diesem Ergebnis kommt auch dams“) entlang von Entwässerungswegen eine Metastudie, die die Efektivität von und kleinen seitlichen Bächen und Zufüssen Maßnahmen zum Wasser- und Stofrückhalt geschafen. Dadurch hat die Sediment- von 101 Studien aus Europa verglichen hat mobilisation deutlich (um 30 %) abgenommen [38]. Dort wird gezeigt, dass der Fokus viel- und eine Wiederablagerung (um 10 %) inner- fach auf landwirtschaflichen Maßnahmen halb der Teileinzugsgebiete konnte erreicht der Bodenbearbeitung liegt, z. B. nicht- werden (. Abb. 2.6) [40]. Die Sedimentation wendende oder höhenlinienparallele Boden- konnte dadurch in den zur Wassernutzung bearbeitung, obwohl diese wenig efektiv angelegten großen Staudämmen wesentlich sind. Efektiver wären Maßnahmen zur vermindert und deren Wert erhalten werden. Boden- und Vegetationsbedeckung und zur Das ist aus zwei Gründen besonders beacht- Veränderung der Gebietsstruktur, wie die lich: Zum einen wurden bislang nur 39 % 29 2 2.3 · Ansätze und Wirkung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen

. Abb. 2.6 Sedimentbilanzen für das chinesische Lössplateau mit einer Fläche von ca. 500.000 km2 am Gelben Fluss in China zwischen den Pegeln Lanzhou und Huayuankou für 1950 (oben) und 2005 (unten) nach Anlage von Terrassen auf 39 % der Fläche, der Anlage von Querbauwerken in Rinnen („check dams“) und der Anlage von zwei großen Stauseen [Daten aus 40] der Fläche terrassiert und auch die Quer- fehlenden Efzienz liegt, warum verbreitet bauwerke wurden bei Weitem nicht an allen davon ausgegangen wird, dass dezentrale Stellen angelegt, wo dies möglich wäre. Zum Maßnahmen in größeren Einzugsgebieten zweiten umfasst das chinesische Lössplateau keine Wirkung haben. eine Fläche von rund 500.000 km2 und ist damit wesentlich größer als Deutschland. Dezentrale Maßnahmen sind daher selbst Literatur auf größter Skala ebenso efzient wie auf kleiner, sofern sie denn fächendeckend und 1. Wohlrab B, Ernstberger H, Meuser A (1992) Land- konsequent etabliert werden. Auch wenn die schaftswasserhaushalt. Paul Parey, Hamburg Wirkung der Maßnahmen auf den Abfuss 2. Dyck S, Peschke G (1995) Grundlagen der Hydro- logie. Verlag für Bauwesen GmbH, Berlin nicht 1:1 übernommen werden kann, so lässt 3. Patt H, Jüpner R (2013) Hochwasser-Handbuch sich doch die Größenordnung der potenziellen Auswirkungen und Schutz. Springer, Berlin Wirkung kleiner Maßnahmen erahnen. Aus 4. Maniak U (2016) Hydrologie und Wasserwirtschaft. Parzellenversuchen ist beispielsweise bekannt, Springer, Berlin dass Maßnahmen zum Wasser- und Stof- 5. Landesanstalt für Umweltschutz Baden- Württemberg (2003a) Hydraulik naturnaher rückhalt den Bodenabtrag um rund 70 % Fließgewässer. 1: Grundlagen und empirische und den Abfussbeiwert um etwa 50 % hydraulische Berechnungsverfahren. Karlsruhe reduzieren können [41]. Da zusätzlich zur 6. Landesanstalt für Umweltschutz Baden- Senkung des Abfussbeiwertes auch noch die Württemberg (2003b) Hydraulik naturnaher Abfussverzögerung hinzukommt, dürfe die Fließgewässer. 2: Neue Berechnungsverfahren für naturnahe Gewässerstrukturen. Karlsruhe Wirkung auf die Hochwasserwelle mindestens 7. Landesanstalt für Umweltschutz Baden- so hoch sein wie auf den Stofrückhalt. Es Württemberg (2003c) Hydraulik naturnaher liegt daher die Vermutung nahe, dass es nur Fließgewässer. 3: Rauheits- und Widerstandsbei- an der fehlenden Umsetzung und nicht an der werte für Fließgewässer in Baden-Württemberg. Karlsruhe 30 Kapitel 2 · Grundlagen der Abflussentstehung, Sturzfluten …

8. Fiener P, Auerswald K, Van Oost K (2011) Spatio- 21. Hofstätter M, Lexer A, Homann M, Blöschl G (2018) temporal patterns in land use and management Large-scale heavy precipitation over central affecting surface runoff response of agricultural Europe and the role of atmospheric cyclone track catchments – a review. Earth-Science Rev 106:92–104. types. Int J Climatol 38:e497–e517. 7 https://doi. 2 7 https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2011.01.004 org/10.1002/joc.5386 9. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft 22. Lochbihler K, Lenderink G, Siebesma AP (2002) Fließgewässerlandschaften in Bayern. (2017) The spatial extent of rainfall events München and its relation to precipitation scaling. 10. Willner SN, Levermann A, Zhao F, Frieler K (2018) Geophys Res Lett 44:8629–8636. 7 https://doi. Adaptation required to preserve future high-end org/10.1002/2017GL074857 river food risk at present levels. Sci Adv 4:1–9. 23. Fischer FK, Winterrath T, Auerswald K (2018) 7 https://doi.org/10.1126/sciadv.aao1914 Temporal- and spatial-scale and positional 11. Kunz M, Sander J, Kottmeier C (2009) Recent effects on rain erosivity derived from point-scale trends of thunderstorm and hailstorm frequency and contiguous rain data. Hydrol Earth Syst Sci and their relation to atmospheric characteristics in 22:6505–6518. 7 https://doi.org/10.5194/hess-22- southwest Germany. Int J Climatol 29:2283–2297. 6505-2018 7 https://doi.org/10.1002/joc.1865 24. Mahlke H (2017) Mechanismen der Auslösung 12. Feldmann H, Schädler G, Panitz HJ, Kottmeier hochreichender Konvektion im südwestdeutschen C (2013) Near future changes of extreme Mittelgebirgsraum. Dissertation, Wiss Ber Inst precipitation over complex terrain in Central Meteor Klimaforsch 65: Karlsruher Institut für Europe derived from high resolution RCM Technologie, Karlsruhe ensemble simulations. Int J Climatol 33:1964– 25. Winterrath T, Brendel C, Hafer M et al (2018) 1977. 7 https://doi.org/10.1002/joc.3564 RADKLIM Version 2017.002: Reprocessed quasi 13. Auerswald K, Fischer FK, Winterrath T, Brandhuber gauge-adjusted radar data, 5-minute precipitation R (2019) Rain erosivity map for Germany derived sums (YW). Deutscher Wetterdienst, Offenbach from contiguous radar rain data. Hydrol Earth Syst am Main, 7 https://doi.org/10.5676/dwd/radklim_ Sci 23:1819–1832. 7 https://doi.org/10.5194/hess- yw_v2017.002 23-1819-2019 26. Winterrath T, Brendel C, Hafer M et al (2018) 14. Di Baldassarre G, Kreibich H, Vorogushyn S RADKLIM Version 2017.002: Reprocessed gauge- et al (2018) Hess Opinions: An interdisciplinary adjusted radar-data, one-hour precipitation sums research agenda to explore the unintended (RW). Deutscher Wetterdienst, Offenbach am consequences of structural food protection. Main, 7 https://doi.org/10.5676/dwd/radklim_rw_ Hydrol Earth Syst Sci 22:5629–5637. 7 https://doi. v2017.002 org/10.5194/hess-22-5629-2018 27. Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Natur- 15. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft schutz Baden-Württemberg (2016) Leitfaden (2002) Hochwasser im August 2002. München Kommunales Starkregenrisikomanagement in 16. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Baden-Württemberg. Karlsruhe (2003) Hochwasser Mai 1999 – Gewässerkundliche 28. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Beschreibung. München Abwasser und Abfall (2015) Dezentrale 17. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Maßnahmen zur Hochwasserminderung. Merkbl (2007) Gewässerkundlicher Bericht Hochwasser DWA-M 550: Hennef August 2005. München 29. Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirt- 18. Bayerisches Landesamt für Umwelt (2017) Sturz- schaft und Geologie (2016) Dezentraler Hoch- futen- und Hochwasserereignisse Mai/Juni 2016 – wasserschutz im ländlichen Raum. Dresden Wasserwirtschaftlicher Bericht. UmweltSpezial. 30. Sieker F, Wilcke D, Reich M et al (2007) Vor- Augsburg beugender Hochwasserschutz durch Wasser- 19. Stahl N, Hofstätter M (2018) Vb-Zugbahnen rückhalt in der Fläche unter besonderer und deren Auftreten als Serie mit Bezug zu Berücksichtigung naturschutzfachlicher Aspekte – den resultierenden Hochwassern in Bayern am Beispiel des Flusseinzugsgebietes der Mulde mit Auswirkungen auf Rückhalteräume im in Sachsen. Abschlussbericht, Institut für Wasser- Isareinzugsgebiet. Hydrol Wasserbewirt 62:77–97. wirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen 7 https://doi.org/10.5675/HyWa Wasserbau der Leibniz Universität Hannover. 20. Hofstätter M, Chimani B (2012) Van Bebber’s Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Projekt AZ cyclone tracks at 700 hPa in the Eastern Alps for 214679), Hannover 1961–2002 and their comparison to circulation 31. Assmann A (1999) Die Planung dezentraler, type classifcations. Meteorol Z 21:459–473 integrierter Hochwasserschutzmaßnahmen – mit dem Schwerpunkt der Standortausweisung 31 2 Literatur

von Retentionsarealen an der Oberen Elsenz, 37. Fiener P, Auerswald K (2005) Measurement and Kraichgau. LFLBW-Schriftenr 11: Landesamt für modeling of concentrated runoff in grassed Flurneuordnung und Landentwicklung Baden- waterways. J Hydrol 301:198–215. 7 https://doi. Württemberg, Kornwestheim org/10.1016/j.jhydrol.2004.06.030 32. Rieger W (2012) Prozessorientierte Modellierung 38. Maetens W, Poesen J, Vanmaercke M (2012) How dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen. Mitt effective are soil conservation techniques in Inst Wasserwesen, Wasserwirt Ressourcenschutz reducing plot runoff and soil loss in Europe and 116: Universität der Bundeswehr München, Neu- the Mediterranean? Earth-Science Rev 115:21–36. biberg 7 https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2012.08.003 33. Bronstert A, Seiert S, Oberholzer G (1993) 39. Tsunekawa A, Liu G, Yamanaka N, DU S (2014) Maßnahmen der Flurbereinigung und ihre Restoration and development of the degraded Wirkung auf das Abfussverhalten ländlicher loess plateau, China. Springer, Japan Gebiete. Schriftenr Landesamt Flurneuord 40. Zhao J, Van Oost K, Chen L, Govers G (2016) Landent Baden-Württemberg 3: Kornwestheim Moderate topsoil erosion rates constrain the 34. Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirt- magnitude of the erosion-induced carbon sink schaft (2017) Hochwasserangepasste Waldbewirt- and agricultural productivity losses on the schaftung. LWF-Merkbl 36: Freising Chinese Loess Plateau. Biogeosciences 13:4735– 35. Seidler M (2018) Verringerung von Sturzfuten 4750. 7 https://doi.org/10.5194/bg-13-4735-2016 nach Starkregenereignissen – Möglichkeiten 41. Zhao J, Yang Z, Govers G (2019) Soil and water und Potentiale der Flurneuordnung durch conservation measures reduce soil and water abfussbremsende Flurgestaltung. Masterarbeit, losses in China but not down to background Lehrstuhl Bodenordnung Landentwicklung, levels: evidence from erosion plot data. Geoderma Technische Universität München 337:729–741. 7 https://doi.org/10.1016/j.geo- 36. Bayerisches Landesamt für Umwelt (2008) derma.2018.10.023 Kooperation bei der Unterhaltung kleiner Gewässer. Beispiele aus Bayern. Gewässernach- barschaften. Umwelt Spezial. Augsburg

Wellenablauf – wie sich Abfusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

3.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen – 34 3.2 Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen – 37 Literatur – 58

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_3 34 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

3.1 Grundprinzipien und Die (Scheitel–)Anstiegszeit ist die Zeit- wesentliche Einfussgrößen spanne zwischen dem Abfussbeginn in der Fläche und dem Erreichen des Scheitel- 3.1.1 Eigenschaften von abfusses an einem defnierten Punkt des Abfusswellen Fließpfades. Sie hat eine hohe Bedeutung, da sie direkt gekoppelt ist mit dem Hoch- 3 Abfuss läuf immer in Form einer Welle wasserscheitel und umgekehrt. Je kürzer die ab, unabhängig davon, ob es sich um Ober- Scheitelanstiegszeit, umso höher der Hoch- fächenabfuss infolge eines Starkniederschlags wasserscheitel. Da der tatsächliche Abfuss- in der Fläche (im Wasserhaushaltsgesetz als beginn meist unbekannt ist, existieren zur „wild abfießendes Wasser“ bezeichnet; kann Beschreibung und Abschätzung der Anstiegs- Sturzfuten auslösen) oder um den Abfuss zeit unterschiedliche Defnitionen und eine eines ausgedehnten Frontensystems in einem Vielzahl meist empirischer Methoden [1]. Flusssystem (Flusshochwasser) handelt. Letztere sind einfach anwendbar und vor Wesentliche Eigenschafen einer Abfusswelle allem in der Ingenieurhydrologie weit ver- sind Scheitelhöhe, Anstiegs- und Ablauf- breitet. Sie können hydraulische Eigenschafen zeit sowie Wellenvolumen (. Abb. 3.1). Das des Einzugsgebietes und damit auch Ver- Wellenvolumen ergibt sich aus dem Teil des änderungen der Fließpfadgeometrie oder Niederschlags, der nicht im Einzugsgebiet Rauheit jedoch nicht explizit abbilden. Die zurückgehalten wird und abfießt – dem Bestimmung der Anstiegszeit sollte daher die efektiven oder abfusswirksamen Nieder- Dauer erfassen, die der Oberfächenabfuss benötigt, um von der Wasserscheide bis zu schlag (Nef). Ein Verfahren zur Ermittlung Kap. 4 einem defnierten Bezugspunkt zu fießen. Ein von Nef ist in 7 beschrieben. entsprechender Ansatz – die Geschwindig- keitsmethode – wird bei der Abfuss- konzentration in 7 Abschn. 5.3.3 beschrieben. Wellenvolumen und Anstiegszeit sind

(Höhe) die wichtigsten Kenngrößen einer Abfuss- Anstiegs- Ablaufzeit zeit welle. Sie erlauben es, die Scheitelhöhe zu Scheitelhöhe Niederschla g ermitteln. Am Scheitel sind Abfuss, Wasser- stand, Fließgeschwindigkeit und (kurz zuvor) die Transportkapazität des Wassers Wellenvolumen am größten. Die Zeit vom Scheitel bis zum Abklingen der Welle wird als Ablaufzeit

Wasserstand (Höhe) bezeichnet. Zusammen mit der Anstiegs-

Ab ussrate (Volumen/Zeit) zeit und dem Scheitelabfuss defniert sie die Wellenform, weshalb sie in vielen Methoden Zeit zur Abschätzung von Welleneigenschafen berücksichtigt wird. . Abb. 3.1 Wesentliche Eigenschaften von Abfuss- wellen sind Anstiegszeit, Ablaufzeit, Scheitelhöhe Die Ablaufzeit hängt von den Retentions- und Wellenvolumen. Auf die Darstellung eines eigenschafen des Einzugsgebietes ab und ist Basisabfusses wurde verzichtet, da dieser bei Hoch- durch die Schwierigkeit, den Zeitpunkt des wasserabfüssen meist vernachlässigbar klein ist Abklingens genau zu bestimmen, ebenfalls und Oberfächenabfuss weitgehend über Gerinne nicht einheitlich defniert. Zur Bestimmung ohne dauerhafte Wasserführung abgeleitet wird. Die vertikalen Balken stellen den abfusswirksamen der Ablaufzeit aus Messdaten existieren zahl- Niederschlag dar reiche Methoden [2]. In ingenieurhydro- 35 3 3.1 · Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen logischen Verfahren wird die Ablaufzeit zur Abschätzung von Scheitelabfuss und of anhand von Annahmen über die Form Wellenvolumen haben daher grundlegende der Abfusswelle bzw. die Verteilung des Bedeutung für Bemessungsfragen und die Wellenvolumens vor und nach dem Scheitel Gestaltung von Maßnahmen zur Abfuss- geschätzt, wodurch die Ablaufzeit als Viel- minderung, auch wenn in der ländlichen faches der Anstiegszeit ausgedrückt werden Starkregen- und Sturzfutvorsorge bisher nur kann [3]. Wellenvolumen und Scheitelhöhe selten in Scheitelhöhen und Abfussvolumina können nicht nur als Volumen bzw. Volumen gedacht oder damit argumentiert wird. pro Zeit, sondern auch als Wiederkehrinter- vall ausgedrückt werden (z. B. als Wellen- volumen oder Scheitelabfuss, die an einem 3.1.2 Einfüsse von Abfussbildung bestimmten Ort nur alle 30 Jahre oder seltener und Abfusskonzentration zu erwarten sind). auf Wellenablauf und Kenntnisse über Eigenschafen einer Abfussminderung Hochwasserwelle sind aus vielen Gründen hilfreich. Beispielsweise können aus dem Die Entstehung und der Ablauf einer Scheitelabfuss defnierter Starkregenereig- Hochwasserwelle ist ein komplexer nisse Wasserstände ermittelt werden und (instationärer) Prozess, da sich Abfussrate darüber Deich- oder Dammhöhen ent- und Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit lang von Gewässern und Brücken, aber von Zeit und Ort ändern. Hinzu kommt, auch Durchlässe oder die Leistung von Ent- dass die Gestalt einer Abfusswelle von vielen lastungsanlagen oder Schöpfwerken bestimmt Parametern und Eigenschafen beeinfusst werden. Gilt es Polder oder Rückhaltebecken wird. Eine variable, innerhalb eines einzelnen anzulegen, wird das Volumen der Abfuss- aber auch zwischen unterschiedlichen Regen welle benötigt. Für Standsicherheitsfragen hat variierende Größe ist beispielsweise die zeit- die Dauer einer Schwellenwertüberschreitung liche Niederschlagsverteilung. Sie bewirkt, Bedeutung, z. B. wie lange sind Wasserstände dass sich aus einem Regen mit konstanter über einem defnierten Wert zu erwarten. Intensität eine andere Abfusswelle ergibt als Je nach Fragestellung sind also unterschied- aus einem Regen mit gleicher Niederschlags- liche Eigenschafen einer Welle von Interesse. höhe, aber anderem zeitlichen Intensitäts- Ähnliches gilt für die Sturzfutvorsorge in der verlauf. Ähnliches gilt beispielsweise für den Fläche: Anhand des Scheitelabfusses unter- Anteil der überregneten Einzugsgebietsfäche halb von Ackerfächen kann beispielsweise der oder die Zugrichtung des Niederschlagfeldes, erforderliche Querschnitt eines Grabens oder deren Auswirkungen auf die Abfusswelle in Rohres ermittelt werden. Anhand von Wellen- . Abb. 3.2 schematisch dargestellt sind. eigenschafen können aber auch Kleinstrück- Zusätzlich zu den variablen Regen- haltebecken oder begrünte Abfussmulden eigenschafen prägen gebietsspezi- so dimensioniert werden, dass sie einer- fsche Kenngrößen wie die Lage bebauter seits nicht überlaufen und andererseits nicht Flächen, die Form des Einzugsgebietes mehr Fläche als nötig einnehmen. Durch oder die Dichte des Entwässerungsnetzes Verfahren zur Bestimmung von Wellen- die Gestalt einer Abfusswelle (. Abb. 3.3). eigenschafen kann umgekehrt aber auch Die Dichte des Entwässerungsnetzes ist der Einfuss bestimmter Maßnahmen auf dabei von besonderer Bedeutung für die die Scheitelminderung quantifziert werden. Geschwindigkeit und damit für die Höhe, Oder es kann abgeschätzt werden, wie eine die eine Hochwasserwelle erreicht. Diese Maßnahme gestaltet sein muss, damit sie Dichte ergibt sich nicht nur aus der Dichte eine bestimmte Wirkung erreicht. Methoden der permanenten Fließgewässer. Bei Stark- 36 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

Ein uss der zeitlichen Verteilung Ein uss einer Bebauung q q a a a t b

b b t c c 3 Regenintensität b c c a t t t

Ein uss der räumlichen Verteilung Ein uss der Einzugsgebietsform q q a c c a b b b a b a c c

t t

Ein uss der Zugrichtung des Regens Ein uss der Gewässernetzdichte q q a a c a b b b b c a c c

stationar t t

. Abb. 3.2 Schematische Darstellung zum Einfuss . Abb. 3.3 Schematische Darstellung zum Einfuss von Regeneigenschaften auf die Form der Abfuss- von Einzugsgebietseigenschaften auf die Form der welle. (Nach [4], verändert) Abfusswelle. (Nach [4], verändert)

regenereignissen wird durch den Ober- schafen. Die im Folgenden dargestellten fächenabfuss zusätzlich auch das Netz der Methoden bilden diese verschiedenen (Wegseiten-)Gräben aktiviert, das vielfach Einfüsse hinreichend nach, sofern die länger ist als die permanenten Fließgewässer. Berechnungen räumlich und zeitlich Insbesondere dieses periodische Ent- hoch genug aufgelöst werden. Gerade für wässerungsnetz wurde durch den Menschen Planungen sind dem aber Grenzen gesetzt, engmaschig geknüpf (s. 7 Kap. 7) und da z. B. Regeneigenschafen nur retrospektiv dadurch die Hochwasserscheitel in der länd- bekannt sind und da der Aufwand für eine lichen Flur verschärf. räumlich hochaufösende Berechnung in Durch diese Einfüsse können normalen Planungsverfahren den zeitlichen Berechnungsergebnisse nicht ohne Weiteres und fnanziellen Rahmen sprengt. Einfache von einem Gebiet auf ein anderes oder Annahmen zur Abschätzung von Wellen- von einem Regen auf einen anderen über- eigenschafen sind daher notwendig, auch tragen werden. Auch folgen daraus wenn dies der Genauigkeit klare Grenzen bereits (inhärente) Unsicherheiten jeder setzt und nur wesentliche, planungsrelevante quantitativen Schätzung von Welleneigen- Prozesse berücksichtigt werden können. Zur 37 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

Bestimmung von Welleneigenschafen kleiner, die Verzögerung des Abfusses vermindert homogener Gebiete (<1 km2) haben sich werden kann (. Abb. 3.4). daher in der Praxis Annahmen wie eine einheitliche Überregnung und ein klar defnierter Intensitätsverlauf etabliert. Gleichermaßen 3.2 Methoden zur Abschätzung vereinfachen viele Bemessungsansätze von Abfussscheitel und den Abfussvorgang auf eine reine zeit- -volumen liche Verschiebung (Translation), bei der Rückhaltefekte entlang des Fließweges In der ingenieurwissenschaflichen Literatur (Retention) entweder vernachlässigt oder sind zahlreiche Ansätze zur Abschätzung stark vereinfacht abgebildet werden (Trans- von Abfusswelleneigenschafen beschrieben. lationsmodelle). Dazu wird meist eine ein- Eine der einfachsten, etablierten Methoden heitliche Form der Abfusswelle angenommen zur Bestimmung der Scheitelhöhe ist das Ver- und die Scheitelhöhe anhand von Wellen- hältnisverfahren, das im angelsächsischen volumen und Anstiegszeit bestimmt. Der Sprachraum als „rational method“ Ende des Wellenscheitel wird umso höher, je größer 19. Jahrhunderts bekannt geworden ist [6, 7]. das Wellenvolumen und je kürzer die Varianten der Methode sind weltweit ver- Anstiegszeit sind. Umgekehrt bedeutet dies, breitet und werden aufgrund ihrer einfachen dass der Hochwasserscheitel sowohl durch Handhabung noch heute angewendet, z. B. den Rückhalt von Volumen als auch durch bei der Ermittlung von Scheitelabfüssen

3 Halbe Scheitelanstiegszeit Doppelte Scheitelhöhe Anstiegs- 2 zeit Ab ussrate

(Volumen/Zeit) Scheitelhöhe 1 Wellenvolumen

3 Doppeltes Volumen und Doppeltes Volumen halbe Scheitelanstiegszeit Doppelte Scheitelhöhe Vierfache Scheitelhöhe 2 Ab ussrate (Volumen/Zeit) 1

0 01234 01234 Zeit Zeit

. Abb. 3.4 Grundlegende Zusammenhänge zwischen Wellenvolumen, Anstiegszeit und Scheitelhöhe nach dem Einheitsganglinienverfahren, wenn keine weiteren Prozesse hinzukommen [3, 5] 38 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

für die Dimensionierung von Kanalnetzen 3.2.1 Das Dreiecksganglinienver oder bei Entwässerungsmaßnahmen an fahren technischen Bauwerken [8], aber auch bei der Modellierung von Sturzfuten [9]. In Dreiecksganglinien bilden Hochwasser- Deutschland sind Varianten der Methode wellen vereinfacht als (schiefe) Dreiecke ab unter anderem als Abfussbeiwert- oder Flut- (. Abb. 3.5). Sie zählen zu den ältesten Ver- 3 planverfahren bekannt [4, 10]. Das Grund- fahren, die Scheitelhöhe einer Abfusswelle zu prinzip besteht darin, dass der Scheitelabfuss prognostizieren, und werden auch heute noch aus dem Produkt einer kritischen Nieder- für die Ermittlung von Scheitelabfüssen in schlagsintensität, der Einzugsgebietsfäche kleinen Einzugsgebieten verwendet, da dort und einer Verhältniszahl ermittelt wird. Der bislang keine robusten Alternativen verfügbar Ansatz fasst damit alle Gebiets- und Standort- sind [12]. eigenschafen in einem einzigen Parameter – Beim Dreiecksganglinienverfahren der Verhältniszahl – zusammen und berück- bestimmen Abfussvolumen, Anstiegs- und sichtigt weder die Abfussbildung noch die Ablaufzeit die Scheitelhöhe. Das Abfuss- Abfusskonzentration explizit. Entsprechend volumen kann aus der Höhe des efektiven handelt es sich um ein sehr grobes, über- Niederschlags und der Einzugsgebietsfäche schlägiges Verfahren. Es sollte nur in kleinen abgeschätzt werden, wobei der efektive (<100 ha), einheitlich strukturierten Gebieten Niederschlag beispielsweise mit dem CN-Ver- mit kurzer Konzentrationszeit angewendet fahren ermittelt werden kann (vgl. 7 Kap. 4). werden. Gilt es lediglich, den Abfussscheitel Die Summe von Anstiegs- und Ablauf- von sehr kleinen, einheitlichen Flächen (z. B. zeit ergibt die Dreiecksbasis (. Abb. 3.5). Parkplätze, Gewerbegebiete, …) abzuschätzen, Die Anstiegszeit (tP time to peak) wird reicht der Verhältnisansatz of aus. Das Ver- = fahren wird in 7 Anhang 8.3 beschrieben,

da es die Grundlage von Isochronenansatz, g Laufzeit-Flächen-Diagrammen [4, 10, 11] und dem Dreiecksganglinienverfahren bildet.

t =D t (Höhe) Letzteres wird, ebenso wie das Einheitsgang- P fal linienverfahren, im Folgenden ausführlicher Niederschla beschrieben. Beide berücksichtigen sowohl die Abfussbildung als auch die Abfuss- Q=1/2 (tC • qp+tfal • qp) konzentration explizit, wodurch sie dem ein- q fachen Verhältnisansatz überlegen sind. Sie P

zählen heute zu den Standardbemessungs- Ab ussrate (Volumen/Zeit) verfahren in kleinen Einzugsgebieten [12]. Grundsätzlich richtet sich die Auswahl des Verfahrens nach den Anforderungen: Genügt Zeit Kenntnis über die zu erwartende Scheitelhöhe, ist das Dreiecksverfahren hinreichend. Ist eine . Abb. 3.5 Konzeptionelle Darstellung, wie eine Ganglinie (blau) vereinfacht als Dreieck (lila) komplette Ganglinie erforderlich, beispiels- abgebildet werden kann. In dem gezeigten Fall ent-

weise zur Dimensionierung einer Drossel oder spricht die Scheitelanstiegszeit (tP) der Dauer (D) des eines Rückhaltebeckens, ist ein aufwendigerer Regens (vertikale Balken) und die Zeit des fallenden Wellenastes (auch Ablaufzeit; t ) dem 1,5-Fachen Ansatz wie das Einheitsganglinienverfahren fal von t . Das Wellenvolumen (Q) des Dreiecks lässt erforderlich. In beiden Fällen besteht die P sich trigonometrisch über den Flächeninhalt des wesentliche Herausforderung darin, Abfuss- anlaufenden und ablaufenden Dreiecks ermitteln.

höhe und Anstiegszeit möglichst genau zu Sind Q, tP und tfal bekannt, lässt sich durch Umstellung bestimmen. der Gleichung die Scheitelhöhe (qP) ermitteln 39 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen beim Dreiecksganglinienverfahren der die abweichende Fließzeit andere Werte. Konzentrationszeit (t time to concentration) Der erste wesentliche Schritt besteht daher C = des Gebietes gleichgesetzt (t t ). Die darin, den Bezugspunkt für den Abfuss zu P = C Konzentrationszeit entspricht der Dauer, defnieren. Als Bezugspunkte sind prinzipiell die Oberfächenabfuss benötigt, um von alle Punkte entlang des Fließpfades wie der Wasserscheide bis zu einem defnierten Hangfüße, Grabenabschnitte, Durch- oder

Punkt zu fießen. Die Ablaufzeit tfal hängt Rohreinlässe, Zusammenfüsse oder Pegel vom Retentionsverhalten des Gebietes ab. Sie (in größeren Gewässern) geeignet, inso- ist fast immer unbekannt und wird üblicher- fern sich das Einzugsgebiet des gewählten weise anhand der Landnutzung geschätzt Punktes gut abgrenzen lässt. Dazu ist, aus-

(typische Wertebereiche tP < tfal < 2 tP). Analog gehend vom Bezugspunkt, die topographische zum Verhältnisverfahren ist der Ansatz dafür Wasserscheide und damit die Größe des ober- konzipiert, den für ein bestimmtes Wieder- irdischen Einzugsgebietes zu bestimmen. Bei kehrintervall höchstmöglichen Scheitel- Gebietsgrößen von wenigen Hektar kann die abfuss zu ermitteln. Dieser ergibt sich, wenn Abgrenzung of einfach von Hand durch- ein Bemessungsregen (Erklärung s. unten) geführt werden. Übersteigt die Fläche mehrere von einer Dauer der Konzentrationszeit des Hektar, bietet sich eine Abgrenzung mithilfe Gebietes angesetzt wird, da die Niederschlags- eines Geländemodells (Aufösung 5 m) in ≤ intensität mit zunehmender Regendauer einem Geographischen Informationssystem abnimmt. an. In den meisten GIS-Anwendungen ist eine Für die Anwendung sind im Allgemeinen Abgrenzung der Wasserscheide mit wenigen folgende Schritte notwendig, die im Anschluss Mausklicks möglich. detaillierter beschrieben werden: 1. Festlegen von Bezugspunkt, topo- z Schritt 2: Abschätzung der Scheitel- graphischer Wasserscheide und anstiegszeit Bestimmung der Einzugsgebietsgröße Für die Bestimmung der Scheitelanstiegszeit (AEZG) bei Starkregen in kleinen Gebieten wird die 2. Abschätzen der Konzentrationszeit (tC) Scheitelanstiegszeit (tP) der Konzentrations- 3. Bestimmung der Bemessungsnieder- zeit des Gebietes gleichgesetzt (bei anderen schlagshöhe (NB) Verfahren oder Fragestellungen gelten of 4. Ermittlung des Wellenvolumens (Q) andere Konventionen). Die Konzentrations- durch Multiplikation der Einzugsgebiets- zeit beschreibt die Zeit, die Oberfächen- fäche (AEZG) mit der abfusswirksamen abfuss benötigt, um von der Wasserscheide Niederschlagshöhe (Nef). bis zu einem defnierten Bezugspunkt, z. B. 5. Abschätzen der Ablaufzeit (tfal) einem Hangfuß, Grabenabschnitt oder einer 6. Berechnung der Scheitelabfusshöhe (qP) Ortschaf, zu fießen. Das Mittel der Wahl und Plausibilisieren der Ergebnisse zur Bestimmung von tC in kleinen Einzugs- gebieten ist die Geschwindigkeitsmethode z Schritt 1: Festlegen von Bezugspunkt, [13]. Dabei wird zunächst der (hydraulisch) topographischer Wasserscheide und längste Fließpfad zwischen Bezugspunkt und Bestimmung der Einzugsgebietsgröße Wasserscheide bestimmt und hinsichtlich der Die an einem Punkt des Fließpfades zu Form des Fließens und den hydraulischen erwartende Scheitelhöhe gilt immer nur Eigenschafen des Fließpfads in ähnliche für den defnierten Punkt. Wenige hundert Abschnitte untergliedert. Anschließend Meter vorher oder nachher gelten durch die wird für jeden Abschnitt des Fließpfades die veränderte Größe des Einzugsgebietes und Fließzeit bestimmt. Die Konzentrationszeit 40 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

ergibt sich dann aus der Summe der sind das statistische Wiederkehrintervall Fließzeiten in den einzelnen Abschnitten (je seltener, desto größer die Regenmenge) (7 Abschn. 5.3.3). Die wesentliche Stärke der und die Regendauer. Zusammen bestimmen Geschwindigkeitsmethode besteht darin, sie, mit welcher Niederschlagshöhe in einer dass der Fließweg und seine hydraulischen defnierten Zeitspanne, in einem defnierten Eigenschafen explizit abgebildet werden. Wiederkehrintervall und an einem 3 Daher lassen sich auch Änderungen dieser bestimmten Ort zu rechnen ist (vgl. auch Eigenschafen durch Eingrife quantifzieren. 7 Abschn. 4.4 und 7 Anhang 8.4). Stärker empirische Ansätze sind dazu nicht in Klassische Bemessungsaufgaben orientieren der Lage. Daher wird die Geschwindigkeits- sich an den ungünstigsten Bedingungen.

methode zur Bestimmung von tC empfohlen. Maßgebend sind dann beispielsweise das Wenn die Geschwindigkeitsmethode größte zu erwartende Abfussvolumen oder nicht angewendet werden kann oder für der höchste zu erwartende Wellenscheitel. Der eine erste überschlägige Bestimmung der höchste Wellenscheitel wird für den größten Konzentrationszeit eignet sich die empirische, Regen erwartet, dessen efektive, d. h. abfuss- modifzierte Kirpich-Gleichung [12]. Sie ver- liefernde Dauer der Konzentrationszeit des wendet nur die Fließweglänge und die dazu- Einzugsgebietes entspricht. Dies liegt daran, gehörige Höhendiferenz und wurde an dass die durchschnittliche Intensität eines Gebieten von 25–150 km2 kalibriert. Gerinne- Regen sinkt, je länger er dauert, auch wenn eigenschafen wie Querschnittsgeometrie oder lange Regen im Schnitt eine höhere Regen- Rauheit können hier nicht berücksichtigt menge haben als kurze. Ist ein Regen daher werden: kürzer als die Konzentrationszeit, liefert nie das gesamte Gebiet gleichzeitig und der Wellen- 0,385 L3 scheitel bleibt gering. Ist ein Regen länger als tC = 277 · (3.1) h die Konzentrationszeit, liefert zwar das gesamte Gebiet gleichzeitig, aber der Wellenscheitel wird wobei durch die geringere Regenintensität gemindert. tC - Konzentrationszeit (min) Beispiel: Wurde die Konzentrationszeit eines L - Länge des Fließweges zwischen dem Bezugspunkt, Gebietes mit t 44 min bestimmt, sollte C = für den der Scheitelabfuss zu ermitteln ist, und dem ein Bemessungsregen herangezogen werden, entferntesten Punkt auf der Wasserscheide, der über einen durchgehenden Pfad zum Bezugspunkt ent- dessen Dauerstufe (D) die nächsthöhere von t ist, z. B. D 60 min. Die nächsthöhere wässert (km) C = ∆h - Höhendifferenz des Fließweges zwischen Dauerstufe wird deshalb gewählt, weil es bei Bezugspunkt und dem entferntesten Punkt auf der jedem Regen zu Anfangsverlusten kommt, die Wasserscheide, der über einen durchgehenden Pfad Konzentrationszeit aber erst einsetzt, wenn bis zu diesem Punkt hin entwässert (m) Abfuss aufritt. Dies lässt sich pragmatisch berücksichtigen, indem die nächsthöhere z Schritt 3: Bemessungsniederschlag Dauerstufe gewählt wird, während die korrekte Die Wahl der maßgebenden Niederschlags- Bestimmung der Summe aus Anfangsverlust- höhe richtet sich nach der Problemstellung: zeit und Konzentrationszeit ein aufwendiges, Bei der Nachrechnung historischer Ereig- iteratives Verfahren notwendig machen würde, nisse ist die Niederschlagshöhe vorgegeben. das in Anbetracht der großen Klassenabstände Bei Bemessungsaufgaben müssen die Eigen- der Dauerstufen nicht gerechtfertigt ist. Wird schafen des Regens entsprechend des von diesem Vorgehen abgewichen und bei angestrebten (oder realisierbaren) Ausbau- einer Konzentrationszeit von 44 min beispiels- oder Schutzgrades defniert werden. Wesent- weise ein Modellregen mit einer Dauer von liche Eigenschafen solcher Modellregen 2 h gewählt, resultiert daraus zwar ein höheres 41 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

Abfussvolumen, aber wegen der geringeren Gebiet maßgebenden Niederschlagshöhe durchschnittlichen Regenintensität dennoch ein stehen in 7 Abschn. 4.4. geringerer Wellenscheitel. Die Wahl des statistischen Wiederkehr- z Schritt 4: Ermittlung des intervalls richtet sich nach dem angestrebten Wellenvolumens Ausbau- oder Schutzgrad. Als Orientierung Aus der Bemessungsniederschlagshöhe kann werden für ländliche Räume mit fehlender die zu erwartende abfusswirksame Nieder- oder geringer Bebauung Jährlichkeiten schlagshöhe (Nef, beides in mm) mit dem zwischen 10 und 30 Jahren empfohlen. Ereig- CN-Verfahren bestimmt werden. Dazu nisse dieser Größenordnung lassen sich müssen die Landnutzung und die hydro- mit dezentralen Maßnahmen zum Wasser- logische Bodengruppe im Einzugsgebiet rückhalt wirksam beeinfussen, und diese festgelegt werden. Das Verfahren und seine sind meist mit überschaubarem Aufwand Anwendung sind in 7 Abschn. 4.3 beschrieben. realisierbar. Bei der Wahl seltener Ereig- Das Wellenvolumen ergibt sich dann durch nisse (z. B. Wiederkehrintervalle von 50 Multiplikation der abfusswirksamen Nieder- oder 100 Jahren, wie sie üblicherweise für schlagshöhe mit der Einzugsgebietsfäche. Bemessungsaufgaben in besiedelten Räumen gewählt werden) ergeben sich of enorme z Schritt 5: Abschätzen der Ablaufzeit (tfal) Abfussvolumina und Scheitelhöhen, deren Die Ablaufzeit hängt von den Retentionseigen- Minderung meist aufwendige, fächen- schafen des Einzugsgebietes ab und kann intensive und genehmigungspfichtige Ingeni über einen Formfaktor F (. Tab. 3.2) und die eurmaßnahmen erfordert. Um die Spannweite Konzentrationszeit des Gebietes abgeschätzt möglicher Ereignisse einzuschätzen, empfehlt werden (7 Gl. 3.2). Je höher der Formfaktor und es sich unterschiedliche (häufgere wie damit die Retention, desto länger die Ablaufzeit seltenere) Extreme zu betrachten. Als Über- und desto geringer der Wellenscheitel. sicht typischer Werte sind in . Tab. 3.1 t = F · t KOSTRA-Starkniederschlagssummen für fal c (3.2) unterschiedliche Konzentrationszeiten bzw. wobei Niederschlagsdauern und Wiederkehrinter- tfal - Wellenablaufzeit (min) valle zusammengefasst. Praktische Ansätze F - Empirischer Formfaktor (–) zur Ermittlung der konkreten, in einem tC - Konzentrationszeit (min)

. Tab. 3.1 Starkniederschlagshöhen in mm für unterschiedliche Wiederkehrintervalle und Nieder- schlagsdauerstufen D nach KOSTRA [14] für kurze, in kleinen Einzugsgebieten typische Konzentrations- zeiten. Die dargestellten Werte können näherungsweise für weite Teile Mittel- und Süddeutschlands verwendet werden. Davon ausgenommen sind Mittelgebirgslagen und Alpenraum, wo im Durchschnitt etwa 10 % bzw. 20 % größere Werte anzusetzen sind. In der Norddeutschen Tiefebene gelten verbreitet 10–20 % geringere Werte

Niederschlagsdauerstufe D Wiederkehrintervall (a) (min) 10 20 30 50

20 23 27 29 31 30 27 31 34 37 60 34 40 43 47 120 38 44 48 52 42 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

. Tab. 3.2 Formfaktor F zur Bestimmung der Ablaufzeit einer Dreiecksganglinie in Abhängigkeit von der Landnutzung im Einzugsgebiet [12]

Landnutzung Wasserableitende Wirkung Formfaktor F

Siedlungsgebiete mit hohem Sehr schnelle Ableitung durch hohen Versiegelungs 1 Anteil versiegelter Oberfächen grad, ausgedehntes, künstliches Entwässerungsnetz 3 und hydraulisch glatte Oberfächen Aufgelockerte Bebauung, Schnelle Ableitung durch mittleren Versiegelungs- 1,25 Wechsel aus versiegelten und grad, künstliches Entwässerungsnetz und zum Teil unversiegelten Flächen, z. B. hydraulisch glatte Oberfächen Wohngebiete oder Ortsrandlagen (Versiegelungsgrad 10–40 %) Ländliche Räume, Dominanz Mäßige Ableitungsgeschwindigkeit durch Acker- 1,5 von Wald-, Acker- und Grün- bau und Infrastruktur. Künstliche Fließpfade (z. B. landfachen (Versiegelungs- Gräben) sind vorhanden grad < 10 %) Naturnahe Wald- und Feucht- Langsame Ableitung und hohe Retention durch 2 gebiete, intakte Moore, keine raue Verhältnisse und geringen Anteil künstlicher oder sehr geringe Versiegelung Entwässerungswege

z Schritt 6: Berechnung der Scheitel- dienen beispielsweise Resultate aus anderen, abfusshöhe und Plausibilisieren der vergleichbaren Gebieten oder Schätzungen mit Ergebnisse anderen Verfahren (z. B. Einheitsganglinien- Sind alle erforderlichen Parameter und verfahren). In größeren Gebieten können Größen bekannt, lässt sich die Scheitelabfuss- Pegeldaten (oder Extrapolationen daraus), Gl. 3.3 höhe (qP) mithilfe von 7 ermitteln. Sie Abfussspendendiagramme oder Schätzungen ergibt sich trigonometrisch aus dem Abfuss- aus Regionalisierungsverfahren genutzt volumen und der Zeit des ansteigenden und werden. ablaufenden Dreieckswellenteils: z Anwendungsbeispiel Neff Aufgabenstellung: Zur Dimensionierung qP = · AEZG (3.3) 0,5 · tc + tfal · 0,06 eines Durchlasses (Bezugspunkt) ist die zu erwartende Scheitelabfusshöhe in einem wobei Graben unterhalb einer 5 ha großen Acker- q - Scheitelabfusswert (m3 s 1) p − fäche mit einer mittleren Neigung von 6 % Nef - Abfusswirksame Niederschlagshöhe (mm) bei einem Starkregen mit einem Wieder- 2 AEZG - Einzugsgebietsfäche (km ) kehrintervall von 30 Jahren zu ermitteln

tC - Konzentrationszeit (min) (. Abb. 3.6). Die Bewirtschafungsrichtung

tfal - Wellenablaufzeit (min) erfolgt entlang der längeren Seite in Gefälle- richtung; der obere Feldrand deckt sich mit Da es sich bei dem Dreiecksganglinien- der Wasserscheide, es erfolgt kein Zu- oder verfahren um ein relativ grobes Schätzver- Abfuss aus benachbarten Flächen. Zusätz- fahren handelt, sollten die Ergebnisse nach lich soll der Efekt unterschiedlicher Bewirt- Möglichkeit plausibilisiert werden. Dazu schafungspraktiken auf die Scheitelhöhe 43 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

Schichtabuss ausbilden (vgl. 7 Abschn. 5.2), wobei die Abschnitt (nur) mit Schichtabuss { Rillenabuss Streckenanteile der einzelnen Fließpfade Abschnitt mit Hangmuldenabuss in Abhängigkeit von der Bedeckung Rillen und Rinnen { variieren (vgl. 7 Gleichungen 8.1 Abschnitt mit Grabenabuss Hangmuldenabuss und 8.2). Um die Fließzeit für die 165 beiden Fälle (konventionelles Saatbett vs. Mulchdirektsaat) zu bestimmen, 18 wird die Geschwindigkeitsmethode Graben- 7 Abschn. 5.3.3 { 300 angewendet (s. ). Um nur abuss{ den Einfuss des Fließvorgangs auf die Konzentrationszeit zu illustrieren, wird in beiden Fällen von einem abfusswirksamen Niederschlag mit 15 mm in 30 min ausgegangen, auch wenn eigentlich bei Graben mit Bezugspunkt gleichem Niederschlag der abfusswirk- Trapezpro l same Niederschlag bei Mulchdirektsaat . Abb. 3.6 Schematische Darstellung des 5 ha wesentlich geringerer ist als bei kon- großen Feldes. Die Zahlen an den Rändern beziffern ventionellem Saatbett. Als Rauheits- Länge, Breite und Höhenunterschied in Meter, die werte werden für das Saatbett 17 und für Neigung entspricht 6 %. Die Linien kennzeichnen das 1/3 1 Mulchdirektsaat 5 m s− entsprechend zu erwartende Fließpfadmuster aus Schichtabfuss, Abfuss in Rillen und Rinnen, Hangmuldenabfuss . Tab. 8.2 verwendet. Die Eigenschafen und Abfuss im Graben unterhalb des Feldes entlang des Grabens sind ohne Bedeutung, da der Feldkante. In dem Beispiel soll exemplarisch ein für beide Fälle gleiche Bedingungen Durchlass am Ende des Grabens bemessen werden, angesetzt wurden (zur Berechnung der den Bezugspunkt darstellt. Die Abschnitte, für die wurde ein Trapez mit einer Sohlbreite getrennt gerechnet wird, richten sich nach dem dort dominierenden Abfusstyp von 0,3 m, einer Böschungsneigung von m 1,5, ein geräumter Graben mit einer = 1/3 1 Rauheit von k 35 m s− und eine = abgeschätzt werden. Dazu sollen die Ober- Neigung von 1 % angenommen). Die fächen eines konventionellen Reihen- Auswertung (. Tab. 3.3) ergibt einen kultursaatbeetes (Bodenbedeckung 5 %) bemerkenswerten Unterschied (Faktor 3) ≤ mit einem konsequent umgesetzten, nicht- in den Konzentrationszeiten für kon- wendenden Mulchdirektsaatverfahren ventionelle Saatbettbedingungen (Index (Bodenbedeckung 30 %) verglichen werden. KSB) bzw. Mulchdirektsaat (Index MDS) = Die Lösung erfolgt mit dem Dreiecksgang- mit t 21 bzw. t 68 min. C,KSB = C,MDS = linienverfahren nach dem skizzierten Vor- Die Berechnung verdeutlicht den Ein- gehen: fuss der Oberfächenrauheit und die 1. Bestimmung der Gebietsmerkmale: Größenordnung der Einfussmöglich- Einzugsgebietsgröße, Verlauf der Wasser- keiten. Als Vergleich wurde die scheide und Bezugspunkt am Hangfuß Konzentrationszeit zusätzlich anhand der sind durch . Abb. 3.6 gegeben. modifzierten Kirpich-Formel (7 Gl. 3.1) 2. Abschätzung der Konzentrationszeit: berechnet. Sie ergibt, da sie der Rauheit Es wird davon ausgegangen, dass sich der Oberfäche und die sich ändernden bei einem Starkregen die typischen, in Bedingungen entlang des Fließpfades . Abb. 3.6 skizzierten Fließpfadmuster unberücksichtigt lässt, einen einheit- aus Schichtabfuss, Abfuss in Rinnen lichen Wert von 30 min. und Rillen und Hangmuldenabfuss 44 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

. Tab. 3.3 Anhand der Geschwindigkeitsmethode geschätzte Fließzeit in Minuten für einen abfusswirksamen Niederschlag von 15 mm in 30 min auf einem 5 ha großen Feld in den unterschiedlichen Fließabschnitten (s. . Abb. 3.6). Die Konzentrationszeit ergibt sich aus der Summe der einzelnen Abschnitte

Fließabschnitt Konventionelles Mulchdirektsaat (MDS) Anmerkung Saatbett (KSB) (Bedeckung = 30 %) 3 (Bedeckung < 5 %)

Schichtabfuss 11,8 44,7 MDS rauer und daher langsamer und längere Wegstrecke Rinnen und 4,5 19,5 MDS rauer und daher langsamer Rillen und längere Wegstrecke Hangmulde 3,3 1,9 MDS kürzer, da Gesamtfeldlänge identisch Graben 1,6 1,9 MDS langsamer, da langsamere Anlieferung von oben Konzentrations- 21 68 zeit

3. Bestimmung der maßgebenden konventionellen Saatbett noch knapp Bemessungsniederschlagshöhe: 10 min zur Konzentrationszeit hinzu, Entsprechend der ermittelten sodass die Gesamtdauer des Regens, Konzentrationszeiten werden KOSTRA- der den größten Abfussscheitel erzeugt, Werte der Dauerstufe 30 und 120 min 30 min beträgt, was genau der gewählten jeweils für ein Wiederkehrintervall Dauerstufe entspricht. Im Fall der Mulch- von 30 Jahren als Bemessungsnieder- direktsaat kämen noch ca. 40 min für schlagshöhen verwendet. Es ergeben die Anfangsverluste hinzu, sodass der sich N 34 bzw. N 48 mm. größte Abfussscheitel bei einem Regen B,KSB = B,MDS = Der Regen, bei dem das konventionelle von ca. 108 min Dauer zu erwarten wäre. Saatbett den höchsten Abfussscheitel Auch in dem Fall wäre also die gewählte produziert, ist also ein anderer, als der, Dauerstufe von 120 min am nächsten der bei Mulchdirektsaat den höchsten dem rechnerisch optimalen Wert, der Abfussscheitel produziert. Es werden aber in KOSTRA nicht enthalten ist. Die also nicht beide Verfahren beim pragmatische Regel, die nächsthöhere gleichen Regen verglichen, sondern Dauerstufe zu wählen, führt also in beide Verfahren bei dem für sie jeweils beiden Fällen zum optimalen Ergebnis. ungünstigsten Regen. Aus der großen Die Regel gilt allerdings nur für kleine Diskrepanz im Bemessungsniederschlag Gebiete, in denen die Konzentrationszeit folgt unmittelbar, dass vielfältige Nutzung nicht durch die Fließzeit in Gerinnen in einem Einzugsgebiet zu niedrigem und Gewässern dominiert wird. In Scheitelabfuss führt, weil ein Regen dann diesen Fällen, bei denen dann auch nicht für alle Flächen gleichermaßen die Konzentrationszeit größer als zwei ungünstig sein kann. Anmerkung: Stunden wird, ist die Dauer der Anfangs- Würde man genauer rechnen und die verluste meist zu vernachlässigen. Zeit des Anfangsverlustes auch noch 4. Die Abfusshöhe wird mit dem mitberücksichtigen, kämen beim CN-Verfahren ermittelt. Als 45 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

1 Modelleingangsgrößen dienen die abfusshöhen von qP,KSB 201 l s− und 1 = unter (3) genannten Niederschlags- q 77 l s− , was einer Minderung P,MDS = höhen, der CN-Wert für konventionellen durch Mulchdirektsaat von rund 60 % Mais, wie er Ende Mai bei der hydro- entspricht. Zur besseren Übersicht logischen Bodengruppe C zu erwarten sind Zwischenwerte und Ergebnisse in ist (82; . Tab. 4.2). Bei Mulchdirektsaat . Tab. 3.4 zusammengestellt. Aus der könnte die Bedeckung Ende Mai schon Gegenüberstellung der beiden Varianten von > 30 % auf < 30 % gesunken sein. (sehr geringe vs. hohe Bedeckung) wird Für eine Bodenbedeckung von 28 % auch der Einfuss deutlich, der mit der beträgt der CN-Wert 72 (. Abb. 4.3). Bewirtschafung genommen werden kann. Damit ergeben sich Abfusshöhen von Um die Unsicherheit und die Sensitivität N 6,6 bzw. N 6,3 mm, was der Ergebnisse gegenüber den Modell- ef,KSB = ef,MDS = Abfussbeiwerten von Ψ 0,19 bzw. annahmen einschätzen zu können, sollten KSB = Ψ 0,13 entspricht. immer einige Varianten gerechnet und MDS = 5. Die Abschätzung der Ablaufzeit erfolgt verglichen werden, z. B. durch die Wahl nach . Tab. 3.2. Für beide Fälle wird anderer Starkregenwiederkehrintervalle, einheitlich der Formfaktor F 1,5 Formfaktoren zur Bestimmung der = gewählt, wodurch sich t 32 bzw. Ablaufzeit oder Modellparameter bei der fal,KSB = t 102 min ergeben. Bestimmung der Konzentrationszeit und fal,MDS = 6. Einsetzen der ermittelten Werte beider Abfusshöhe. Varianten in 7 Gl. 3.3 ergibt Scheitel-

. Tab. 3.4 Zusammenfassung der Parameter und Berechnungsschritte zur Ermittlung der Scheitel- abfusshöhe mithilfe des Dreiecksganglinienverfahrens unterhalb einer 5 ha großen Ackerfäche bei einem Starkregen, der nur alle 30 Jahre zu erwarten ist. Dargestellt sind die Berechnungen für Mais unter Bedingungen, wie sie Ende Mai zu erwarten sind, bei zwei Anbauvarianten, nämlich konventioneller Saat- bettbereitung (Bedeckung < 5 %) und Mulchdirektsaat (angenommene Bodenbedeckung: 28 %)

Arbeits- Parameter Symbol Einheit Konventionelles Mulch- schritt Saatbett direktsaat

(1) Gebietsgröße AEZG ha 5 5

(2) Konzentrationszeit tC min 21 68 (Geschwindigkeitsmethode)

1 (3) Gewähltes KOSTRA Tn 1 a− 30 30 Starkregenwiederkehrintervall Maßgebende Niederschlags- D min 30 120 dauerstufe

Maßgebende Niederschlagshöhe NB mm 34 48 (4) Gesamtabfussbeiwert (CN-Ver- Ψ – 0,19 0,13 fahren)

Abfusshöhe Neff mm 6,6 6,3 (5) Ablauffaktor F – 1,5 1,5

Ablaufzeit tfal min 32 102 1 (6) Scheitelabfusshöhe qP l s− 201 77 46 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

3.2.2 Das 2,5 Einheitsganglinienverfahren 2,0

Im Gegensatz zum Dreiecksganglinien- 1,5

verfahren, mit dem nur die Scheitelhöhe ) -1 bestimmt werden kann, erlaubt das Einheits- 1,0 3 ganglinienverfahren die Konstruktion einer kompletten Abfussganglinie, die das hydro- 0,5 logische Verhalten von Einzugsgebieten 0 widerspiegelt. Im Prinzip können damit 050100 150 selbst komplexe Regen und komplexe Ein- 2,5 zugsgebiete nachgebildet werden. Gleich- Einheitsganglinien zeitig ist das Verfahren einfach genug, um für 2,0 Planungen eingesetzt zu werden. Mit ihm lässt sich der Einfuss von Landnutzung, Klima- 1,5 wandel oder Infrastrukturmaßnamen auf das Ab uss- 1,0 ganglinie

Abfussverhalten abschätzen, und es ermög- Ab usswirksamer Niederschlag (mmmin licht die Planung und Dimensionierung von 0,5 Hochwasserschutzmaßnahmen. Das Konzept der Einheitsganglinie basiert 0 050100 150 auf Sherman [5] und ist seit vielen Jahr- Zeit (min) zehnten weltweit verbreitet. Mathematisch kann es über unterschiedliche Ansätze dar- . Abb. 3.7 Beispielhafte Darstellung, wie aus einem gestellt werden [15]. In Deutschland haben 2-stündigen Regen mit variabler Intensität (Balken vor allem analytische Formen, sogenannte unterschiedlicher Höhe) (oben) mithilfe einzelner, lineare Speicherkaskaden, Eingang in die entsprechend der Höhe des abfusswirksamen Nieder- schlags skalierter Einheitsganglinien (dünne schwarze wasserwirtschafliche Praxis gefunden [17, Linien) eine Abfussganglinie (dicke schwarze Linie) 18]. In Süddeutschland ist heute vor allem die konstruiert wird (unten). Die Niederschlagseingangs- Adaption von Lutz verbreitet [12, 16, 19], in impulse und die daraus resultierende Abfussantwort (vor-)alpinen Gebieten wird of die analytische wurden jeweils im gleichen Blauton gezeichnet, Lösung der SCS-Einheitsganglinie [20] ver- um die zeitliche Zugehörigkeit zwischen Eingangs- (Niederschlag) und Ausgangssignal (Abfuss) zu verwendet. International ist das Verfahren des anschaulichen amerikanischen NRCS bedeutsam [3, 21], das hier beschrieben wird. übersetzt wird. Bei dem Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Abfussantwort linear 3.2.2.1 Grundlagen und von der Höhe des Niederschlagsimpulses Defnitionen abhängt. Bei einer abfusswirksamen Nieder- Die Modellvorstellung des Einheitsgang- schlagshöhe von 2 mm ist die Abfussantwort linienverfahrens (EGL-Verfahren) beruht daher doppelt so hoch, bei 3 mm dreimal darauf, dass aus einem abfießenden Nieder- so hoch, wie bei 1 mm. Aus den einzelnen, schlagsteil von 1 mm und Dauer ∆D immer zeitlich versetzten Einheitsganglinien kann die gleiche, für einen Bezugspunkt typische, durch Überlagerung und Addition (Super- über die Zeit verteilte Abfussreaktion ent- position) schließlich die Abfussganglinie des steht. Eine Einheitsganglinie beschreibt daher, Gebietes bzw. des Gesamtregens konstruiert wie innerhalb eines Gebietes ein Nieder- werden (mathematisch handelt es sich um ein schlagseingangsimpuls in eine Abfussantwort Faltungsintegral) (. Abb. 3.7). 47 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

3.2.2.2 Ableitung gebietsspezi Volumens auf der steigenden und 62,5 % auf fscher Abfussganglinien der fallenden Seite liegen. Dadurch verfügt aus dimensionslosen Ein die DEGL über eindeutig defnierte Eigen- heitsganglinien schafen und sie kann vereinfacht als Dreieck Dieses Kapitel stellt das vom amerikanischen mit äquivalenten Einheiten bzw. Volumen und NRCS verwendete Verfahren vor [3, 21]. Dabei Volumenanteilen dargestellt werden. Letzteres wird die gebietsspezifsche Einheitsganglinie birgt den Vorteil, dass sich die Basislänge des (EGL) aus einer dimensionslosen Einheitsgang- Dreiecks und die Scheitelhöhe geometrisch linie (DEGL) abgeleitet. Das Vorgehen hat sich bestimmen lassen. Umgekehrt können diese Zusammenhänge genutzt werden, wenn q in kleinen landwirtschaflichen Einzugsgebieten P und t bekannt sind, um aus der DEGL eine und in Kombination mit der Geschwindigkeits- P methode zur Abschätzung der Konzentrations- spezifsche EGL für beliebige Gebiete abzuleiten, indem q/q mit q und t/t mit t zeit über viele Jahrzehnte bewährt. P P P P Das Verfahren des NRCS fußt auf einer multipliziert werden. DEGL, die experimentell aus einer Fülle Damit unter dem Dreieck der Gesamt- abfuss Q 1 wird, muss das Ende der Drei- unterschiedlicher Einzugsgebiete und Ein- = heitsganglinien abgeleitet wurde und die als ecksganglinie aus geometrischen Gründen „Konstruktionsgrundlage“ zur Ableitung beim 2,67-Fachen der Scheitelanstiegszeit beliebiger, gebietsspezifscher EGLs verwendet liegen. Aus der Dreiecksform lässt sich weiter- werden kann. Die DEGL wurde dimensions- hin eine Gleichung zur Bestimmung der los formuliert, indem alle Abfusswerte durch Scheitelhöhe ableiten. Für die Berechnung den Scheitelabfuss (q ) und alle Zeitinkre- der Dreiecksfäche, die der Abfusssumme (Q) P entspricht, gilt: mente durch die Scheitelanstiegszeit (tP) dividiert wurden. Dadurch liegt der Scheitel- 1 1 1 Q = q t + q t = q t + t abfuss bei q t 1 (. Abb. 3.8). Die Form 2 p p 2 p fal 2 p p fal P = P = der DEGL ist so festgelegt, dass 37,5 % ihres (3.4)

1,0 D Dimensionslose 0,8 Einheitsganglinie (-) Dimensionslose ges q 0,6 P Dreiecksganglinie

Summenkurve Ab usswirksame Ab usswirksamer 0,4 Einheitsniederschlag (-) bzw. Q/Q Niederschlagshöhe (mm) P

q/ q 0,2

0 012345 tP tfal tges

t/tP (-)

. Abb. 3.8 Dimensionslose Einheitsganglinie, Dreiecksganglinie und Summenkurve. Die Abfusswerte (q) wurden durch die Scheitelhöhe (qP), die Abfusssummen (Q) durch den Gesamtabfuss (Qges) und die Zeitinkre- mente t durch die Scheitelanstiegszeit (t ) dividiert, wodurch q t Q 1. Zusätzlich gekennzeichnet sind P P = P = ges = die Zeit des fallenden Wellenastes (tfal), die Breite der Dreiecksganglinie (tges) und die Dauer des abfusswirksamen Einheitsniederschlags (∆D) (verändert nach NRCS 2007) 48 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

Aufgelöst nach dem Scheitelabfuss resultiert: resultieren unweigerlich in einer Veränderung des Umrechnungsfaktors. Aus amerikanischen 2Q 2 Q q = = · Einzugsgebieten ist bekannt, dass K in fachen p tfal (3.5) tp + tfal 1 + tp tp Einzugsgebieten mit hoher Gebietsfeuchte (z. B. Moore) deutlich niedriger und in steilen, Der linke Term dieser Gleichung lässt sich alpinen Gebieten höher sein kann [3]. Die 3 nun als dimensionsloser Formparameter K (–) Verwendung einer vom Standard abweichend formulieren: defnierten dimensionslosen Einheitsgang- linie, z. B. zur Abbildung spezieller Ver- 2 K = hältnisse, ist daher möglich, setzt aber eine 1 + tfal (3.6) tp begründete Wahl der Parameter voraus. Zur Bestimmung der abfusswirk- Gl. 3.5 und 7 kann vereinfacht werden zu samen Niederschlagshöhe (Nef) können K · Q das CN- (vgl. 7 Kap. 4) oder das Lutz-Ver- qp = (3.7) fahren (s. 7 Anhang 8.5) genutzt werden. t p Diese berücksichtigen den Niederschlag und Bei einer DEGL, die 37,5 % ihres Volumens standort- sowie ereignisspezifsche Eigen- auf der steigenden und 62,5 % auf der schafen des Bodens und der Landnutzung.

fallenden Seite hat, ergibt sich der Formpara- Die Scheitelanstiegszeit tP wird üblicher- meter K zu 0,75. Solange sich die Volumen- weise aus der Konzentrationszeit tC des Ein- anteile auf der steigenden bzw. fallenden zugsgebietes abgeleitet. Letztere ist nicht Seite nicht ändern, ist K konstant. Mit K und einheitlich defniert und in der Literatur sind Gl. 3.7 7 kann nun der Scheitelabfuss qP (in zahlreiche Verfahren zur Bestimmung von 3 1 m s− ) eines Gebietes in Abhängigkeit von tC dokumentiert [1]. In Folge variiert die der Scheitelanstiegszeit tP (in h) ermittelt Defnition von tC (und damit von tP) zwischen werden. Der Gesamtabfuss Q wird dabei aus einzelnen Einheitsganglinienverfahren. dem Produkt von Einzugsgebietsfäche A (in Das hier vorgestellte Verfahren defniert km2) und abfusswirksamer Niederschlags- die Scheitelanstiegszeit als Zeit vom

höhe Nef (in mm) bestimmt: Abfussbeginn bis zum Wellenscheitel (vgl. . Abb. 3.5). Abfussbeginn ist, wenn die 0,208 · AEZG · Neff qp = (3.8) Rückhaltemöglichkeiten auf Pfanzen und t p Boden erschöpf sind oder wenn die Nieder- wobei schlagsintensität größer als die Infltrations- 3 1 qp - Scheitelabfuss (m s− ) rate in den Boden ist. Beim CN-Verfahren 0,208 - Umrechnungsfaktor (7 Abschn. 4.3) wird davon ausgegangen, 3 m ·h 3 dass der Abfuss einsetzt, wenn der Regen s = m ·h = m·h km2·mm km2·mm·s km·s 20 % der Maximalretention erreicht hat. Unter abfussfördernden Bedingungen (z. B. A - Einzugsgebietsfäche (km2) EZG wenig Bodenbedeckung) beginnt der Abfuss N - Abfießender Teil des Niederschlags bzw. ef meist nach 10 bis 20 mm Regen (bei einem abfusswirksame Niederschlagshöhe (mm) Niederschlag von 50 mm in 1 h ist dies nach t - Scheitelanstiegszeit (h) p 10, spätestens 20 min der Fall). Weiter wird davon ausgegangen, dass der höchste Abfuss Im Umrechnungsfaktor stecken sowohl an einem Bezugspunkt erreicht wird, wenn die Umrechnung der Einheiten als auch ihm aus dem kompletten Einzugsgebiet der Formparameter K. Veränderungen in Abfuss zufießt. Unter diesen Bedingungen der Form der DEGL, durch Veränderung folgt, dass die Scheitelanstiegszeit der der Volumenanteile auf der steigenden Konzentrationszeit entspricht. Letztere wird bzw. fallenden Seite der Dreiecksganglinie als die Zeit defniert, die Oberfächenabfuss 49 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

benötigt, um von der Wasserscheide bis zu m t Q m t −m einem defnierten Bezugspunkt zu fießen. = e · · e tP (3.9) Q t Das Mittel der Wahl zur Bestimmung P P von t in kleinen Einzugsgebieten ist C wobei die Geschwindigkeitsmethode [13] (vgl. Q/Q - Dimensionsloser Abfuss (–) 7 Abschn. 5.3.3 P ). Sie kann, im Gegensatz t/t - Dimensionslose Zeit (–) zu empirischen Ansätzen, Einfüsse des P e - Eulersche Zahl (2,718) Fließpfades (z. B. Querschnitt oder Rauheit) m - Dimensionsloser Formfaktor der Gammafunktion, und mögliche Veränderungen des Fließpfades wobei sich für m 3,9 eine Kurve ähnlich der = bei anderen Szenarien abbilden. dimensionslosen Einheitsganglinie ergibt Das DEGL-Verfahren erlaubt es, im Gegensatz zum Verhältnisansatz Die wesentliche Stärke des Verfahrens liegt (s. 7 Anhang 8.3), den Einfuss komplexer darin, dass es prinzipiell für beliebige Gebiete Regen auf die Abfusskurve abzuschätzen. Dazu angewendet werden kann, sobald tP und qP muss der Regen in mehrere Abschnitte ΔD bestimmt wurden. Durch die Abhängigkeit eingeteilt werden, für die getrennt der Abfuss des Verfahrens von diesen Variablen beruht vorhergesagt wird. Anschließend werden es außerdem auf physikalisch gut interpretier- diese Vorhersagen zur Gesamtabfusskurve baren Größen, wodurch Änderungen in der überlagert (. Abb. 3.7). Für die praktische abfusswirksamen Niederschlagshöhe und Anwendung muss das Zeitintervall ΔD (auch Änderungen in der Abfusskonzentration Einheitsniederschlagsdauer genannt) defniert gleichermaßen und unmittelbar abgebildet werden. Die Empfehlung ist, ΔD 0,2 t zu ≤ P werden können. wählen bzw. die Werte in . Tab. 3.5 zu ver- Eine wichtige Voraussetzung für die wenden. Kleine Überschreitungen dieser Ableitung von Abfussganglinien mit dem Empfehlung sind zulässig. ∆D sollte aber EGL-Verfahren ist ein relativ homogenes Ein- nicht größer als 0,25 tP sein, da andernfalls die zugsgebiet. Falls das Einzugsgebiet aus unter- Form der DEGL und insbesondere der meist schiedlichen Teileinzugsgebieten besteht, kurze, ansteigende Ast der Abfusswelle nicht die hinsichtlich Größe, Form und Scheitel- mehr adäquat abgebildet wird (die zeitliche anstiegszeit stark voneinander abweichen, Aufösung der DEGL ist mit 0,1 tP defniert, sollten die Teileinzugsgebiete zunächst s. . Tab. 3.6). Beispiel: Bei ∆D 0,3 t würde = P getrennt betrachtet und individuelle Einheits- nur noch jeder dritte Punkt der DEGL zur ganglinien ermittelt werden. Diese können Ableitung der EGL herangezogen und in Folge dann in einem zweiten Schritt kombiniert eine ungleichmäßige Ganglinie mit schlecht werden, um eine Einheitsganglinie für das defniertem Scheitel entstehen. Gesamtgebiet abzuleiten (. Abb. 3.9). Die Die Werte der dimensionslosen Einheits- Aufeilung eines großen in mehrere kleine ganglinie können . Tab. 3.6 entnommen oder Gebiete ist allerdings sorgfältig abzuwägen. über eine Gammafunktion angenähert werden Da die Konzentrationszeit kleinerer Teilein- (7 Gl. 3.9), die eine sehr hohe Ähnlichkeit mit zugsgebiete geringer ist als die des Gesamt- dem Verlauf der DEGL aufweist. gebietes, entstehen mehrere, stärker gestauchte

. Tab. 3.5 Empfohlene Dauer des Einheitsniederschlags (∆D) in Abhängigkeit von der Konzentrations-

zeit des Oberfächenabfusses (tC) im Einzugsgebiet

Konzentrationszeit (tC) min < 60 60–120 120–180 > 180 Empfohlene Dauer (∆D) min 5 10 20 30 50 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

. Tab. 3.6 Zeit- und Abfusswerte der dimensionslosen Einheitsgangline (DEGL). Die Werte wurden dimensions-

los defniert, indem die Zeit t durch die Konzentrationszeit (tC) des Gebietes und der Abfuss (q) durch den Scheitel- abfuss (qP) dividiert wurden. Die Form der DEGL entspricht näherungsweise einer Gammafunktion mit Formfaktor m = 3,9 (7 Gl. 3.9), deren Werte, zur Veranschaulichung der Ähnlichkeit, in der 3. Spalte dargestellt sind

Dimensionslose Dimensionsloser Gammafunktionswert Dimensionslose Zeit (t t 1) Abfuss (q q 1) (bei m 3,9) Abfusssumme (Q Q 1) 3 C− P− = a − 0 0 0,00 0 0,1 0,03 0,00 0,001 0,2 0,10 0,04 0,006 0,3 0,19 0,14 0,017 0,4 0,31 0,29 0,035 0,5 0,47 0,47 0,065 0,6 0,66 0,65 0,107 0,7 0,82 0,80 0,163 0,8 0,93 0,91 0,228 0,9 0,99 0,98 0,300 1 1 1 0,375 1,1 0,99 0,98 0,450 1,2 0,93 0,93 0,522 1,3 0,86 0,86 0,589 1,4 0,78 0,78 0,650 1,5 0,68 0,69 0,705 1,6 0,56 0,60 0,751 1,7 0,46 0,52 0,790 1,8 0,39 0,44 0,822 1,9 0,33 0,37 0,849 2,0 0,280 0,30 0,871 2,2 0,207 0,20 0,908 2,4 0,147 0,13 0,934 2,6 0,107 0,08 0,953 2,8 0,077 0,05 0,967 3,0 0,055 0,03 0,977 3,2 0,040 0,02 0,984 3,4 0,029 0,01 0,989 3,6 0,021 0,01 0,993 3,8 0,015 0,00 0,995 4,0 0,011 0,00 0,997 4,5 0,005 0,00 0,999 5,0 0 0 1 51 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

Teilgebiet A Teilgebiet B

tP = 1 h tP = 2,7 h D= 0,2 h D= 0,5h 3 -1 3 -1 qP = 0,5 m s qP = 0,2 m s 2 2 AEZ G = 1,9 km AEZ G = 2,5 km 0,6 0,6 EGL Gebiet A EGL Gebiet B 0,5 0,5 ) -1

s 0,4 0,4 3

(m 0,3 0,3

0,2 0,2 Abfluss 0,1 0,1

0 0 02468 02468 Zeit (h) Zeit (h) 0,6 EGL Gebiet A 0,5 EGL Gebiet B

) EGL A+EGL B -1

s 0,4 3

(m 0,3

0,2 Abfluss 0,1

0 024 6 8 Zeit (h)

. Abb. 3.9 Schematische Darstellung eines Einzugsgebietes, das aus zwei ungleichförmigen Teileinzugs- gebieten mit voneinander abweichenden Scheitelanstiegszeiten besteht (oben). Entsprechend den Gebiets- eigenschaften resultieren unterschiedliche Einheitsganglinien (EGL A bzw. EGL B) (Mitte), die überlagert und zu einer Einheitsganglinie für das Gesamtgebiet (EGL A + EGL B) kombiniert wurden (unten). (verändert nach [3])

Einheits- und in Folge Abfussganglinien mit zwar korrekt beschrieben, die Reaktion des höherem Scheitel. Die Abfussreaktion der Gesamtgebietes kann allerdings nicht mehr Teileinzugsgebiete wird durch dieses Vorgehen ohne Weiteres aus den Abfussganglinien 52 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

der Teileinzugsgebiete (z. B. durch Addition) Ermittlung der Konzentrationszeit, die hier gebildet werden. Sowohl die Abfachung der mit t 2 h gegeben ist, aber mithilfe der C = Welle entlang der Fließstrecke, die Retention Geschwindigkeitsmethode (s. 7 Abschn. 5.3.3) in der Fläche als auch die Verbreiterung der ermittelt werden könnte. . Tab. 3.7 fasst die Welle im Hauptgerinne durch einen seitlichen erforderlichen Kenngrößen zusammen. Zufuss können erheblich sein. Konzeptionell Zur Ableitung der Abfussganglinie wird 3 wird die Verwendung von Einheitsgang- zunächst die Einheitsganglinie (EGL) des linienverfahren für räumlich diferenzierte Gebietes durch Skalierung der dimensions- Modellierungen daher schnell anspruchsvoll. losen Einheitsganglinie (DEGL) mit dem

Aus der praktischen Anwendungen von gebietsspezifschen Scheitelabfuss (qP) und Einheitsganglinienverfahren ist bekannt, der gebietsspezifschen Scheitelanstiegszeit

dass die Unsicherheit einer solchen ein- (tP) ermittelt. Im Anschluss wird eine Gang- fachen Niederschlag-Abfuss-Modellierung linie des abfusswirksamen Niederschlags selten kleiner als 25 % ist [12]. Ursache sind abgeleitet und auf die EGL angewendet. die konzeptionellen Annahmen, die dem Durch Überlagerung der Einzelwellen wird EGL-Verfahren und der Geschwindigkeits- schließlich die Abfusswelle ermittelt. Das methode zugrunde liegen, als auch Unsicher- Vorgehen gliedert sich in fünf Teilschritte:

heiten in der praktischen Bestimmung von tP und qP. z Teilschritt 1: Ableitung der Einheitsgang- linie aus der dimensionslosen Einheits- 3.2.2.3 Anwendungsbeispiel ganglinie

Zur Illustration wird die Abfussganglinie Zunächst müssen tP und qP bestimmt eines 2,5 km2 großen Einzugsgebietes für werden, um die dimensionslose Ein- einen Regen mit 70 mm in 4 h konstruiert. heitsganglinie zu skalieren. Für kurze, Diese Niederschlagshöhe entspricht in vielen schauerartige Starkregen kann die Scheitel- Regionen einem etwa 100-jährlichen Stark- anstiegszeit der Konzentrationszeit gleich- regenereignis. Das Einzugsgebiet ist land- gesetzt werden. Dadurch ist tP bekannt wirtschaflich geprägt, weshalb von einem und die Dauer des Einheitsniederschlags, Gesamtabfussbeiwert von Ψ 0,4 (–) aus- ∆D, kann bestimmt werden. ∆D legt den = gegangen wird. Eine gebietsspezifsche Rechenzeitschritt und die zeitliche Auf- Bestimmung von Ψ wäre mit dem CN-Ver- lösung der Niederschlags- und Abfussgang- 7 Abschn. 4.3 linie fest. Nach . Tab. 3.5 wird für t t 2 fahren (vgl. ) oder dem Ansatz P = C = von Lutz (7 Anhang 8.5) möglich, wird hier h, ein ∆D von 10 bis maximal 20 min aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht empfohlen. 20 min entsprechen also der im Detail durchgeführt. Gleiches gilt für die gröbstmöglichen zeitlichen Aufösung, bei

. Tab. 3.7 Kenngrößen des Einzugsgebietes und des Bemessungsniederschlags

Parameter Einheit Wert

2 Gebietsgröße AEZG km 2,5 Gesamtabfussbeiwert Ψ – 0,4

Konzentrationszeit tC h 2

Bemessungsniederschlagshöhe NB mm 70 Bemessungsniederschlagsdauer D h 4 Zeitliche Niederschlagsverteilung – Mittenbetont (s. 7 Anhang 8.4.5) 53 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen der eine Skalierung der DEGL gerade noch z Teilschritt 2: Erstellung der akzeptabel ist. Zu genaueren Ergebnissen Efektivniederschlagsganglinie führt ∆D 10 min (entspricht 0,167 h). Anhand des Gesamtabfussbeiwertes von = Mit der Scheitelanstiegszeit t , der Ψ 0,4 und der Bemessungsniederschlags- P = Gebietsgröße A und 7 Gl. 3.8 kann der höhe von N 70 mm in 4 h wird nun mit B = Scheitelabfuss der Einheitsganglinie für eine der Aufösung ∆D eine abfusswirksame Efektivniederschlagshöhe von N 1 mm Niederschlagsganglinie erstellt. Dazu wird ef = ermittelt werden: zunächst die abfusswirksame Niederschlags- · · · · höhe (N ) ermittelt. 0,208 A Neff 0,208 2,5 1 3 −1 ef qp = = = 0,26 m s tp 2 Neff = NB · Ψ = 70 · 0,4 = 28 mm

Damit lässt sich nun eine gebietsspezi- Zur Ableitung der Nef-Ganglinie wird von fsche Einheitsganglinie ableiten, indem die einem mittenbetonten Verlauf des Efektiv- dimensionslose Zeit und der dimensionslose niederschlags ausgegangen. Das heißt, in den ersten 30 % der Niederschlagsdauer Abfuss der DEGL mit tP bzw. qP multipliziert werden (. Tab. 3.8). fallen 20 % der Niederschlagssumme, in

. Tab. 3.8 Ableitung der gebietsspezifschen Einheitsganglinie (EGL) aus der dimensionslosen Ein-

heitsganglinie (DEGL) durch Multiplikation der dimensionslosen Zeiten mit tP und der dimensionslosen Abfusswerte mit qP

1 1 3 1 1 1 3 1 t tP− (–) q qP− (–) Zeit (h) EGL (m s− ) t tP− (–) q qP− (–) Zeit (h) EGL (m s− ) (1) (2) (3) (4) Fortsetzung

0 0,00 0 0,00 1,7 0,52 2,2 0,13 0,1 0,00 0,1 0,00 1,8 0,44 2,3 0,11 0,2 0,04 0,3 0,01 1,9 0,37 2,4 0,10 0,3 0,14 0,4 0,04 2 0,30 2,6 0,08 0,4 0,29 0,5 0,08 2,1 0,25 2,7 0,06 0,5 0,47 0,6 0,12 2,2 0,20 2,8 0,05 0,6 0,65 0,8 0,17 2,3 0,16 3 0,04 0,7 0,80 0,9 0,21 2,4 0,13 3,1 0,03 0,8 0,91 1 0,24 2,5 0,10 3,2 0,03 0,9 0,98 1,2 0,25 2,6 0,08 3,3 0,02 1 1,00 1,3 0,26 2,7 0,06 3,5 0,02 1,1 0,98 1,4 0,26 2,8 0,05 3,6 0,01 1,2 0,93 1,5 0,24 2,9 0,04 3,7 0,01 1,3 0,86 1,7 0,22 3 0,03 3,9 0,01 1,4 0,78 1,8 0,20 3,1 0,02 4 0,01 1,5 0,69 1,9 0,18 3,2 0,02 4,1 0,00 1,6 0,60 2,1 0,16 54 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

. Tab. 3.9 Aufteilung des Effektivniederschlags von N = 28 mm in D = 4 h in einen mittenbetonten Ver- lauf (s. auch 7 Anhang 8.4). Als Kontrolle wurden in der untersten Zeile die Spaltensummen ergänzt

Relative Relativer Niederschlags- Absolute Absoluter Niederschlags- Intervalldauer (%) anteil (%) Intervalldauer (h) anteil (mm)

0,3 0,2 1,2 5,6 3 0,2 0,5 0,8 14 0,25 0,15 1 4,2 0,25 0,15 1 4,2 1 1 4 28

den nächsten 20 % der Niederschlags- übertragen. Bei Bedarf wird zwischen einzel- dauer 50 % und im dritten und vierten nen Zeitschritten interpoliert. Viertel der Niederschlagsdauer je 15 % der Niederschlagssumme (vgl. auch 7 Anhang z Teilschritt 4: Plausibilitätskontrolle 8.4.5). Angewendet auf den konkreten Fall Zur Kontrolle kann an dieser Stelle das ergibt sich für das erste Bemessungsinter- Volumen unter der Einheitsganglinie (Spalte vall von 4 h ∙ 0,3 1,2 h Dauer eine Menge . Tab. 3.10 ∆ = 3 in ) ermittelt und mit D multi- von 28 mm ∙ 0,2 5,6 mm. Für das zweite = pliziert werden: Bemessungsintervall von 4 h ∙ 0,2 0,8 h = 4,03 m3s−1 · 0,167 h = 0,67 m3s−1h Dauer resultiert eine Menge von 28 mm ∙ 0,5 14 mm, usw. (. Tab. 3.9). = Für einen Niederschlag von 1 mm muss Um eine Nef-Ganglinie in der gewünschten der resultierende Wert mit dem Produkt zeitlichen Aufösung zu erzeugen, wird aus dem Umrechnungsfaktor aus 7 Gl. 3.8 die abfusswirksame Niederschlags- und der Gebietsgröße, dividiert durch den summe im Bemessungsintervall durch dimensionslosen Formparameter K aus ∆ die Anzahl der D-Intervalle geteilt. Bei- 7 Gl. 3.6 übereinstimmen: spiel: Das erste Bemessungsintervall besteht 3 −1 2 aus 1,2 h/0,167 h 7,2 Intervallen mit einer m s h 2,5 km − = 0,208 · · 1 mm = 0,69 m3s 1h Dauer von ∆D 10 min (≙0,167 h). Inner- km2 mm 0,75 = halb dieser Zeitschritte fießen jeweils 5,6 mm/7,2 0,78 mm Niederschlag ab. Die Der Unterschied der beiden Werte beträgt = Ermittlung der abfusswirksamen Niederschlags- knapp 3 %. Diferenzen von bis zu 5 % höhen für die anderen Zeitschritte erfolgt ana- können toleriert werden. Bei größeren log. Spalte 2 in . Tab. 3.10 zeigt die ermittelten Abweichungen sollte die zeitliche Aufösung Werte in einem tabellarischen Rechenschema angepasst werden, bis die Volumina hin- mit Intervallen von ∆D 10 min. reichend genau übereinstimmen. = z Teilschritt 3: Übertragung der Einheits- z Teilschritt 5: Berechnung der Ganglinie ganglinienwerte Nun wird für jeden Zeitschritt der Gang- Für die vorgegebenen Zeitintervalle linie von Nef eine Abfussreaktion berechnet. werden nun die entsprechenden EGL- Dazu wird Nef eines Zeitschritts durch Werte ermittelt. Dazu werden die Werte Multiplikation mit den Werten der Ein- aus . Tab. 3.8 (Spalte 4) nach . Tab. 3.10 heitsganglinie auf die folgenden Zeitschritte 55 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

. Tab. 3.10 Erstellung eines Rechenschemas mit einer einheitlichen zeitlichen Aufösung von

∆D = 10 min (=0,167 h). Die Spalten zeigen die Zeit (1), die abfusswirksame Niederschlagshöhe (Neff) (2) sowie den entsprechenden Einheitsganglinienwert (3)

3 1 3 1 Zeit (h) Nef (mm) EGL (m s− ) Zeit (h) Nef (mm) EGL (m s− ) (1) (2) (3) (1) (2) (3)

0,00 0,00 0,00 3,33 0,70 0,14 0,17 0,78 0,00 3,50 0,70 0,12 0,33 0,78 0,01 3,67 0,70 0,11 0,50 0,78 0,02 3,83 0,70 0,09 0,67 0,78 0,05 4,00 0,70 0,08 0,83 0,78 0,08 4,17 0,0 0,07 1,00 0,78 0,12 4,33 0,0 0,06 1,17 0,78 0,16 4,50 0,0 0,05 1,33 2,49 0,20 4,67 0,0 0,04 1,50 2,92 0,22 4,83 0,0 0,03 1,67 2,92 0,24 5,00 0,0 0,03 1,83 2,92 0,26 5,17 0,0 0,02 2,00 2,92 0,26 5,33 0,0 0,02 2,17 0,70 0,26 5,50 0,0 0,01 2,33 0,70 0,25 5,67 0,0 0,01 2,50 0,70 0,23 5,83 0,0 0,01 2,67 0,70 0,22 6,00 0,0 0,01 2,83 0,70 0,20 6,17 0,0 0,01 3,00 0,70 0,18 6,33 0,0 0,01 3,17 0,70 0,16 6,50 0,0 0,00 verteilt (Spalte 3 in . Tab. 3.10). Dies wird über die Zeit die Abfussganglinie (Spalte 14 für alle Zeitschritte des Niederschlags in . Tab. 3.11), die in . Abb. 3.10 zusammen wiederholt (Spalten 3 bis 13 in . Tab. 3.11). mit Verlauf des Efektivniederschlags dar- Und schließlich werden alle so erhaltenen gestellt ist. Abfüsse der verschiedenen Niederschlags- Das Gesamtvolumen des Abfusses ergibt zeitschritte, die zum gleichen Zeitpunkt sich aus der Summe von Q multipliziert mit fießen (d. h. in einer gemeinsamen Zeile in ∆D. . Tab. 3.11 stehen), aufsummiert und bilden 56 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

. Tab. 3.11 Illustration des Rechenschemas zur Ermittlung der Abfussganglinie (Q) aus der Zeitreihe des

abfusswirksamen Niederschlags (Neff) und der Einheitsganglinie (nicht dargestellt) für die ersten neun Zeit- intervalle. Zur besseren Lesbarkeit wird auf eingeklammerte Zeilen- (Z) und Spaltennummern (S) verwiesen.

Die Neff-Ganglinie aus . Tab. 3.10 ist im Kopfbereich dargestellt (Zeile 1–3, Spalte 3–13). Aus ihr entsteht durch Multiplikation mit den Werten der Einheitsganglinie (vgl. . Tab. 3.8 Spalte 4) in jedem Zeitintervall eine Abfuss- reaktion (Zeile 5–40, Spalte 3–13). Die einfach umrahmten Zellen markieren die Abfussreaktion im ersten Inter- 3 1 vall, umgerechnet in m s− . Die doppelt umrahmten Zellen sind der Abfuss, der im dritten Zeitschritt entsteht. 3 Die dreifach umrahmten Zellen sind der Abfuss des fünften Zeitschritts. Die Abfussreaktionen der einzelnen Zeitintervalle (Zeile 5–40) ergeben zusammen (Spaltensummen) die Abfussganglinie am Ende des Fließpfades (Spalte 14). Für die technische Umsetzung dieser Rechenoperation bieten sich Tabellenkalkulationsprogramme an. Dort kann die Umsetzung eleganter und ohne die vielen „Hilfsspalten“, z. B. über Summenproduktformeln, erfolgen oder über analytische Näherungen [z. B. 19, 20]

Z/S(1) (2)(3) (4)(5) (6)(7) (8)(9) (10) (11) (12) (13) (14)

(1)I 123456789…25

(2)Zeit (h) 0,17 0,33 0,50,670,831,0 1,17 1,33 1,5

(3)Neﬀ (mm) 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 2,49 2,92 …0,7

(4)IZeit (h) Abﬂussreakonen in den einzelnen Intervallen Q (m³s-1)

(5)0 0,00 0,00 0,00

(6)1 0,17 0,00 0,00 0,00

(7)2 0,33 0,01 0,00 0,00 0,01

(8)3 0,50 0,02 0,01 0,00 0,00 0,03

(9)4 0,67 0,04 0,02 0,01 0,00 0,00 0,06

(10) 50,830,060,040,020,010,000,000,13

(11) 61,000,100,060,040,020,010,000,000,22

(12) 71,170,130,100,060,040,020,010,000,000,35

(13) 81,330,150,130,100,060,040,020,010,000,000,50

(14) 91,500,170,150,130,100,060,040,020,020,00…

(15) 10 1,67 0,19 0,17 0,15 0,13 0,10 0,06 0,04 0,06 0,02

(16) 11 1,83 0,20 0,19 0,17 0,15 0,13 0,10 0,06 0,12 0,07

(17) 12 2,00 0,20 0,20 0,19 0,17 0,15 0,13 0,10 0,21 0,14

(18) 13 2,17 0,20 0,20 0,20 0,19 0,17 0,15 0,13 0,30 0,24

(19) 14 2,33 0,19 0,20 0,20 0,20 0,19 0,17 0,15 0,40 0,36

(20) 15 2,50 0,18 0,19 0,20 0,20 0,20 0,19 0,17 0,49 0,47

(Fortsetzung) 57 3 3.2 · Methoden zur Abschätzung von Abfussscheitel und -volumen

. Tab. 3.11 (Fortsetzung)

(21) 16 2,67 0,17 0,18 0,19 0,20 0,20 0,20 0,19 0,56 0,57

(22) 17 2,83 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,20 0,20 0,61 0,65

(23) 18 3,00 0,14 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,20 0,64 0,71

(24) 19 3,17 0,12 0,14 0,15 0,17 0,18 0,19 0,20 0,65 0,75

(25) 20 3,33 0,11 0,12 0,14 0,15 0,17 0,18 0,19 0,64 0,76

(26) 21 3,50 0,10 0,11 0,12 0,14 0,15 0,17 0,18 0,61 0,75

(27) 22 3,67 0,08 0,10 0,11 0,12 0,14 0,15 0,17 0,58 0,72 (28) 23 3,83 0,07 0,08 0,10 0,11 0,12 0,14 0,15 0,54 0,68 (29) 24 4,00 0,06 0,07 0,08 0,10 0,11 0,12 0,14 0,50 0,63

(30) 25 4,17 0,05 0,06 0,07 0,08 0,10 0,11 0,12 0,45 0,58

(31) 26 4,33 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,10 0,11 0,40 0,52

(32) 27 4,50 0,04 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,10 0,35 0,47

(33) 28 4,67 0,04 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,31 0,41

(34) 29 4,83 0,04 0,04 0,05 0,06 0,07 0,27 0,36

(35) 30 5,00 0,04 0,04 0,05 0,06 0,23 0,31

(36) 31 5,17 0,04 0,04 0,05 0,20 0,27

(37) 32 5,33 0,04 0,04 0,17 0,23

(38) 33 5,50 0,04 0,14 0,19

(39) 34 5,67 0,12 0,16

(40) 35 5,83 0,14

(41) …… …… … 58 Kapitel 3 · Wellenablauf – wie sich Abflusswellen aufbauen und wie der Scheitel gemindert werden kann

0 8. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft N eff 1 Abwasser und Abfall (2006) Hydraulische Q Bemessung und Nachweis von Entwässerungs- 2 (mm) systemen. Arbeitsbl DWA-A 118: Hennef 5 3 9. Bronstert A, Agarwal A, Boessenkool B et al ) Niederschlag

-1 (2018) Forensic hydro-meteorological ana- s

3 4 lysis of an extreme fash food: The 2016-05-29

(m event in Braunsbach, SW Germany. Sci Total 3 3 Environ 630:977–991. 7 https://doi.org/10.1016/j. 2 scitotenv.2018.02.241 10. Maniak U (2016) Hydrologie und Wasserwirtschaft.

Abussrate 1 Springer, Berlin 11. Patt H, Jüpner R (2013) Hochwasser-Handbuch Auswirkungen und Schutz. Springer, Berlin 0246810 12. Bayerisches Landesamt für Umwelt (2016) Lose- Zeit(h) blattsammlung Hydrologische Planungsgrund- lagen. Augsburg . Abb. 3.10 Ganglinie des Abfusses (Q) für den 13. Natural Resources Conservation Service (2010)

mittenbetonten Effektivniederschlag (Neff) aus Time of concentration. In: National engineering . Tab. 3.9. Der infltrierende Teil des Bemessungs- handbook. Part 630 hydrology, chapter 15. US niederschlags wurde ebenso wie der Basisabfuss Department of Agriculture, Washington ausgeblendet. Anmerkung: Jeder Zeitschritt des Nieder- 14. Deutscher Wetterdienst (2017) Raster der Wieder- schlags (0,167 h) ist als schmaler Balken dargestellt. kehrintervalle für Starkregen (Bemessungsnieder- Der achte schmale Balken, der einen Zwischenwert schläge) in Deutschland (KOSTRA-DWD), Version einnimmt, kommt daher, dass dieser Zeitschritt einen 2010R. Climate Data Center, Offenbach am Main Teil des ersten Intervalls eines mittenbetonten Nieder- 15. Maidment D (1993) Handbook of hydrology. schlags (erste Zeile in . Tab. 3.9) und einen Teil des McGraw-Hill Education, New York zweiten Intervalls (zweite Zeile in . Tab. 3.9) enthält 16. Lutz W (1984) Berechnung von Hoch- wasserabfüssen unter Anwendung von Gebietskenngrößen. Mitt Inst Hydrol Wasserwirt Literatur 24: Universität Karlsruhe 17. Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau (1982) Arbeitsanleitung zur 1. Gericke OJ, Smithers JC (2014) Review of methods Anwendung von Niederschlag-Abfuß-Modellen used to estimate catchment response time for the in kleinen Einzugsgebieten. Teil I: Analyse. Regeln purpose of peak discharge estimation. Hydrol Sci zur Wasserwirtschaft 112: Paul Parey, Hamburg J 59:1935–1971. 7 https://doi.org/10.1080/026266 18. Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und 67.2013.866712 Kulturbau (1999) Hochwasserabfüsse. Schriften 2. Blume T, Zehe E, Bronstert A (2007) Rainfall-runoff 124: Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und response, event-based runoff coeffcients and Wasser, Bonn hydrograph separation. Hydrol Sci J 52:843–862. 19. Caspary HJ (1987) Näherungslösung für 7 https://doi.org/10.1623/hysj.52.5.843 regionalisierte Einheitsganglinien mit Hilfe 3. Natural Resources Conservation Service (2007) linearer Speicherkaskaden. Wasserwirtschaft Hydrographs. In: National engineering handbook. 77:19–23 Part 630 hydrology, chapter 16. US Department of 20. Caspary HJ (1987) Analytische Lösung für die Agriculture, Washington regionalisierte Einheitsganglinie des U.S. Soil 4. Dyck S, Peschke G (1995) Grundlagen der Hydro- Conservation Service. Wasser & Boden 39:623–626 logie. Verlag für Bauwesen, Berlin 21. Mockus V (1957) Use of storm and watershed 5. Sherman LK (1932) Streamfow from rainfall by the characteristics in synthetic hydrograph analysis unit-graph method. Eng News-Record 108:501–505 and application. American Geophysical Union, 6. Kuichling E (1889) The relation between the Sacramento rainfall and the discharge of sewers in populous districts. Trans Am Soc Civ Eng 20:1–56 7. Cleveland G, Thompson DB, Fang X (2011) Use of the rational and modifed rational methods for hydraulic design. Res Rep 0-6070-1: Texas Tech Center for Multidisciplinary Research in Trans- portation, Lubbock 59 3 Literatur

Abfussentstehung – wie aus Niederschlag Abfuss wird

4.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen – 62 4.2 Bestimmung der abfusswirksamen Niederschlagshöhe – 62 4.3 Das Runof-Curve-Number-Verfahren – 63 4.4 Modellregen für den ländlichen Hochwasserschutz – 74 4.5 Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens – 78 Literatur – 90

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_4 62 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

4.1 Grundprinzipien und Fragen mit überschaubarem Aufwand die wesentliche Einfussgrößen Abfussreaktion abzuschätzen, haben sich daher stark vereinfachte Verfahren etabliert. Oberfächenabfuss entsteht durch Regen, Sie beschränken sich auf wesentliche wenn die Rückhaltemöglichkeiten auf Mechanismen und klammern die Dynamik Pfanzen und Bodenoberfäche erschöpf sind vieler Prozesse aus. und die Infltrationsrate kleiner als die Regen- Zu den wichtigsten etablierten Ansätzen intensität wird. Oberfächenabfuss durch zählen Korrelationsmethoden wie Koaxialdia- 4 Schneeschmelze wird hier nicht behandelt. gramme [1, 2], das Abfussbeiwertverfahren, Die Rückhaltemöglichkeiten von Pfanzen die Horton-Gleichung [3], der Ansatz von Lutz und Bodenoberfäche einschließlich Mulch [4] sowie das international weit verbreitete sind begrenzt (wenige Millimeter). Daher Curve-Number-Verfahren des amerikanischen kommt der Infltrationsrate besondere Soil Conservation Service (SCS) [5, 6], aus Bedeutung zu. Sie sinkt grundsätzlich denen zahlreiche Adaptionen abgeleitet während eines Regens, da das Wasser einen wurden [7–9]. Sie erlauben es, anhand immer größeren Weg im Boden zurücklegen historischer Regenmessungen oder mittels muss und da die Bodenoberfäche zunehmend synthetischer Modell- und Bemessungs- verschlämmt. Wichtige, ereignisspezifsche regen den abfießenden Teil des Niederschlags Einfussgrößen der Infltration sind die Menge (abfuss-efektiver Niederschlag Nef) eines und Intensität des Regens, der verfügbare Gebietes abzuschätzen, der wesentlich für die Speicherraum des Bodens und die Wider- Planung von Wasserrückhaltemaßnahmen standsfähigkeit der Bodenoberfäche gegen- ist. Aus ihm lässt sich durch Multiplikation über Verschlämmung. Die Regenintensität mit der Einzugsgebietsfäche (AEZG) das kann nicht beeinfusst werden. Der Speicher- Abfussvolumen (Q) und unter Berück- raum im Boden hängt von der Korngrößen- sichtigung der Fließzeit die Scheitelhöhe und Porenverteilung und der Bodenfeuchte (qP) einer Abfusswelle abschätzen. Praxis- ab. Im Sommerhalbjahr ist er durch die leitfäden zur Anwendung der genannten Transpiration der Pfanzen meist größer als Methoden existieren in Deutschland seit außerhalb der Vegetationsperiode. Die Ver- den 1980er-Jahren [10, 11]. Vor- und Nach- schlämmung kann durch Bodenbedeckung teile der verschiedenen Ansätze werden unter und stabile Bodenaggregate verzögert werden. anderem von [12–14] diskutiert. Empfohlen Die Einfussmöglichkeiten auf die Abfuss- und genauer vorgestellt wird hier das Curve- bildung sind daher in erster Linie auf die Number-Verfahren, da es einfach, etabliert Landnutzung und (insbesondere auf land- und hinreichend genau ist [15]. Curve Number wirtschaflichen Flächen) die „Gestaltung“ der werden im Folgenden als CN-Werte und das Bodenoberfäche, d. h. die Bedeckung und die Verfahren mit CN-Verfahren bezeichnet. Als Bodenbearbeitung, beschränkt. Alternative ist im 7 Anhang 8.5 das Verfahren von Lutz beschrieben, das in einigen Bundes- ländern in Deutschland verwendet wird. 4.2 Bestimmung der Der Fokus dieses Buches liegt auf der abfusswirksamen Berechnung des höchsten Abfussscheitels, Niederschlagshöhe da hier gleichzeitig die höchsten Wasser- stände aufreten und Maßnahmen zur Hoch- Angesichts der zahlreichen Einfussgrößen wasserminderung üblicherweise an Ihrem ist eine genaue Prognose des abfießenden Potential zur Reduktion des Wasserstands Teils des Niederschlags selbst mit den besten gemessen werden. Da die höchsten Abfuss- Modellen nicht möglich. Um für planerische raten in kleinen Gebieten in der Regel bei 63 4 4.3 · Das Runoff-Curve-Number-Verfahren kurzen Regen mit hohen Intensitäten auf- Die Spannweite möglicher Abfussanteile treten, wird hier das Verfahren vor allem reicht vom vollständigen Abfuss bis zum für solche Fälle beschrieben. Das Verfahren völligen Fehlen eines Abfusses. Dem ersten lässt sich aber ebenso für andere Fragen Fall wird ein CN-Wert von 100 zugewiesen. anwenden; dann sind aber andere Regen zu Dieser Fall ist bei versiegelten Flächen nahezu, betrachten. Viele Fragen beziehen sich eher aber auch bei ofenen Gewässern gegeben. Im auf das Abfussvolumen als auf die Abfuss- zweiten Fall, wenn selbst bei einem unend- rate, z. B. wenn es um die Belastung von lich langen Regen kein Abfuss aufritt, die Gewässern mit gelöstem Phosphat geht oder Gebietsretention also unendlich groß ist, wird um die Frage, wie viel Wasser der landwirt- CN 0 (dies ist nur bei Meeren gegeben). = schaflichen Fläche verloren geht und damit Zwischen den beiden Extremfällen, CN 0 = für die Ertragsbildung fehlt. Im Gegensatz und CN 100, liegen alle Möglichkeiten. = zur maximalen Abfussrate wird das Abfuss- Die maximal mögliche Retention S (in 2 volumen umso größer, je mehr Nieder- L m− mm), die erst bei einem unendlich = schlag fällt. Daher sind für diese Fälle mehr langen Regen ausgeschöpf wird, berechnet die langandauernden Niederschläge von sich aus dem CN-Wert nach: Bedeutung und nicht mehr die kurzen, hochintensiven. Auch auf diese Anwendungen des 100 S = 254 · − 1 (4.1) CN-Modells wird im Folgenden eingegangen, CN wenn auch wesentlich kürzer. Bei Regen, die nicht unendlich lange dauern, wird nur ein Teil dieser Maximalretention 4.3 Das Runoff-Curve-Number- ausgenützt. Der übrige Teil des Regens ist der Verfahren abfusswirksame Niederschlag Nef (ebenfalls in mm):

Das CN-Verfahren zur Abfussprognose für 2 = (N− 0,2 · S) fur¨ 0,2 · Einzelereignisse wurde vom amerikanischen Neff N+ 0,8 · S N > S ¨ (4.2) Soil Conservation Service (SCS) in der Neff = 0fur N ≤ 0,2 · S ersten Hälfe des 20. Jahrhunderts in kleinen, landwirtschaflichen Einzugsgebieten in Anmerkung: In den meisten Publikationen den USA abgeleitet. Hier werden nach wird das Ergebnis dieser Gleichung mit Q einer Beschreibung des Verfahrens ein und nicht mit Nef bezeichnet. Hier wird aus Anwendungsbeispiel gezeigt und verbesserte Gründen der Konsistenz Nef verwendet. So Modellparameter vorgestellt, die die Abfuss- bleibt Q der Abfusssumme eines Einzugs- prognose unter deutschen klimatischen gebietes (Wellenvolumen) vorbehalten, das und landwirtschaflichen Bedingungen ver- sich aus der Multiplikation von Nef mit der 7 Gl. 2.4 bessern. Das Verfahren erlaubt es, eine Viel- Einzugsgebietsfäche AEZG ergibt ( ), zahl von Einfüssen zu berücksichtigen. Für und so wird im Lutz-Verfahren wie im den normalen Planungsfall wird es häufg CN-Verfahren die gleiche Abkürzung für den ausreichen, 7 Gl. 4.1 und 4.2 und die Werte gleichen Parameter verwendet. aus . Tab. 4.2 zu verwenden. Es werden aber Abfuss tritt demnach erst dann auf, zusätzliche Gleichungen angegeben, wenn wenn der Niederschlag mehr als 20 % der Besonderheiten berücksichtigt werden sollen. maximal möglichen Retention beträgt (in Nähere Details zu dem Verfahren sind zu einigen Varianten des Verfahrens wird anstelle fnden in [5, 6]. von 20 % auch 5 % verwendet, z. B. [16]). Mit zunehmendem Niederschlag wird ein immer 64 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

kleinerer Anteil der noch nicht aufgefüllten liegt. Selbst bei Dauerkulturen können lange Retention ausgeschöpf, sodass die Maximal- Brachephasen aufreten. Extremfall wäre hier retention S dann im Unendlichen erreicht der Spargel, bei dem die Ernte wesentliches wird. Wachstum erst im Juli zulässt. Ein weiterer Für verschiedene Böden und Flächen- Einfuss, der einen Jahresgang der Abfuss- nutzungen liegen tabellierte Werte vor neigung bewirkt, ist der variierende Poren- (. Tab. 4.1), die weltweit verwendet füllungsgrad des Bodenwasserspeichers. werden. Demnach steigt der CN-Wert mit Die Werte in . Tab. 4.1 gelten daher nur für 4 zunehmender Abfussneigung der Böden eine mittlere Bodenfeuchte (in der englisch- von der hydrologischen Bodengruppe A bis sprachigen Literatur wird dieser Zustand zur hydrologischen Bodengruppe D (zur häufg mit „antecedent moisture condition II“ Bestimmung der Bodengruppe s. 7 Anhang bezeichnet und der zugehörige CN-Wert mit 8.6 ) und bei den Nutzungen von „Kleegras CNII symbolisiert). über Wald, Wiese,“ Weide, Getreide, Reihen- Zusätzlich bestimmen zwei weitere kulturen, Brachephasen zu Feldwegen und Faktoren den Jahresgang der Abfuss- versiegelten Flächen hin an. Zur Ermittlung neigung einer Kultur: Erstens sinkt die Ver- der Abfusshöhe eines Einzugsgebietes müssen schlämmungsneigung, je besser bedeckt die Flächennutzungen mit den örtlichen ein Boden ist. Daher nimmt der CN-Wert hydrologischen Bodengruppen verschnitten im Laufe der Vegetationsentwicklung ab. werden. Für die resultierenden homogenen Zweitens kann ein Boden umso mehr Wasser Teilfächen sind die CN-Werte und deren aufnehmen, je stärker ausgetrocknet er ist. Abfuss zu ermitteln [6]. Eine gewichtete Da sowohl die Verschlämmung als auch die Mittelung von CN-Werten würde dagegen Entleerung des Bodenspeichers an einen aufgrund des nicht-linearen Zusammenhangs wüchsigen Pfanzenbestand gekoppelt zwischen S und CN vor allem bei moderaten sind, wird der Jahresgang meist über eine Regen < 50 mm zu Fehlern im Abfussbeiwert Anpassung anhand des Bodenwasservorrats von bis zu 50 % führen [7]. erreicht (. Abb. 4.1), der aber beide Einfüsse . Tab. 4.1 suggeriert, dass der CN-Wert zusammenfasst. Weicht die Bodenfeuchte

einer Landnutzung im Wesentlichen konstant stark von mittleren Bedingungen ab (CNII), ist bzw. auf landwirtschaflichen Flächen sind daher die Werte in . Tab. 4.1 mithilfe der zwischen zwei Werten variiert (einer für die folgenden Gleichung [19] anzupassen: Brachezeiten, bei wenig Bodenbedeckung 0,0235·M CNII · 3,0646 · e und damit hoher Abfussneigung und einer CN = + · · 0,0235·M − für weitgehend voll entwickelte Bestände 10 CNII 0,030646 e 0,1 und damit geringer Abfussneigung). Dies ist (4.3) stark vereinfachend und lässt die jahreszeit- Der Parameter M steht dabei für den pro- liche Dynamik vieler Kulturen außer Acht. zentualen Porenfüllungsgrad des Bodens mit Ein großer Teil des Jahresgangs in der Abfuss- M 0 für einen völlig trockenen Boden und = neigung entsteht auf Ackerfächen durch den M 100 für einen völlig gesättigten Boden. = regelmäßigen Wechsel zwischen den Kulturen Beide Fälle kommen in der Natur praktisch und den dazwischenliegenden Brache- nicht vor. Im Normalfall können Böden nur zeiten. Die Brache macht häufg ein Drittel, zwischen dem permanenten Welkepunkt in ungünstigen Fällen sogar zwei Drittel des (M kann dann mit 15 angenommen werden) Jahres aus. Ein besonders ungünstiger Fall ist und der Feldkapazität (M ist dann etwa 85) gegeben, wenn zwischen der Getreideernte variieren. im Juli und einem daraufolgenden Mais, bei Eine Austrocknung unterhalb der dem wesentliches Wachstum erst im Mai auf- Bodenoberfäche ist nur möglich, wenn ein tritt, eine zehn Monate dauernde Brachephase wüchsiger Pfanzenbestand vorhanden ist, 65 4 4.3 · Das Runoff-Curve-Number-Verfahren

. Tab. 4.1 CN-Werte (Curve Number) bei mittlerer Entleerung des Bodenwasserspeichers (CNII) für verschiedene Bodennutzungen und hydrologische Bodengruppen (nach [17], verändert). Die Tabelle wird nur für Flächennutzungen mit geringem Jahresgang empfohlen (offene Wasserfächen, Wald, Grünland, Siedlungs- gebiete unterschiedlicher Dichte), während für Ackerkulturen die Gleichung in . Abb. 4.3 verwendet werden sollte. Auch bei Flächennutzungen mit geringem Jahresgang muss die hohe Bodenfeuchte im Winter berück- sichtigt werden. Hinweise zur hydrologischen Bodengruppe können 7 Anhang 8.6 entnommen werden

Landnutzung Abfuss- Hydrologische Bodengruppe neigung

A B C D

Offene Wasserfächen 100 100 100 100

Unbewachsener Bodena 77 86 91 94

Reihenfrüchteb Hoch 72 81 88 91

Niedrig 67 78 85 89

Getreidec Hoch 65 76 84 88

Niedrig 63 75 83 87

Kleegras/Luzerned Hoch 25 47 64 72

Niedrig 24 43 61 70

Weide 39 61 74 80

Wiese 30 58 71 78

Wald Hoche 45 66 77 83

Mittelf 36 60 73 79

Niedrigg 25 55 70 77

Wein (terrassiert) 64 73 79 82

Dörf. Siedlung, Außensiedlung 59 74 82 86

Städtische Siedlung 61 75 83 87

Sport-/Golfplätze 39 61 74 80

Industrie/Gewerbegebiete/Straßen 89 92 94 95

Wege, befestigt 74 84 90 92

Wege, wassergebunden 72 82 87 89

Abbaulandh 77 86 91 94

aZum Beispiel gepfügte Flächen oder Saatbett, bevor mindestens 10 % Bedeckung erreicht ist bMais, Zuckerrüben, Kartoffeln, Sonnenblumen und Ackerbohnen; Hopfen und Spargel werden in ihrer hydrologischen Wirkung ebenfalls wie Reihenfrüchte behandelt; hohe Abfussneigung entsteht insbesondere bei weitem Reihenabstand (Extremfall Spargel mit 1,2 m, aber auch bei konventionell angebautem Mais), spätem Wachstum (Extremfall wiederum Spargel, aber auch konventioneller Mais) und Bodenverdichtung durch schwere Erntemaschinen (besonders bei Silomais, Zuckerrüben, Kartoffeln) und Güllewagen. Weiter ist eine hohe Abfussneigung besonders in der Etablierungsphase (weniger als 50 % Bodenbedeckung) gegeben cWeizen, Gerste, Hafer, Roggen, Dinkel, Triticale, aber auch Raps und Buchweizen; hohe Abfussneigung liegt bei Getreide besonders in Jahren nach Reihenkulturen mit hohen Erntegewichten (besonders bei Silomais, Zuckerrüben, Kartoffeln) vor. Eine mittlere Abfussneigung ist im zweiten Getreidejahr zu erwarten. Weiter ist eine hohe Abfussneigung besonders in der Etablierungsphase (weniger als 50 % Bodenbedeckung) gegeben. Besonders niedrige Abfussneigung tritt in Jahren nach mehrjährigem Ackerfutter (z. B. Kleegras) auf. Diesen Fall fndet man besonders im organischen Landbau dDie Werte weichen von den üblichen Tabellen ab. Sie folgen [18]. Die höheren Zahlen gelten im Etablierungsjahr, die niedrigeren Zahlen gelten im Folgejahr. Erfolgt die Etablierung nicht mit Saatbettbereitung, sondern mit Untersaat, sind für das erste Jahr Zwischenwerte zu verwenden eWälder und Forsten mit serpentinenartig ausgebauten, Lkw-befahrbaren Forststraßen fWälder und Forsten mit traditionellen Forstwegen gUrwaldähnliche, gestuft aufgebaute Wälder mit geringer (Forst-)Straßendichte hSand-, Kies- Steinabbau, aber auch Bauplätze 66 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

100 Da beide Einfüsse – Verringerung der Verschlämmungsneigung und Entleerung des Bodenwasserspeichers – an einen wüchsigen 80 Pfanzenbestand gekoppelt sind, lassen sie sich im Normalfall kaum trennen. In Gebieten, in 60 denen mehrere aride Monate mit negativer Feldkapazität bei Bodenfeuchte Wasserbilanz hintereinander aufreten, ist der Welkepunkt Einfuss der Entleerung des Bodenwasser- CN-Wert 40 4 mittlerer speichers größer, und daher wird dort die bei Beziehung in . Abb. 4.1 zur Erzeugung des 20 permanenten Jahresgangs empfohlen. In Deutschland spielt beim dagegen der Jahresgang der Bodenfeuchte in den meisten Jahren nur eine untergeordnete 0 020406080100 Rolle (. Abb. 4.2). Vor allem auf ackerbaulich

CNII-Wert genutzten Flächen, die über 40 % der Landes- fäche ausmachen, wird der Jahresgang der . Abb. 4.1 Anpassung des für mittlere Feuchtever- CN-Werte dagegen sehr viel mehr durch den hältnisse gültigen CN-Wertes CN an abweichende II Jahresgang der Verschlämmbarkeit gesteuert. Feuchteverhältnisse (Nach [19]) Da der mittlere Jahresgang der Bodenfeuchte wegen der nahezu durchgehend humiden Bedingungen die Unterschiede in der Ver- dessen Wurzeln aus dem Boden Wasser ent- schlämmbarkeit nicht nachzeichnen kann, nehmen, und wenn die klimatische Wasser- liegt es nahe, die CN-Werte direkt aus der bilanz (also die Diferenz aus Niederschlag Bedeckung zu schätzen, um zu einem Jahres- und potenzieller Evapotranspiration) über gang zu kommen. In . Abb. 4.3 sind dazu 75 längere Zeit negativ ist. Eine negative Beregnungsversuche bei unterschiedlichen klimatische Wasserbilanz tritt an einem mittleren Standort in Deutschland (mittlerer 1 Jahresniederschlag 850 mm a− ) im Mittel 3 Niederschlagsüberschuss nur im Mai und im August auf, während Niederschlagsde zit in allen anderen Monaten die klimatische 2 ) -1 Wasserbilanz nahe null oder deutlich positiv 1 (Oktober bis April) ist (. Abb. 4.2). Daraus folgt, dass in der meisten Zeit des Jahres die 0

CN-Werte einer bestimmten Flächennutzung KBW (mm d -1 nur zwischen der mittleren Linie in . Abb. 4.1 -2 (50 % nutzbare Feldkapazität) und der oberen l . i Linie (100 % Feldkapazität) liegen können, i wenn nur die Bodenfeuchte einen Einfuss Jan. Feb. März Apri Ma Jun Juli Aug. Sep. Okt Nov. Dez. hätte. Da sich besonders der Niederschlag in . Abb. 4.2 Langjährig mittlere klimatische Wasser- einzelnen Jahren nicht ans langjährige Mittel bilanz (KWB) für einen Standort in Süddeutschland 1 (mittlerer Jahresniederschlag 850 mm a− ; mittlere hält, kann allerdings ein deutliches Wasser- 1 potenzielle Verdunstung 630 mm a− ); nur im Mai bilanzdefzit auch in anderen Monaten auf- und im August werden etwa 40 mm aus der nutz- treten; und ebenso ist in allen Monaten baren Feldkapazität entnommen. Für einen mittleren möglich, dass der Bodenwasservorrat auf- Boden mit 80 mm nutzbarer Feldkapazität ist dann gefüllt ist, also sehr feuchte Bedingungen vor- der Zustand erreicht, für den die in . Tab. 4.1 auf- liegen. Daher tritt eine erhebliche Streuung gelisteten Werte gelten. Besonders für November bis April ist dagegen ein Zuschlag bei den CN-Werten um einen mittleren Jahresgang auf. wegen hoher Bodenfeuchte vorzusehen 67 4 4.3 · Das Runoff-Curve-Number-Verfahren

Reihenfrüchte Mähdruschfrüchte Beziehung bei kleinen Regen, bei Regen mit 100 Regenpausen, bei Regen auf verschlämmter Bodenoberfäche durch vorangegangene bei Feldkapazität Starkregen und bei natürlichen Regen fndet 80 sich im 7 Anhang 8.10. Die in . Abb. 4.3 gezeigten Beregnungen wurden nur während der Vegetationsperiode 60

CN-Wert durchgeführt. Die Messwerte gelten daher nur für Bedingungen, in denen der Boden- wasserspeicher teilweise entleert ist. Für 40 CN =85-0,47 Bedeckung die Wintermonate (November bis März; r2 = 0,74 n=75 je nach Vegetationsperioden der Kulturen 020406080100 etwas unterschiedlich) ist eine Anpassung Bodenbedeckung (%) nach . Abb. 4.1 bzw. 7 Gl. 4.3 notwendig, um die dann überdurchschnittliche Boden- . Abb. 4.3 Einfuss der Bodenbedeckung auf feuchte zu berücksichtigen. Zur einfacheren die bei 75 Beregnungsversuchen mit etwa 65 mm Handhabung sind in . Tab. 4.2 die monat- Niederschlag auf unterschiedlichen Standorten und bei unterschiedlichen Kulturen gemessenen CN- lichen CN-Werte wichtiger Landnutzungen Werte (jeweils umgerechnet auf die hydrologische zusammengestellt, die die Einfüsse von Bodengruppe C; Reihenfrüchte waren Zuckerrüben Bracheperioden, variierender Bedeckung und und Mais; Mähdruschfrüchte waren verschiedene Bodenfeuchte auf den Jahresgang berück- Getreidearten und Raps). Die berechnete Veränderung sichtigen. Sie wird als zentrale Tabelle zur der Beziehung bei hoher Bodenfeuchte (nahe der Feldkapazität in den Wintermonaten) ist gestrichelt Anwendung des CN-Verfahrens in Deutsch- eingezeichnet. Die Daten stammen von [20–23] land empfohlen. Mittelt man die monatlichen CN-Werte entsprechend des Anteils der verschiedenen Kulturen (Getreide, Raps, Zuckerrüben, Mais) Flächennutzungen (was, wie oben dargestellt, auf unterschiedlichen Standorten zusammen- nicht ganz korrekt ist) und vergleicht dies mit gestellt (Daten aus [8, 20, 21]). Unabhängig CN-Werten, die aus gemessenen Ereignis- von der Kultur folgen die gemessenen abfüssen ermittelt wurden, so zeigt sich eine CN-Werte einer gemeinsamen Beziehung, bemerkenswert gute Übereinstimmung des die zur Schätzung des Jahresgangs verwendet Jahresgangs (. Abb. 4.4). werden kann: In der Literatur fndet man nur wenige Fälle, in denen die CN-Werte nach der CNII = 85 − 0,47 · Bedeckung (4.4) Bedeckung diferenziert werden. Dagegen Die Gleichung gilt für die hydrologische wird die Feuchtekorrektur häufg angewendet, Bodengruppe C. Zur Übertragung in die obwohl sie in humiden Gebieten eigent- Bodengruppen A, B und D dienen 7 Gl. 4.5 lich nur in der Winterperiode oder unter bis 7 Gl. 4.7. Die 7 Gl. 4.4 ist einfacher zu Bedingungen, bei denen die Bodenfeuchte handhaben als . Tab. 4.1, da nicht zwischen auf Werte nahe der Feldkapazität ansteigt, Zeiten (und Kulturen) mit hoher und notwendig wäre. Die häufge Verwendung niedriger Abfussneigung unterschieden der Feuchtekorrektur liegt zum einen werden muss. Ein weiter Reihenabstand daran, dass zur Landnutzung of keine hin- oder ein frühes Stadium der Vegetationsent- reichenden Daten vorliegen und sie daher wicklung, die beide für eine hohe Abfuss- nur sehr pauschal berücksichtigt wird. neigung verantwortlich sein können, werden Dagegen kann die Bodenfeuchte, wenn auch durch die Bedeckung gleichermaßen und hin- stark vereinfacht, allein durch meteoro- reichend gut erfasst. Eine Validierung dieser logische Daten abgeschätzt werden, selbst 68 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

. Tab. 4.2 Monatliche CN-Werte unterschiedlicher Ackerkulturen unter deutschen Anbaubedingungen und von Grünland, Wald, Siedlungs- und Verkehrsfächen für die hydrologische Bodengruppe C. Die Tabelle berücksichtigt den Jahresgang in der Vegetationsentwicklung und gegebenenfalls Brachephasen. Für die Monate Mai bis September (je nach Vegetationsverlauf für die verschiedenen Kulturen etwas unterschiedlich) wurden mittlere Feuchteverhältnisse angenommen und 7 Gl. 4.4 verwendet. Für die Monate November bis März wurde angenommen, dass die Bodenfeuchte nahe der nutzbaren Feldkapazi- tät liegt, und die CN-Werte wurden nach . Abb. 4.1 korrigiert. Für die dazwischenliegenden Monate April und Oktober wurden Zwischenwerte verwendet. Der Jahresgang der Bodenbedeckung bei Ackerkulturen wurde aus [24] bzw. [25] entnommen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden mehrere Kulturen (z. 4 B. verschiedene Wintergetreidearten) und Flächennutzungen (z. B. verschiedene Formen des Grün- landes, der Wälder, der Siedlungs- und Verkehrsfächen) zusammengefasst und müssten gegebenenfalls differenziert werden.

J F M A M J J A S O N D Sommer- 95 95 95 80 46 44 44 44 87 91 95 95 getreidea Wintergetreideb 95 88 66 54 44 44 70 80 87 91 95 95 Maisc 94 94 94 90 88 73 50 43 62 85 90 94 Zuckerrübenc 95 94 94 88 86 62 50 43 41 70 91 95 Kartoffeln 95 94 94 88 86 62 50 45 43 70 91 95 Kleegrasd 82 82 73 62 62 62 62 62 62 62 62 71 Grünland 87 87 87 79 72 72 72 72 72 79 87 87 Wald 88 88 88 80 73 73 73 73 73 80 88 88 Siedlung 93 93 93 87 82 82 82 82 82 87 93 93 Verkehr 98 98 98 96 94 94 94 94 94 96 98 98

aVor allem Sommerweizen, Sommergerste und Hafer bVor allem Winterweizen, Wintergerste, Winterroggen, Triticale, aber auch Raps cKonventioneller Anbau; bei Mulchsaat und besonders bei Mulchdirektsaat deutliche Abschläge (s. . Abb. 4.3)

wenn keine genauen Informationen über nur Tagesniederschläge aus, die zu falschen die Porengrößenzusammensetzung des Aussagen führen. Angenommen ein 60-mm- Bodens und den prozentualen Porenfüllungs- Niederschlag fällt gleichmäßig über zwei grad zur Verfügung stehen. Dies erscheint Tage verteilt (je 30 mm). Wenn der CN- daher als die einfachere Option, als Land- Wert 80 beträgt, dann ergibt sich für das nutzungsdaten zeitdiferenziert zu erheben. 60-mm-Ereignis ein Abfuss von 20,2 mm. Noch wichtiger für die weite Verbreitung der Rechnet man dagegen mit zwei Tagesnieder- Feuchtekorrektur ist aber ein zweiter Grund. schlägen von 30 mm, so ergibt sich an beiden Die Feuchtekorrektur erlaubt scheinbar relativ Tagen ein Abfuss von jeweils 3,7 mm, in der einfach und plausibel, einen Datenfehler zu Summe also nur 7,4 mm. Die Diferenz kommt beseitigen, der of vorliegt. Dies soll an einem daher, weil bei ereignisweiser Berechnung am kleinen Beispiel illustriert werden: ersten Tag zwar auch nur 3,7 mm abfießen, Das CN-Modell ist ein Ereignismodell am zweiten Tag aber (20,2–3,7) 16,5 mm. und erfordert daher Ereignisniederschläge. Damit ist die Berechnung mit Tagesnieder- Meteorologische Quellen weisen aber häufg schlägen in so einem Fall grob falsch. Hier 69 4 4.3 · Das Runoff-Curve-Number-Verfahren

100 folgende Regentage ergäbe sich daher folgender 90 Rechenweg: Der Abfuss des ersten Regentages ergibt sich durch die übliche Berechnung. Der 80 Abfuss des zweiten Regentages wird dagegen 70 berechnet, indem man den Regen beider Tage addiert, den Abfuss für diese Regensumme 60

Curve Number berechnet und von diesem Abfuss den Abfuss 50 des ersten Regentages abzieht. Die Eignung . Abb 8.25 40 dieses Verfahrens wird im anhand l . i i experimenteller Daten gezeigt. Es gilt auch

Jan. Feb. März Apri Ma Jun Juli Aug. Sep. Okt Nov. Dez. für feiner aufgelöste Daten mit kurzen Regen- pausen. Letztere dürfen beim CN-Verfahren . Abb. 4.4 Mittlerer Jahresgang der CN-Werte, wenn man die Landnutzungsverteilung von Bayern zugrunde nicht als Kriterium für die Trennung von legt (Linie). Zum Vergleich sind 1174 CN-Werte ein- Ereignissen verwendet werden. gezeichnet (Symbole), die aus Ereignisabfüssen von 22 . Tab. 4.2 diferenziert scheinbar stark Einzugsgebieten in Bayern mit Flächengrößen von 12 bei Ackerkulturen und wenig bei anderen bis 170 km2 berechnet wurden (Daten aus [26]) Landnutzungen. Dies ist aber nur scheinbar so, da die Jahresgänge der verschiedenen Ackerkulturen sich sehr viel stärker unter- kommt nun die Feuchtekorrektur ins Spiel. scheiden als beispielsweise die Jahresgänge der Da am ersten Tag 30 mm fallen, muss die verschiedenen Grünland- oder Waldtypen. Bodenfeuchte stark ansteigen. Wird beispiels- Für Grünland und Wald wurden nur mittlere weise angenommen, dass der Porenfüllungs- Verhältnisse berücksichtigt, aber zusammen grad von 50 % auf 80 % steigt, ist der CN-Wert mit . Tab. 4.1 kann auch leicht ein Jahresgang am zweiten Tag nach 7 Gl. 4.3 nicht mehr 80 für andere Verhältnisse erzeugt werden. Zur sondern 89. Der Abfuss des zweiten Tages ist weiteren Diferenzierung von Wäldern und daher nicht mehr 3,7 mm, wie am ersten Tag, alpinen Boden/Vegetationseinheiten sei auf sondern am zweiten Tag wird dann ein Abfuss [27] verwiesen, die allerdings keine CN-Werte von 10,1 mm erwartet, obwohl an dem Tag ausweisen und vor allem nach dem Boden auch nur 30 mm Niederschlag fallen. Die Dis- und damit indirekt nach der Hydrologischen krepanz zur korrekten Berechnung ist daher Bodengruppe diferenzieren. wesentlich vermindert, auch wenn immer Für Ackerkulturen wäre dagegen viel eher noch eine Diskrepanz bleibt. Vergleicht man eine weitere Diferenzierung notwendig, da nun die Berechnung mit Feuchtekorrektur mit sich beispielsweise die Wintergetreidearten gemessenen Abfüssen in Gewässern, zeigt Wintergerste und Winterweizen besonders sich eine wesentlich bessere Übereinstimmung von Spätherbst bis Frühjahr stark in ihrem als ohne Feuchtekorrektur. Daraus wird Wachstum unterscheiden. Auch wird nicht häufg gefolgert, dass eine Feuchtekorrektur zwischen den verschiedenen Anbauformen unbedingt notwendig ist. Dabei hat sie nur den unterschieden. Darauf wird weiter unten noch Fehler, der durch die Verwendung von Tages- etwas näher eingegangen. In einzelnen Fällen niederschlägen entstand, etwas vermindert. kann es daher notwendig sein, . Tab. 4.2 zu Ohne diesen Fehler wäre sie nicht notwendig erweitern. In den meisten Fällen, in denen viele gewesen. Oder umgekehrt: Liegen nur Tages- Nutzungen und Nutzungsvarianten in einem niederschläge vor, sollten Regentage nach Einzugsgebiet aufreten und die genauen Regentage als ein zusammenhängendes Ereig- Bedingungen häufg nicht bekannt sind, dürfe nis betrachtet werden. Für zwei aufeinander- . Tab. 4.2 ausreichend diferenziert sein. 70 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

In . Tab. 4.2 fällt weiter auf, dass fießt. Dies wird aber bei der Abfuss- besonders in den Sommermonaten die konzentration berücksichtigt und bedeutet CN-Werte von Wald z. T. über den von Acker- nicht, dass die Abfussmenge gering ist. kulturen liegen, was zunächst verwundert. Auch dies zeigen die detaillierten Unter- Auch wenn CN-Werte für Wald unter suchungen von [28]: Eine tatsächliche Ver- deutschen Klimabedingungen einer Über- sickerung und Grundwasserneubildung unter prüfung bedürfen, dürfe diese Diskrepanz Wald trat fast nur in Kamm- und Oberhang- vor allem auf zwei Fehleinschätzungen lagen auf, während auf Mittelhängen lang- 4 beruhen. Erstens stocken viele Wälder auf sam fießender Zwischenabfuss dominierte. relativ steinigen, grobkörnigen Substraten, Auf den feuchten Unterhängen dominierte die eher den hydrologischen Bodengruppen Sättigungsfächenabfuss. Die Unterhänge A oder B angehören, aber nicht der Boden- waren daher hauptverantwortlich für den gruppe C, die in . Tab. 4.2 ausgewiesen ist. (schnellen) Hochwasserabfuss. In der Summe Wie aus . Tab. 4.1 ersichtlich ist, nimmt der aus langsam fießenden Zwischenabfuss und CN-Wert bei diesen Bodengruppen deutlich schnellem Sättigungsfächenabfuss verließen ab, was auch mit der Einstufung des Ober- pro Jahr bis zu 53 % der eingehenden fächenabfussbeiwertes nach [27] überein- Niederschläge den Modellhang von [28] als stimmt, der Wälder im Wesentlichen nach den Abfuss, was ein hohes Abfusspotenzial auch Böden diferenziert. Niedrige Abfüsse unter bei Wäldern belegt. In 7 Anhang 8.10 im Wald sind daher vor allem auf Bodeneigen- Anhang fndet sich eine genauere Analyse der schafen zurückzuführen, die in . Tab. 4.2 aus- Daten aus [28] und der Vergleich mit den in geklammert sind, aber mit 7 Gl. 4.5, 4.6 und . Tab. 4.2 empfohlenen Werten. 4.7 einfach berücksichtigt werden können. 7 Gl. 4.3 und . Tab. 4.2 gelten für mittlere . Abb. 8.24 im Anhang zeigt den damit hydrologische Verhältnisse (hydrologische berechneten Jahresgang der CN-Werte unter Bodengruppe C). Für abweichende hydro- Wald für die hydrologischen Bodengruppen logische Bodengruppen müssen die Werte A, B und C. Nicht in diesen Gleichungen angepasst werden. Dies ist mit folgenden berücksichtigt ist, dass auf steinigen, grob- Regressionen möglich, die sich aus den körnigen Substraten die Feuchtefuktuation Werten der . Tab. 4.1 ergeben. Die CN-Werte

wesentlich stärker ist als auf den überwiegend für die hydrologische Bodengruppe A (CNA) lehmigen, von Ackerbau dominierten Böden berechnet sich aus den CN-Werten der hydro-

der hydrologischen Bodengruppe C, die ein logischen Bodengruppe C (CNC): deutlich höheres Wasserspeichervermögen CNA = 2,38 · CNC − 136,6 (4.5) aufweisen. Dies zeigen auch Messungen und Modellierungen kleiner, forstlich genutzter Für die CN-Werte der hydrologische Boden-

Bacheinzugsgebiete im Hunsrück, die eine gruppe B (CNB) gilt: enorme Variabilität der Gebietsabfüsse bis CNB = 1,46 · CNC − 46,4 (4.6) hin zu vollständigem Trockenfallen aufzeigten, wobei jedoch die Menge an Oberfächen- Und für die CN-Werte der hydrologische

abfuss gleichzeitig sehr hoch war [28]. Eine Bodengruppe D (CND) gilt: zusätzliche Berücksichtigung der Boden- CN = 0,78 · CN + 22,5 (4.7) feuchtefuktuation während der Vegetations- D C periode nach 7 Gl. 4.3 kann also besonders bei Welchen Einfuss der Jahresgang der Wäldern angebracht sein. CN-Werte auf die Menge an Oberfächen- Zweitens beruht diese Diskrepanz z. T. abfuss hat, lässt sich aus den CN-Werten darauf, dass bei Wäldern der Abfuss stark nicht direkt ablesen. Dazu müssen 7 Gl. 4.1 verzögert und damit mit geringem Scheitel und 4.2 auf die CN-Werte der verschiedenen 71 4 4.3 · Das Runoff-Curve-Number-Verfahren

Kulturen und Flächennutzungen angewendet den Sommermonaten, während der Haupt- werden. Zur Illustration wurde in allen wachstumsphase der Ackerkulturen. Wald Monaten ein einheitlicher Bemessungsnieder- und Grünland tragen weniger bei, als ihrem schlag von 40 mm zugrunde gelegt, um den Flächenanteil entspricht, aber ihr Anteil Vergleich der Monate zu erleichtern. Dabei am Gesamtabfuss ist wegen ihres großen zeigt sich, dass sich durch den Jahresgang Flächenanteils nicht unerheblich. Ins- in der Vegetationsentwicklung und der Ent- besondere ist der Beitrag des Waldes durch leerung des Bodenspeichers auch ein sehr aus- die starke Zerschneidung und den Ein- geprägter Jahresgang in der Abfussbildung grif in den Bodenwasserhaushalt durch ergibt (. Abb. 4.5). Während in den Winter- den Forststraßenbau nicht unbedeutsam. monaten etwa 50 % eines 40-mm-Regens Die ackerbaulichen Flächennutzungen abfießen, sind es in den Sommermonaten nur Sommergetreide, Wintergetreide und Mais etwa 15 % (angenommen wurde einheitlich einschließlich anderer Hackfrüchte tragen im die hydrologische Bodengruppe C und die Mittel genauso viel zum Gesamtabfuss bei, Landnutzungsverteilung in Deutschland). wie ihrem Flächenanteil entspricht. Allerdings Noch deutlicher wird der ausgeprägte sind die jahreszeitlichen Unterschiede Jahresgang, wenn man sich den Beitrag enorm. Wintergetreide einschließlich Raps der verschiedenen Flächennutzungen zum dominieren den Abfuss von Ackerfächen von Gesamtabfuss anschaut. Die Siedlungs- Juli, wenn die Ernte beginnt, bis zum Februar. und Verkehrsfächen und auch die ofenen Mit Einsetzen der Hauptwachstumsphase im Gewässer tragen weit mehr, als ihrem März wird der Anteil des Wintergetreides ver- Flächenanteil entspricht, zum Gesamt- schwindend gering. Ab dann bis in den Früh- abfuss bei. Dies ist besonders ausgeprägt in sommer dominiert der Abfuss von Flächen

25 15 5

Sonstiges

80 Siedlung/Verkehr l( Gewässer 60 Wald

40 Grünland Mais/Reihenklt. 20 Wintergetreide Sommergetreide 0 Juli Ma i Jan. Okt . Jun i Feb. Sep. Dez. Nov. Aug. April März Jahresab uss Flächenanteil

. Abb. 4.5 Mittlerer erwarteter Abfuss (oben) bei einem Regenereignis mit 40 mm und der Landnutzungsver- teilung in Deutschland auf einem Standort der hydrologischen Bodengruppe C. Die untere Tafel zeigt den Anteil der verschiedenen Kulturen und Landnutzungen an der Gesamtfäche (zu Gruppen zusammengefasst, um die Lesbarkeit zu erhöhen) und ihren Beitrag zum oben dargestellten Gesamtabfuss 72 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

mit Mais und anderen Hackfrüchten. Löst Mulchbedeckung übrigbleibt. In beiden Fällen man feiner auf, z. B. zwischen verschiedenen – Mulchsaat oder Mulchdirektsaat – sinkt Wintergetreidearten und zwischen ver- durch die im Herbst angebauten und bis zum schiedenen Hackfrüchten, treten wegen des Winter wachsenden Zwischenfrüchte aber die versetzten Wachstums weitere Unterschiede Abfussneigung in den Wintermonaten deut- zutage. lich, wenn die Abfussneigung generell am höchsten ist (. Abb. 4.6). Dieser Zusammen- hang ist auch durch Messdaten belegt [22]. 4 Wirkung einer heterogenen Ähnlich günstige Werte wurden für nicht Landnutzung Je heterogener die Landnutzung ist, umso geringer wird die Gefahr, dass bei einem Regen alle Flächen gleichzeitig liefern. Eine heterogene Landnutzung ist die effzienteste Form, eine hohe Abfussminderung in der Fläche zu erreichen.

Bei kleineren Regen als dem angenommenen Bemessungsniederschlag von 40 mm werden die Unterschiede noch größer, da dann manche Landnutzungen zu manchen Jahres- zeiten überhaupt keinen Abfuss liefern, sondern bei ihnen der Regen vollständig infltriert. Dies Lücke des Maises und anderer Hack- früchte im Winter, Frühjahr und Frühsommer wird idealerweise durch den Anbau einer abfrierenden Zwischenfrucht direkt nach der Getreideernte geschlossen (z. B. Senf, Ölrettich oder Phazelia). Die Zwischenfrucht . Abb. 4.6 oben: Jahresgang der CN-Werte von kon- kann ohne wendende Bodenbearbeitung gesät ventionell angebautem Mais und von Mais in Mulch- werden, sodass das Getreidestroh den Boden direktsaat, beginnend im September des Vorjahres (nach einer Getreidevorfrucht). Wird statt Mulchdirekt- bedeckt, bis diese Aufgabe die im Sommer saat die Saat von Mais mit einer Bodenbearbeitung rasch keimende Zwischenfrucht über- kombiniert (Mulchsaat), sind ab einschließlich Mai nimmt. In die abgefrorene Zwischenfrucht- die Werte für konventionellen Mais zu verwenden, decke wird dann die folgende Hauptfrucht, während davor die Werte gleich sind wie bei Mulch- also z. B. Mais, am besten in Mulchdirektsaat direktsaat. Die Werte gelten für die hydrologische Bodengruppe C. Unten: Zur Illustration der Wirkung angebaut, um keine Lücke im Frühsommer wurde der Abfuss berechnet. Dabei wurde ein Regen entstehen zu lassen (Direktsaat bedeutet, dass von 50 mm im Sommer, ein Regen von 20 mm in den gesät wird, ohne die Mulchdecke durch eine Wintermonaten und Zwischenwerte in den übrigen Bearbeitung zu beinträchtigen). Mulchsaat Monaten angenommen. Grün ist der zu erwartende mit einer Bodenbearbeitung bei der Aussaat Abfuss bei Mulchdirektsaat-Mais, braun ist der bei konventionell angebautem Mais zusätzlich zu der Hauptfrucht mindert die Abfussneigung erwartende Abfuss und blau ist der infltrierende im Frühsommer nicht mehr, weil durch die Anteil des Regens. Die Summe der drei Balken ent- Bearbeitung nach der Aussaat nur wenig spricht daher der Regenhöhe 73 4 4.4 · Modellregen für den ländlichen Hochwasserschutz bearbeiteten („no-till“) Mais, gemessen, der manchen dieser Gleichungen einen großen aber in Deutschland nicht verbreitet ist. Lang- Einfuss auf den CN-Wert hat, die Skala, zeitversuche ergaben dafür mittlere CN-Werte auf der die Hangneigung zu bestimmen ist, von 66, wohingegen die mittleren CN-Werte nicht immer eindeutig defniert ist, wird eine bei konventioneller (wendender) Bearbeitung pauschale Anwendung dieser Korrektur- bei rund 90 lagen [18]. gleichungen aber nicht empfohlen. Der Einfuss der Hangneigung auf Bewusst und zusätzlich zum „Normal- die Abfussbildung wird in der Literatur fall“, dem Anbau in Gefällerichtung, werden kontrovers diskutiert. Physikalisch abfussspeichernde Rauhigkeitselemente betrachtet lässt die Hangneigung zunächst geschafen, wenn konturparallel angebaut keinen eindeutigen Einfuss auf die wird (dies bedeutet, dass auf ein Vorgewende Infltration erwarten, im Gegensatz zur verzichtet werden muss, das in Gefälle- Fließgeschwindigkeit von Oberfächen- richtung laufen würde; vgl. . Abb. 6.6). Bei abfuss, die stark von der Hangneigung konturparalleler Bewirtschafung sinken die 5.5 abhängt (s. GMS-Gl. ). Trotzdem CN-Werte (CNKontur) gegenüber den oben fnden sich Einfüsse der Hangneigung dargestellten, für Bewirtschafung mehr auf den Abfuss; Messungen haben sowohl oder weniger in Gefällerichtung geltenden die Zunahme als auch die Abnahme der CN-Werten nach [5]: Infltrationsrate mit zunehmender Hang- CN =−0,2 + 0,97 · CN (4.8) neigung gezeigt [29]. Eine Zunahme der Kontour Infltration und damit die Abnahme des Noch stärker sinken die CN-Werte bei Oberfächenabfusses auf wenig bedeckten, konturparalleler Terrassierung des Geländes, relativ glatten Oberfächen wird dadurch weil dann auch die Neigung der Flächen erklärt, dass mit zunehmender Hang- geringer wird und die Terrassenkanten zusätz- neigung die Erosion durch die erhöhte lich als Barrieren wirken (abgeleitet aus [5]): Fließgeschwindigkeit zunimmt [30, 31]. CN = 0,7 + 0,92 · CN (4.9) In Folge geht die Verschlämmung der Terrassiert Bodenoberfäche zurück, wodurch ihre Infltrationsfähigkeit erhalten bleibt. Im 4.4 Modellregen für den Landschafsmaßstab wirkt zusätzlich ein ländlichen Hochwasserschutz weiterer Prozess. Rauhigkeitselemente wie Feldraine oder Pfugfurchen sind in diesem Zur Dimensionierung von Bauwerken wie Maßstab nicht mehr zu vernachlässigen. Durchlässen, Rückhaltebecken, Kanalnetzen Es wird häufg davon ausgegangen, dass oder Entlastungsbauwerken werden in der die Zwischenspeicherung und vermehrte wasserwirtschaflichen Praxis Bemessungs- Infltration von Oberfächenabfuss hinter niederschläge und Bemessungsabfüsse solchen Rauhigkeitselementen zunimmt, je verwendet. Sie werden über die Wahrschein- geringer die Hangneigung ist. In dem Fall lichkeit, mit der sie aufreten, bzw. über die nimmt der Abfuss ab, der ein Einzugsgebiet Zeiträume, in denen sie einmal zu erwarten verlässt. Auch wenn die experimentelle Basis sind (z. B. jährlich oder alle 10, 50, 100, … für diesen Zusammenhang gering ist und Jahre) defniert. Diese Überlegung lässt sich nicht bekannt ist, wie viele und welcher Art auch auf die ländliche Flur übertragen, um bei- solche Rauhigkeitselemente vorhanden sein spielsweise die Breite von begrünten Abfuss- müssen, wurden auf Einzugsgebietsebene mulden, die Wirkung von Gräben oder den (nicht auf Ebene eines einzelnen Feldes) Einfuss von Bewirtschafungsmaßnahmen unterschiedliche Gleichung zur Berück- auf den Abfuss abzuschätzen oder um das sichtigung der Hangneigung vorgeschlagen erforderliche Volumen kleiner Rückhalte- (z. B. in [6]). Da die Hangneigung in becken zu ermitteln. 74 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

Bemessungsabfüsse werden unter das angestrebte Dimensionierungsziel bzw. anderem mit statistischen Methoden, der Schutzgrad berücksichtigt. Dies hängt mit Übertragungs- und Schätzverfahren von der Aufgabenstellung ab. Im folgenden (Regionalisierung) oder durch Niederschlag- Kapitel werden zunächst übliche, in der Abfuss-Modellierung bestimmt [12, 32–34]. Wasserwirtschaf verbreitete Bemessungsziele Zur Ableitung von Maßnahmen sind ins- beschrieben. Daraus werden Empfehlungen besondere Niederschlag-Abfuss-Modellie für den ländlichen Hochwasserschutz rungen gut geeignet, da empirische oder abgeleitet. Im Anschluss werden wesent- 4 statistische Verfahren Veränderungen in der liche Aspekte des KOSTRA-Datensatzes Abfussbildung (z. B. Änderung der Land- beschrieben, da dieser für viele praktische nutzung) und -konzentration (z. B. Erhöhung Fragestellungen geeignet ist. Weitere Aspekte der Rauigkeit entlang der Entwässerungswege) zur Ableitung von Modell- und Bemessungs- in der Regel nicht abbilden können. Hinzu regen sind in 7 Anhang 8.4 zusammengestellt. kommt, dass in kleinen Gebieten üblicher- Diese umfassen die Berücksichtigung von weise keine (quantitativen) Informationen Schnee und Methoden zur Ableitung von über historische Niederschlag-Abfuss-Ereig- Ganglinien für Gebiets- und Bemessungs- nisse vorliegen und statistische Verfahren niederschläge aus Stations- oder Radardaten. dadurch vielfach nicht anwendbar sind. Bei Niederschlag-Abfuss-Modellierungen wird – meist für synthetische Modell- und 4.4.1 Bemessungsziele in der Bemessungsregen – zunächst die Höhe des Wasserwirtschaft abfusswirksamen Niederschlagsanteils (z. B. und Ableitung von mit dem CN- oder dem Lutz-Verfahren) Bemessungszielen für die ermittelt. Aus ihm ergibt sich durch Multi- Flur plikation mit der Einzugsgebietsfäche (AEZG) das Volumen des abfießenden Niederschlags bzw. des Abfusses des Einzugsgebietes. Unter Unter einem Bemessungsziel versteht Berücksichtigung der Fließzeit ergibt sich man einen Regen oder einen Abfuss, der die Scheitelhöhe einer Abfusswelle an einem durch eine zu planende Maßnahme (eine defnierten Punkt. Die Basis dieses Ansatzes Verrohrung, eine Brücke etc.) gerade noch ist daher immer ein defnierter Modell- oder beherrscht werden soll. Dabei orientiert man Bemessungsniederschlag. Bemessungsnieder- sich an ungünstigen Bedingungen, also einem schläge lassen sich aus unterschiedlichen selten zu erwartenden Abfussvolumen oder Datengrundlagen ableiten, wobei sich in der einem selten zu erwartenden Abfussscheitel. Praxis vor allem die durch Extremwertstatistik Wie selten, wird durch das Wiederkehr- ermittelten, koordinierten Starknieder- intervall ausgedrückt (z. B. der 30-jährliche schlagshöhen (KOSTRA) des Deutschen Regen oder Abfuss). Dabei wird üblicher- Wetterdienstes (DWD) etabliert haben [35]. weise angenommen, dass ein 100-jährlicher Letztere sind Regenereignisse mit defnierten Regen einen 100-jährlichen Abfuss erzeugt Eigenschafen wie Niederschlagshöhe (N) (analog bei anderen Wiederkehrzeiten), und und -dauer (D). Zusätzlich verfügen sie über weiter, dass extreme Regen der Vergangen- eine aus Messzeitreihen der Vergangen- heit geeignete Schätzgrößen für extreme heit abgeleitete Wiederkehrwahrscheinlich- Regen in der Zukunf sind (dies wird als Stationarität bezeichnet). Dadurch lassen sich keit (Tn) (auch als Jährlichkeit oder Annuität bezeichnet). mithilfe langer Messreihen und Verfahren der Die Wahl des Bemessungsniederschlags Extremwertstatistik Regen und Abfüsse mit hat einen großen Einfuss auf das Ergebnis statistisch defnierten Eigenschafen (Jähr- der Abfussmodellierung. Mit der Wahl wird lichkeit, Menge und Dauer) ermitteln. Ob 75 4 4.4 · Modellregen für den ländlichen Hochwasserschutz diese Annahmen und Methoden im Zeit- an der höchsten Abfussrate interessiert, alter des Klimawandels noch gelten, wird in wählt man eine möglichst kurze Regendauer. der wissenschaflichen Literatur gegenwärtig Sie richtet sich nach der Konzentrations- kontrovers diskutiert [36, 37]. zeit des Einzugsgebietes. Wird die mittlere Regenmenge und damit Abfussvolumen Konzentrationszeit eines Gebietes beispiels- und Abfussscheitel hängen aber nicht nur weise auf 110 min geschätzt, sollte die Dauer- vom Wiederkehrintervall des Regens, sondern stufe (D) des Bemessungsregens möglichst auch von der betrachteten Regendauer und dieser Konzentrationszeit entsprechen, z. B. der zeitlichen Verteilung des (Bemessungs-) D 120 min bei KOSTRA [35]. Wird von = Regens ab. Innerhalb eines Tages fällt bei diesem Vorgehen abgewichen und bei einer gleichem Wiederkehrintervall mehr Regen Konzentrationszeit von 110 min beispiels- als innerhalb einer Stunde; allerdings sinkt weise ein Modellregen mit einer Dauerstufe gleichzeitig die mittlere Intensität. Daher von 4 h gewählt, resultiert ein höheres Abfuss- muss auch die Regendauer je nach Frage- volumen, aber ein geringerer Wellenscheitel, stellung festgelegt werden. da einerseits zwar die Regenmenge zunimmt, Da die Regenmenge, die möglich ist, andererseits die mittlere Regenintensität mit mit zunehmender Regendauer zunimmt zunehmender Regendauer aber abnimmt. (. Tab. 4.3), ist für Fälle, in denen es auf die Der Regen, der zum höchsten Abfussscheitel maximal mögliche Abfussmenge ankommt, führt, muss jedoch nicht notwendigerweise ein aber nicht auf die Abfussrate, ein lang- anderer Regen sein, als der der zum größten dauernder Regen zu wählen. Regenperioden, Abfussvolumen führt. Die hochintensiven die viel Regen bringen, ohne dass mehr- Regen kurzer Dauer sind im Normalfall keine tägige Unterbrechungen aufreten, in denen eigenständigen Regen, sondern Intensitäts- der Boden wieder abtrocknet, dauern unter spitzen, die eingebettet sind in einen länger deutschen klimatischen Bedingungen selten andauernden Regen mit mehr Niederschlag. länger als drei Tage. Soll der Gesamtabfuss Bei technischen Bauwerken richtet sich des größten Regens einer bestimmten Jähr- die Wahl des Bemessungsregens nach der lichkeit bestimmt werden, kann beispielsweise Aufgabenstellung und variiert zwischen den der KOSTRA-Niederschlag für die Dauerstufe Bundesländern. Kanalnetze werden beispiels- 72 h verwendet werden. weise of für einen 5-jährlichen 5-minütigen Während mit zunehmender Regendauer Starkregen ausgelegt. In München entspricht die Regenmenge zunimmt, nimmt gleich- das z. B. 15 mm in 5 min und bedeutet, dass zeitig die Regenintensität ab. Ist man also alle Regen mit geringerer Intensität schadlos

. Tab. 4.3 Maximale Niederschlagsmengen (in mm) je Dauerstufe (D), die statistisch einmal in 1, 10, 30,

50 und 100 Jahren (Wiederkehrintervall Tn) im Tertiärhügelland nördlich von Freising erwartet werden können (KOSTRA-DWD, Version 2010R)

Dauerstufe D 5 min 20 min 30 min 1 h 3 h 6 h 24 h 72 h

Tn = 1 6 12 14 17 23 28 39 58

Tn = 10 14 25 29 34 40 45 70 101

Tn = 30 18 31 35 42 51 56 85 123

Tn = 50 20 34 38 46 55 62 92 132

Tn = 100 23 38 43 52 57 61 95 143 76 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

über das Kanalnetz abgeführt werden können teure und fächenintensive Maßnahmen müssen. Erst bei selteneren Ereignissen mit erfordert. Gleichzeitig verursachen kleinere, höheren Intensitäten werden eine Über- aber häufger aufretende Extreme in Summe lastung und das Überlaufen des Kanalnetzes ebenfalls etwa die Hälfe aller Schäden, die in Kauf genommen. Beim Hochwasserschutz sich mit dezentralen Ansätzen zum Wasser-

ist das 100-jährliche Abfussereignis (HQ100) rückhalt dagegen wirksam beeinfussen ließen. ein weitverbreitetes Dimensionierungsziel. Daher werden für die Dimensionierung Für die Festsetzung von Überschwemmungs- von Maßnahmen für den ländlichen Hoch- 4 gebieten ist es sogar im § 76 des Wasser- wasserschutz Bemessungsziele in der haushaltsgesetzes festgelegt, wodurch es Größenordnung von 20 bis 30-jährlichen bundesweit gilt. Weitere, beispielsweise in Ereignissen empfohlen. Bayern etablierte Bemessungsziele sind Anhand des KOSTRA-Datensatzes

häufge Hochwasser (HQhäufg), die statistisch lassen sich für beliebige Orte in Deutschland betrachtet im Mittel alle 5 bis 20 Jahre auf- Bemessungsniederschlagshöhen ermitteln. Die

treten, und Extremhochwasser (HQextrem), Wahl der Niederschlagsdauerstufe richtet sich das zu deutlich höheren Wasserständen als dabei nach der Zielstellung. Zur Ermittlung des

ein HQ100 führt und seltener aufritt. Als größtmöglichen Abfussscheitels sollten ver- HQextrem wird in Bayern die 1,5-fache Abfuss- schiedene Regendauerstufen untersucht und menge des HQ100 angenommen [38]. Für die verglichen werden. Üblicherweise ergibt sich Bemessung kritischer Infrastrukturbauwerke der höchste Abfussscheitel für Regen, deren wie die Notentlastung von Talsperren oder Dauer der Konzentrationszeit des Gebietes die Standsicherheit der Dämme großer Hoch- entspricht, da die Niederschlagsintensität mit wasserrückhaltespeicher werden Bemessungs- zunehmender Regendauer abnimmt. Da über-

ziele wie HQ1000 oder HQ10000 herangezogen. schlägige Abschätzungen für Maßnahmen in In Baden-Württemberg basieren Bemessungs- der Flur häufg hinreichend sind, kann ver- ziele weitgehend auf dem Regen und nicht einfachend auch von einem kurzen, wolken- auf dem Abfuss, was deutlich einfacher ist, bruchartigen Schauer mit einer Dauer von weil die Niederschlags-Abfuss-Beziehung 1 bis 4 h ausgegangen werden, ähnlich dem nicht bekannt sein muss. Der Leitfaden zum Leitfaden zum kommunalen Starkregenrisiko- kommunalen Starkregenrisikomanagement management aus Baden-Württemberg [39]. [39] defniert Regen als selten, wenn sie eine Müssen Ganglinien erzeugt werden, wird am Jährlichkeit von mehr als 30 Jahren haben. Als besten ein mittenbetonter Regenverlauf unter- außergewöhnlich und als Auslöser von Sturz- stellt. Details zur Ableitung von Modellregen futen gelten dort Regen, die eine Jährlichkeit sind in 7 Anhang 8.4 beschrieben. von mindestens 100 Jahren haben. Für ländliche Räume sind die im technischen Hochwasserschutz verbreiteten 4.4.2 Niederschlagshöhen Bemessungsniveaus wie 100-jährliche Abfüsse oder Regen unangemessen, da sich aus der typischer dünnen oder fehlenden Besiedelung und der Starkregenereignisse nach Abwesenheit höherer Vermögenswerte in KOSTRA den Außenbereichen grundsätzlich geringe Schutzbedürfnisse ergeben als in besiedelten, Der KOSTRA-Datensatz [35] ist eine amtliche kommunalen Räumen. Hinzu kommt, dass Bemessungsgrundlage zu erwartender Extrem- bei der Wahl sehr seltener Extreme (Wieder- regen des Deutschen Wetterdienstes (DWD). kehrintervalle > 50 Jahre) schnell enorme Bei KOSTRA wurden durch statistische Aus- Abfussmengen und Scheitelhöhen erreicht wertung langjähriger historischer Zeitreihen werden, deren Minderung of aufwendige, von 100 (teilweise 150) Regenmessstationen 77 4 4.4 · Modellregen für den ländlichen Hochwasserschutz

(Punktmessungen) aus ganz Deutschland Niederschlagshöhen (in mm) und -spenden Beispiel der KOSTRA-Daten 1 1 (in l s− ha− ) in Abhängigkeit verschiedener Zur Illustration wurden die KOSTRA-Werte für unterschiedliche Dauerstufen und Jährlichkeiten (Tn) (1 a bis 100 a) und Regen- dauerstufen (D) (5 min bis 72 h) bestimmt. Jährlichkeiten für das landwirtschaftlich Von Regendauerstufen spricht man, weil intensiv genutzte Tertiärhügelland nördlich Niederschläge nicht für eine beliebige Regen- von Freising in Bayern in . Tab. 4.3 dauer angegeben sind, sondern die Regen- zusammengestellt. Die Werte zeigen, dauer in Stufen eingeteilt worden ist, die für dass im Mittel alle 30 Jahre mit einem praktische Belange hinreichend diferenziert Niederschlag von rund 50 mm innerhalb sind. Die Daten liegen in einem Rasternetz von drei Stunden zu rechnen ist. Eine (Maschenweite ca. 67 km2) deutschlandweit als Planung, die auf diese Niederschlagshöhe Planungsgrundlage für den (ländlichen) Hoch- abzielt, lässt alle Niederschlagshöhen wasserschutz vor. Der KOSTRA-Datensatz beherrschen, die häufger als einmal in (Version 2010R) kann über das Climate Data 30 Jahren auftreten, also die meisten Center des DWD [40] kostenfrei bezogen Niederschläge. Sie nimmt allerdings auch werden. Ab 2020 wird voraussichtlich auch in Kauf, dass ein Niederschlag, der im Mittel eine Abschätzung von Extremwerten auf nur einmal alle 50 oder 100 Jahre auftritt, Basis der Radarklimatologie verfügbar sein. nicht mehr beherrscht wird. Aus ersten Vergleichen zeichnet sich ab, dass die Radardaten sowohl die Intensitäten als auch die räumliche Verteilung kurzer kon- Die in . Tab. 4.3 zusammengestellten vektiver Starkregenereignisse anders einstufen Daten sind für weite Teile Deutschlands als die auf dem Bodenmessnetz basierenden repräsentativ (zum Vergleich; der deutsche Mittelwert für D 1 h und T 30 a beträgt KOSTRA-Daten [41, 42]. Dies liegt an der = n = unterschiedlichen räumlichen Aufösung 41 mm, der für das Tertiärhügelland 42 mm; der Messung [43], wobei die Aufösung des s. auch . Abb. 4.7). Die Größenordnung Wetterradars (1 km2) besser für die Skala von von 50 mm kann also als Faustwert für Einzugsgebieten geeignet ist als die Aufösung viele planerische Maßnahmen zur Stark- von Regenmessern (200 cm2). Daher werden regenvorsorge angesetzt werden. Innerhalb Daten von Regenmessern of mit sogenannten Deutschlands variieren die vom Bodenmess- Flächenreduktionsfaktoren auf die Größe des netz erfassten Starkniederschlagshöhen bei Einzugsgebietes skaliert [44–46]. kurzen Dauerstufen etwa um den Faktor zwei, Die KOSTRA-Daten decken nur den wobei ein Gradient vom Norddeutschen Zeitraum von Mai bis September ab. Dies Tiefand hin zu höheren Lagen (Alpen- ist sowohl für die Wahl der größten Nieder- raum, Mittelgebirgslagen) vorhanden ist. Mit schlagsintensität wie auch für die größte zunehmender Dauerstufe werden regionale Niederschlagsmenge ausreichend, da in den Unterschiede kleiner und nur noch Höhen- Wintermonaten kaum mehr Intensität oder lagen über 1000 m erzeugen ein Muster. Die Menge aufritt. In den Wintermonaten kann räumlichen Muster für 1- und 4-stündige es vor allem dann zu hohen Abfussintensi- Regen zeigt . Abb. 4.7 am Beispiel einer Jähr- täten oder Abfussvolumina kommen, wenn lichkeit von 30 Jahren. warmer Regen auf eine Schneedecke fällt und Die KOSTRA-Daten erlauben keine dadurch Schmelzwasser hinzukommt. Zur Beurteilung des Jahresgangs. Die höchsten Einschätzung dieser kombinierten Efekte ist Intensitäten und größten Mengen treten KOSTRA aber ungeeignet. Stattdessen kann üblicherweise im Juli oder August auf, aber der REWANUS Datensatz (siehe 7 Anhang dies ist aus den Daten nicht ersichtlich. Soll 8.4.5) verwendet werden. ein Jahresgang ermittelt werden oder sollen 78 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

nicht Extremwerte sondern typische Werte betrachtet werden. Dies wird im 7 Anhang oder Monatssummen und Ähnliches ermittelt 8.10 exemplarisch belegt. werden, eignen sich die KOSTRA-Daten Kommt es darauf an, die Abfussdis- nicht mehr. In diesen Fällen sollte auf Nieder- position bei typischen, im Jahresverlauf schlagszeitreihen zurückgegrifen werden. variierenden Ereignisstärken zu vergleichen, Dabei ist allerdings zu beachten, dass das z. B. um verschiedene Bewirtschafungs- CN-Modell kein Tagesmodell sondern ein optionen zu bewerten, ist eine Diferenzierung Ereignismodell ist. Daher sollten mehrere auf- nach Monaten notwendig. Will man dafür 4 einanderfolgende Regentage als ein Ereignis nicht langjährige Niederschlagszeitreihen

D=1h Niederschlagshöhe (mm) 00

60 >29 bis <3_ 8 >38 bis <4_ 6

00 >46 bis <5_ 4 58 >54 bis <6_ 2

Anteil 00

56 0,8

0,6 00

54 0,4 100 km II 0,2

0 D=4h Niederschlagshöhe (mm) 00 >39 bis <5_ 5 60 >55 bis <7_ 0 >70 bis <8_ 5 00

58 >85 bis <_ 100

Anteil 00 0,8 56

0,6

00 0,4 54 100 km II 0,2

0 40 00 42 00 44 00 46 00 48 00

. Abb. 4.7 Starkniederschlagshöhen in mm mit einer Jährlichkeit Tn von 30 Jahren für die Dauerstufen D von 1 und 4 h. Die jeweilige Spannweite wurde in vier gleich große Intervalle geteilt 79 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens

. Tab. 4.4 Jahresgang typischer mittlerer Ereignisniederschlagsmengen (in mm). Der Augustniederschlag entspricht etwa dem 1-jährlichen 72-h-Regen oder dem 30-jährlichen 6-h-Regen der KOSTRA-Daten

Monat Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Nieder- 35 30 35 40 45 50 55 60 55 50 45 40 schlag

durchrechnen, eignen sich für diesen Zweck Änderung der Kulturartenzusammensetzung die Ereignisniederschläge, die auch hier z. B. innerhalb der Ackerfächen hat also einen ver- in . Abb. 4.14 bis 4.17 unterstellt wurden. Sie gleichsweise geringen Efekt. Eine Änderung sind in . Tab. 4.4 zusammengestellt. der Bewirtschafungsweise wirkt wesentlich stärker (vgl. . Abb. 4.6). Eine Ausweitung des Grünlandes oder des Waldes zu Lasten 4.5 Ansatzpunkte zur Reduktion der Ackerfächen verringert den Abfuss noch des Abfussvolumens etwas stärker. Dieser Efekt ist durch unterschiedliche Studien belegt, z. B. [47]. 4.5.1 Landnutzungsänderung Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Verhältnisse nur im Mittel des Jahres und Für einen Regen mit einer Niederschlags- nur für den angenommenen 40-mm-Regen höhe von 40 mm variiert die Abfusshöhe gelten. In den einzelnen Monaten können stark je nach Landnutzungstyp, aber auch die Verhältnisse deutlich anders sein. Im nach Jahreszeit (. Abb. 4.5). Dies macht die Frühsommer, wenn die Reihenkulturen ihre Beurteilung schwierig, welche Landnutzung kritische Phase haben, tragen sie wesentlich um wie viel besser oder schlechter ist als eine mehr zum Gesamtabfuss bei, während das andere Landnutzung. Mittelt man alle Monate Getreide seine kritische Phase eher im Spät- des Jahres, dann zeigt sich, dass leguminosen- sommer bis in den Winter hat (. Abb. 4.5). Bei basiertes mehrjähriges Ackerfutter ganz kleineren Regen wäre der Anteil der Verkehrs- besonders stark den Abfuss mindern kann und Siedlungsfächen sogar noch wesentlich (. Abb. 4.8, linke Balken), wenn man die sehr höher als bei dem 40-mm-Regen, weil dann niedrigen CN-Werte von [18] zugrunde legt, andere Landnutzungen kaum noch Abfuss die experimentell gut abgesichert sind. Würde erzeugen, während der Anteil der Verkehrs- man die älteren, in vielen CN-Tabellen ent- und Siedlungsfächen bei noch größeren Regen haltenen Werte verwenden, wäre der Abfuss etwas sinkt, auch wenn ihr Gesamtabfuss immer noch niedrig, aber eher wie der von natürlich steigt. Grünland. Besonders hohe Abfüsse sind Zusätzlich zu der innerhalb eines Jahres dagegen von Verkehrsfächen, aber auch von aufretenden Variabilität unterliegt die Siedlungsgebieten zu erwarten. Gegenüber Landschaf dem Wandel der Zeit. Zur Ver- dem Bereich, der von mehrjährigem Acker- anschaulichung und Quantifzierung dieser futter und Verkehrsfächen aufgespannt Veränderungen wurde die aktuelle Flächen- wird, sind die Unterschiede der übrigen nutzung eines 2,6 km2 großen Landschafs- Landnutzungen vergleichsweise moderat. ausschnitts nördlich von Freising in Bayern Reihenkulturen weisen einen etwas höheren bei Zolling im Tertiärhügelland erfasst und Abfussanteil auf, während der Abfussanteil der Flächennutzung von 1858 und 1973, von Getreide etwas niedriger, der von Wald die aus historischen Karten rekonstruiert und Grünland deutlich niedriger ist. Eine wurde, gegenübergestellt (. Abb. 4.9). Der 80 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

Flächenanteil (%) 35 30 25 20 15 10 5 0

Reihenkultur +220 %

Getreide

Leguminosen -70%

Grünland

4 Wald

Siedlung +90 %

Verkehr +220 %

0510 15 20 25 1858 1973 2018 Abuss (mm)

. Abb. 4.8 linke Balken: Mittlerer Abfuss verschiedener Landnutzungen bei einem 40-mm-Regen (Mittelwerte des Jahresgangs aus . Abb. 4.5). Rechte Balken: Änderung der Flächenanteile verschiedener Landnutzungen zwischen 1858 und 2018 für das Modellgebiet Zolling; die Prozentangaben neben der rechten Achse geben die Veränderung der Flächenanteile bezogen auf 1858 für Nutzungen wieder, bei denen ein besonders starker Trend vorliegt

Vergleich der Jahre 1858 und 2018 zeigt eine jährige Ackerfutter über die Rinderfütterung geringfügige Zunahme der Ackerfäche von verwertet und der Stickstof als Wirtschafs- 58 auf 62 ha (6 %), während der Anteil der dünger nutzbar gemacht werden muss, Grünlandfächen um den gleichen Prozent- sondern Mais zum wesentlichen Futtermittel satz abgenommen hat. Deutlicher als die avancierte. Veränderung des Ackeranteils ist die Ver- Ebenfalls deutlicher als die Veränderung änderung der Kulturartenverteilung inner- der Flächenanteile von Acker und Grünland halb der Ackerfächen. Dabei konnten die ist die Veränderung ihrer räumlichen Ver- aktuellen Zahlen aus den Statistiken für teilung. Wie . Abb. 4.9 zeigt, werden heute dieses Gebiet entnommen werden, während einige Steilfächen im Südwesten (Gefälle die Kulturartenverteilung für 1858, wie von 9–20 %) als Grünland genutzt, die in der [48] allgemein für diese Zeit angegeben, Karte von 1858 noch als Ackerfächen aus- angenommen wurde. Demnach ist vor allem gewiesen waren. Dafür sind fast alle Grün- der Anteil des mehrjährigen, leguminosen- landfächen in den nach Osten gerichteten basierten Ackerfutters (Kleegras, Luzerne Tiefenlinien verschwunden und Acker- u. Ä.) von 20 % auf etwa 4 % der Ackerfäche fächen gewichen. Diese Veränderung ist zurückgegangen, weil Leguminosen durch nicht nur für das Tertiärhügelland in Bayern, die Einführung der Mineraldüngung ihre sondern für große Teile fruchtbarer, heute Bedeutung als Stickstofquelle verloren haben. landwirtschaflich intensiv genutzter Gebiete Dagegen hat der Anteil der Reihenkulturen Deutschlands typisch, wie Publikationen sehr stark von 16 % auf nahezu die Hälfe aus Sachsen [49] und Bayern [50] zeigen. der Ackerfäche zugenommen (rechte Balken Ebenfalls sehr deutliche Änderungen in den in . Abb. 4.8; dort allerdings in Prozent der Flächenanteilen gab es im Modellgebiet bei Gesamtfäche), da nun nicht mehr das mehr- Wald- und Heckenfächen, die abgenommen 81 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens

des Wegenetzes stieg im betrachteten Zeit- raum von rund 11 km auf 14 km, wobei die früher vorhandenen Pfade und Grünwege (teilweise als weiße Flächen in . Abb. 4.9 zu erkennen) im Rahmen der Flurbereinigung in den 1960er- bis 1980er-Jahren überwiegend in ihrem Verlauf verändert und durch asphaltierte Feldwege ersetzt wurden. Die durch Straßen versiegelte Fläche beträgt heute etwa 2,6 ha, alle Ost-West-orientierten Wege verlaufen in oder nahe von Tiefenlinien. In der Summe hat es also eine Vielzahl von Veränderungen in der Landnutzung gegeben. Insbesondere ist problematisch, dass der stärkste Rückgang im Flächenanteil beim mehrjährigen Ackerfutter zu verzeichnen ist, das von allen Landnutzungen weitaus am wenigsten Abfuss erzeugt. Gleichzeitig haben die Landnutzungen, die besonders viel Abfuss erzeugen, vor allem Verkehrs- und Siedlungsfächen, aber auch Reihenkulturen, stark zugenommen (. Abb. 4.8). Von daher ist eine starke Änderung im Abfussvolumen zu erwarten. Die Berechnung, wenn die linken und die rechten Balken in . Abb. 4.8 ver- knüpf und das Ergebnis addiert wird, zeigt aber nur eine recht moderate Zunahme des Abfussvolumens von etwa 20 % (. Abb. 4.10). Dies liegt daran, dass sich die Efekte teilweise kompensieren. Die Ausweitung der Reihenkulturen erhöht zwar ihren Anteil am Gesamtabfuss stark, da gleichzeitig auch der . Abb. 4.9 Veränderung der Flächennutzung in einem 258 ha großen Landschaftsausschnitt Anteil des Getreides sinkt, erhöht sich die (2 1,3 km) bei Zolling, nördlich von Freising im Summe aus den Abfussanteilen von Reihen- × Tertiärhügelland seit 1858. Dargestellt sind Wald- und kulturen und Getreide nur moderat. Nur der Forstfächen (dunkelgrün), Grünland (hellgrün), Acker Einfuss der Ausweitung der Verkehrs- und (orange) und Siedlungsfächen (magenta). Der Verlauf Siedlungsfächen auf den Gesamtabfuss von Heckenzügen (dunkelbraun) ist in der Urauf- nahme von 1858 a vermerkt, der aktuelle Zustand ist deutlich. Dagegen kann selbst bei einer b waren keine Daten verfügbar. Die Topographie ist radikalen Änderung der Nutzung land- und durch 5-m-Höhenlinien (graue Linien) dargestellt forstwirtschaflicher Flächen, z. B. durch deut- c wurde durch Kartierung im Gelände und Luftbildaus- liche Verringerung des Ackeranteils oder des wertung erfasst 1973 (Datenquelle: Geobasisdaten der Anteils von Reihenkulturen zugunsten von Bayerischen Vermessungsverwaltung, teilweise durch Kartierungen ergänzt) Getreide, das Abfussvolumen nur relativ wenig verändert werden. Wesentlich stärker lässt sich das Abfussvolumen einer Land- haben, sowie bei Siedlungs- und Verkehrs- schaf durch die landwirtschafliche Bewirt- fächen die um 90 % bzw. 220 % zugenommen schafungspraxis vermindern, da dabei diese haben (. Abb. 4.8, rechte Balken). Die Länge kompensatorischen Efekte nicht aufreten. 82 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

) 120 hat. Eine vielfältige Landnutzung ist aber nur Wald dadurch zu erreichen, wenn die einzelnen 100 Grün- land Landnutzungsparzellen nicht zu groß werden. 1858, gesamt 80 Legu- Kleinteilige Schlagstrukturen verursachen fast minosen immer eine heterogene Nutzung der Fläche

% von Q 60 Getreide (insbesondere bei heterogenen Eigentumsver- ( Reihen- hältnissen). Damit geht eine hohe räumliche 40 kulturen (und zeitliche) Variabilität der Oberfächen- abfuss liefernden Flächen einher [51]. Ist 4 20 Siedlung dies gegeben, kann ein weiterer Efekt hinzu- Ab ussanteil Verkehr 0 kommen, die sogenannte Runon-Infltration 1858 1973 2018 [52, 53]. Diese tritt auf, wenn der Ober- Jahr fächenabfuss einer Fläche über eine unter- . Abb. 4.10 Veränderung der Abfussanteile in halb liegende Fläche fießt, die selbst keinen einem 2,6 km2 großen Einzugsgebiet im Tertiär- Abfuss produziert, deren Infltrationsver- hügelland nördlich von Zolling für drei unterschied- mögen also noch nicht ausgeschöpf ist. liche Zeitpunkte. Die Abfussanteile sind relativ zum Die Runon-Infltration kann besonders bei Gesamtabfuss von 1858 angegeben und über das Jahr gemittelt. Leguminosen steht für mehrjähriges, kleineren und mittleren abfusswirksamen leguminosenbasiertes Ackerfutter Regen den Gesamtabfuss vermindern, weil bei solchen Regen das Infltrationsvermögen noch nicht auf allen Flächen ausgeschöpf ist. Werden die Reihenkulturen beispielsweise in Bei sehr großen Regen, bei denen alle Flächen Mulchdirektsaat angebaut (7 Abschn. 4.5.3), liefern, kommt der Efekt dagegen zum wirkt sich die Abfussminderung voll aus, Erliegen und es bleibt nur der Efekt, dass die weil diese Änderung in der Bewirtschafung Heterogenität der Landnutzung Extreme ver- nicht mit Änderungen bei anderen Land- meidet. nutzungen einhergeht. Vor allem aber folgt Der Efekt der Runon-Infltration wurde aus dieser Auswertung die Notwendigkeit, u. a. in Modellstudien im Weiherbachgebiet in Maßnahmen zum Bremsen des Abfusses ent- Baden-Württemberg nachgewiesen [54]. Dort lang des Fließpfades zwischen Wasserscheide trugen jeweils lediglich diejenigen Acker- und Gewässernetz zu ergreifen (s. 7 Kap. 6), schläge zum Abfuss bei, die wegen geringer um den Abfussscheitel zu dämpfen, da die Bedeckung zum Zeitpunkt des Regens leicht Möglichkeiten der Verminderung der Abfuss- verschlämmt. Bei einem Regen im Früh- menge begrenzt sind. sommer waren dies Maisanbaufächen, bei einem Regen im Sommer waren es Mais, Sonnenblumen und Gemüse zu etwa gleichen 4.5.2 Flächenparzellierung Teilen und bei einem Regen im Spätsommer waren nur noch Gersten- und Gemüseschläge Aus der im Jahresverlauf stark wechselnden betrofen (. Abb. 4.11). Die übrigen Flächen Abfussdisposition verschiedener Kulturarten nahmen dagegen je nach Lage und Über- (. Abb. 4.5) folgt, dass eine vielfältige Land- strömung einen Teil des von den genannten nutzung in einem Einzugsgebiet extreme Kulturen stammenden Abfusses wieder auf, Abfüsse zu bestimmten Zeitpunkten ver- sodass Mais, der im Frühsommer als wesent- meidet, zu denen eine bestimmte Kultur licher Abfusslieferant wirkte, im Spätsommer gerade ihre besonders abfussanfällige Phase Abfuss von Nachbarfächen infltrierte. 83 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens

. Abb. 4.11 Intensität und jahreszeitliche Varianz der zum Oberfächenabfuss beitragenden Flächen, aus- gedrückt durch die berechnete Schichtdicke des Abfusses für drei Ereignisse im Einzugsgebiet Neuenbürger Pfad, Weiherbach [54]

Runon-Infltration durch Streifenanbau praktiziert werden. Dabei wird eine sehr Der Effekt der Runon-Infltration wird im große Fläche mit zwei Kulturen bebaut, Streifenanbau gezielt genutzt, der aber die sich in regelmäßigen Streifen quer in Mitteleuropa im Gegensatz zu den zur Hauptgefällerichtung abwechseln. USA nicht verbreitet ist (sogenanntes Dies ist arbeitswirtschaftlich vorteilhaft, Strip-cropping oder Strip-farming, das da weiterhin große Einheiten bleiben, nicht mit Streifenbearbeitung, englisch wenn die Streifen ein Mehrfaches der „strip-tillage“ zu verwechseln ist), das aber Maschinenarbeitsbreite betragen, da dann von der Europäischen Kommission wegen alle mit einer Kultur bestandenen Streifen der vielfältigen günstigen Wirkungen gleichzeitig und ohne Mehraufwand empfohlen wird [55]. Durch die sehr starke bewirtschaftet werden können. Die Zusammenlegung von Flächen könnte Streifen dürfen aber nicht breiter als Streifenanbau inzwischen auch in Europa eine kritische Hanglänge sein, die vom 84 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

Stofaustragsspuren (. Abb. 4.12), auch wenn Gefälle abhängt. Sie gilt gleichermaßen die Nutzung in dem Fall die Bedingungen für die Erosionsvorsorge und kann nach eines echten Streifenanbaus noch nicht erfüllt 7 Gl. 6.1 in 7 Abschn. 6.1 ermittelt hatte. werden. Für übliche Gefälleneigungen Als Alternative zum Streifenanbau, der von 4 bzw. 8 % ergeben sich kritische große Gewanne voraussetzt, lässt sich die Hanglängen von rund 100 bzw. 60 m (vier Runon-Infltration nutzen, wenn die Tiefen- Maschinenbreiten bei Düngestreuern linien begrünt sind, in denen der Abfuss 4 entsprechen häufg 60 m). Damit wird sich sammelt und über eine lange Strecke erreicht, dass der Abfuss von einem weiterfießt. Bei langjährigen Versuchen im Streifen breitfächig in den nächsten Klostergut Scheyern wurde gemessen, dass in Streifen fießt und dort möglichst einem 15–20 m breiten und mehrere 100 m vollständig versickert. langen Grasstreifengerinne für einzelne Ereig- nisse bis zu 45 % des in den angrenzenden Äckern entstehenden und in den Gras- Der Streifenanbau vermindert nicht nur den streifen entwässernden Oberfächenabfusses Oberfächenabfuss, sondern ist auch ein wieder infltrierte [58]. In einer fächenhafen efzientes Mittel zur Erosionsminderung Modellierung eines großen Einzugsgebietes [56]. Die Wirkung eines Fruchtartenwechsels zeigte sich, dass in ackerbaudominierten am Hang ist anhand von Lufbildaufnahmen Gebieten bereits 2,4 % Grünland in Form von nach Starkregenereignissen gut zu erkennen schmalen Streifen entlang der Hangmulden [57]. Im Vergleich zu einem einheitlichen, genügen, um im Sommer die Abfusshöhe um nicht untergegliederten Maisfeld zeigen sich etwa 30 % und den Scheitelabfuss um etwa dort deutlich geringe Erosionsrinnen und 40 % zu reduzieren. Die Werte sind etwas

. Abb. 4.12 Luftbildaufnahme einer Hanglage nach einem Stundenniederschlag von 18 mm am 10.06.2011. Trotz Querbearbeitung kam es in dem langgestreckten Maisfeld (rechte Bildhälfte) zu Hangmuldenabfuss und starkem Bodenabtrag (Schwämmfächer unten rechts). In der linken Bildhälfte wurde eine stärkere Bodenerosion und die Ausbildung eines konzentrierten Hangmuldenabfusses durch den Fruchtartenwechsel und die dort auftretende, höhere Infltration sowie die reduzierte, kritische Hanglänge verhindert (Quelle: W. Bauer, Agroluftbild) 85 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens höher für häufg aufretende Abfussereig- nisse und geringer für seltene Abfussereig- erlebten. So gilt eine Terrassierung nisse und auch geringer im Winter [9]. Das des Geländes auf erosionsanfälligen Standorten mit einem Gefälle 7 % in Modellgebiet Zolling zeigt, dass dies bis weit ≥ ins 20. Jahrhundert die typische Anordnung den USA heute als best-management des Grünlandes war, das als schmale Bänder practice zum Wasser- und Stoffrückhalt in den Tiefenlinien lag (. Abb. 4.9). [61]. Im Chinesischen Lössplateau wurden Aus diesen Überlegungen ergibt sich in den letzten Jahrzehnten etwa 50 % auch, dass vor allem hoch infltrationsfähige der ackerbaulichen Nutzfächen mit einem Gefälle 5 % terrassiert [62]. Der Flächen in Gewässernähe, die bei Starkregen ≥ überfutet werden und einen Teil des Wassers wesentliche Mechanismus von Terrassen durch Infltration aufnehmen, vorteilhaf besteht darin, dass die Hanglänge wären. Die tatsächliche Entwicklung verlief verkürzt und Schicht- und Rinnenerosion aber konträr zu diesen Überlegungen. Nach durch die geringere Neigung und der Bodennutzungsstatistik betrug der Grün- die Verlängerung der Fließweglänge landverlust zum Beispiel in Bayern zwischen weitgehend verhindert werden kann. 1960 und 2014 rund 651.000 ha [59]. Wird Neben dieser den Abfuss bremsenden davon ausgegangen, dass überwiegend das Wirkung können Terrassen auch deutlich Feuchtgrünland in Muldenzügen und Tal- Abfussvolumen zurückhalten, wenn lagen von der Umwidmung betrofen ist sie als kaskadenförmige Rückhalte- und [60], entspricht dies rechnerisch dem Verlust Absetzfächen konstruiert werden. eines 65 m breiten Grünlandstreifens ent- Dies wirkt gleichzeitig Trockenheit lang des gesamten, rund 100.000 km langen entgegen, die immer der zweite bayerischen Fließgewässernetzes. Gleichzeitig Schadmechanismus ist, wenn Niederschlag wurde durch die Gräben und Verrohrungen als Oberfächenabfuss abfießt. Terrassen ein sekundäres Entwässerungsnetz geschafen, sind daher ein sehr effektives und das bei Oberfächenabfuss anspringt, sodass ganzheitliches Mittel, den Wasser- und der Oberfächenabfuss am noch vorhandenen Stoffhaushalt einer Landschaft positiv Grünland vorbeigeleitet wird. zu beeinfussen. In Deutschland sind Terrassen bis heute nur selten und vor allem auf Steilhängen, z. B. im Wirkung von Terrassen Weinanbau, anzutreffen. Studien aus Terrassen mindern Erosion und rebterrassierten Einzugsgebieten im Oberfächenabfuss gleichermaßen Ostkaiserstuhl zeigen, dass der Hauptanteil (. Abb. 4.13). Ihr Potenzial ist insbesondere des Oberfächenabfusses dort durch bei langen Hängen groß, weniger befestigte Wege entsteht, wobei sich wegen ihres Einfusses auf die Infltration der Oberfächenabfuss proportional (. Abb. 4.16), als vielmehr, weil sie den zur Vergrößerung des versiegelten Abfuss verlangsamen. Aus gleichem Grund Flächenanteils erhöht [63, 64]. Eine vermindern sie auch den Bodenabtrag, Modellierungsstudie aus Tschechien da die Transportkapazität des Abfusses schätzt, dass Terrassen den Scheitelabfuss stark von der Fließgeschwindigkeit 100-jährlicher Niederschläge um über abhängt. Terrassen werden seit der 40 % reduzieren können [65]. Zur Anlage Antike für landwirtschaftliche Zwecke von Terrassen und zur Abschätzung ihrer angelegt und genutzt, wobei sie sowohl Wirkung auf Wasser und Erosion existieren in den USA als auch in China in der Mitte vor allem in den USA umfangreiche des 20. Jahrhunderts eine Renaissance Untersuchungen [61]. 86 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

wird der Jahresgang deutlich ausgeglichener (. Abb. 4.14, blaue Linie). Die Abfussneigung im Frühjahr und Frühsommer geht stark zurück, dafür steigt allerdings die Abfuss- neigung im Sommer und Herbst. In der Jahressumme ergibt sich kein Unterschied zwischen einer Maismonokultur und dieser Fruchtfolge. Bei ergiebigen Regenereignissen 4 im Dezember kann die Fruchtfolge sogar etwas ungünstiger sein, da insbesondere der Winterweizen in dieser Zeit kaum den Boden bedeckt, der Bodenwasservorrat bereits . Abb. 4.13 Wasser- und Stoffrückhalt in der Flur wieder zu einem großen Teil aufgefüllt ist und durch hanggliedernde Terrassenstufen mit einem zum der Saatbettzustand abfussanfälliger ist als ein Hang hin gerichteten Gefälle in den USA (Quelle: NRCS gepfügtes Feld nach der Maisernte, bei dem Gallery) der Bodenwasservorrat noch zu einem großen Teil entleert ist. Dennoch hat die Fruchtfolge 4.5.3 Landwirtschaftliche gegenüber der Monokultur Vorteile, da sich Bewirtschaftungspraxis dadurch eine Strukturierung der Landschaf ergibt (s. 7 Abschn. 4.5.2). Auch treten im Die Möglichkeiten, innerhalb der Winterhalbjahr die hohen Intensitätsspitzen ackerbaulichen Nutzung durch normalerweise nicht auf, so dass in dieser Zeit Bewirtschafungsmaßnahmen die Abfuss- zwar viel Abfuss möglich ist, die maximalen höhe zu verringern, sind groß und lassen sich Abfussraten aber geringer bleiben als in den mithilfe des CN-Verfahrens gut quantifzieren Sommermonaten. und planen. Dies soll hier an einem Beispiel gezeigt werden. Dabei wird von der hydro- 20 logischen Bodengruppe C und unterschied- 30 lichen Feldfrüchten und Anbauverfahren 40 ausgegangen. Der Bemessungsniederschlag 30 50

soll im Februar 30 mm betragen und bis 60 Regen (mm) August linear auf 60 mm ansteigen, um kM + WGt dann wieder linear bis zum Februar auf 20 30 mm abzufallen (. Abb. 4.14, Balkendia- Mono-M

gramm). Als ungünstigster Fall wird von Ab uss (mm) Mds-M einer Maismonokultur ausgegangen, also 10 + WGt dem wiederkehrenden Anbau von Mais ohne zwischengeschalteten Fruchtartenwechsel. Bei konventionell angebauter Maismonokultur 0 . Juli

ist die Abfussbildung von Winter bis Früh- Ma i Okt . Jun i Jan. Feb. Apri l Nov. Dez. Aug. März sommer hoch. Die Abfusshöhe beträgt 20 bis Sept 24 mm (. Abb. 4.14, rote Linie). Sobald der . Abb. 4.14 Jahresgang des Oberfächenabfusses Reihenschluss bei Mais im Sommer erreicht von Monokultur-Mais (Mono-M), konventionell ist, infltrieren dagegen selbst die hohen hier angebautem Mais und Wintergetreide im jährlichen angenommenen Bemessungsniederschläge Wechsel (kM + WGt) und eine Fruchtfolge aus Mulch- vollständig. direktsaat-Mais und Wintergetreide (Mds-M + WGt). Die Werte gelten für die hydrologische Bodengruppe Ersetzt man die Hälfe des Maises und C. Der angenommene Jahresgang des Bemessungs- baut jedes zweite Jahr Wintergetreide an, regens ist als Balkendiagramm oben dargestellt 87 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens

Der Hauptvorteil der Fruchtfolge Grünland und Wald liefert die abfrierende Mais-Wintergetreide liegt darin, dass Zwischenkultur bis in den Dezember eine nun Mulchdirektsaat des Maises möglich üppige, lebende Pfanzendecke. Erfolgt die wird. Dabei wird nach dem Getreide eine Maissaat ohne Bodenbearbeitung („direkt“), abfrierende Winterzwischenfrucht (z. B. Senf) bedeutet dies, dass der Boden mindestens angebaut und der Mais im nächsten Jahr ohne 15 Monate von der Aussaat des Senfs bis zur Bodenbearbeitung in den abgefrorenen Senf- Ernte des Maises nicht bearbeitet wird. Beim bestand eingesät. Dies schließt insbesondere konventionellen Anbau bedecken dagegen die Lücke der Bodenbedeckung im Winter, da alle Ackerkulturen – egal ob Getreide oder ein dichter, wüchsiger Zwischenfruchtbestand Reihenfrüchte – den Boden höchstens neun, bis in den Dezember hinein vorhanden ist. manchmal sogar nur sechs Monate. Durch die Direktsaat sind auch unmittelbar nach der Saat noch mindestens 30 % Boden- bedeckung gegeben. Die Abfussmengen Wirkungen der langen Bodenruhe bei in den Wintermonaten halbieren sich und Mulchdirektsaat gleiches gilt für das Jahresmittel (. Abb. 4.14, Die lange Zeit der Bodenruhe von deutlich grüne Linie). über einem Jahr, bei der der Boden immer Warum die Mulchdirektsaat so zu mehr als 30 % bedeckt bleibt, löst eine außerordentlich efzient ist, wird durch Vielzahl von hydrologisch und hydraulisch . Abb. 4.15 illustriert. Sie zeigt den Senf, bedeutsamen Veränderungen aus [22, 66]: der nach Wintergetreide Ende Juli/Anfang 1. Die Regenwurmzahl steigt um 50 %. August angebaut worden war und der sich Die Zahl der Regenwurmröhren in den zu dem Zeitpunkt im September bereits stark obersten 5 cm des Bodens verfünffacht entwickelt hat und blüht, während der Mais sich sogar, da sie nicht durch eine im Hintergrund mindestens noch einen Bodenbearbeitung zerstört werden; sie Monat bis zur Ernte benötigt. Dies bedeutet, bleiben hydraulisch wirksam. dass es keine Lücke in der Bodenbedeckung 2. Ohne Saatbettbereitung bleibt die gibt. Im Gegensatz zu allen überwinternden Bodenbedeckung hoch. Dadurch Ackerkulturen und selbst im Gegensatz zu kann die Bodenoberfäche nicht verschlämmen und behält ihre Infltrationsfähigkeit; die Pfahlwurzel und der starke Stängel des (abgestorbenen) Senfs verhindern ein Aufschwimmen und Abschwemmen der Mulchdecke und schaffen biogene Grobporen. 3. Die Aggregatstabilität steigt; die sogenannte Perkolationsstabilität, die die Stabilität gegenüber plötzlicher Befeuchtung testet, verzehnfacht sich sogar. Auch dies schützt die Bodenoberfäche vor Verschlämmung und verhindert, . Abb. 4.15 Illustration der Mulchsaat, die das zeit- dass an der Bodenoberfäche liche Hintereinander von Senf und Mais als räumliches Nebeneinander zeigt (Erläuterung s. Text); der Unter- endende Regenwurmröhren durch schied zwischen Mulchsaat und Mulchdirektsaat ist zu Einschwemmen von Bodenteilchen diesem Zeitpunkt (September) noch nicht zu sehen verstopfen. (Quelle: K. Auerswald) 88 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

4. Die Fließstrecke des Abfusses auf der Scheyern bestätigt [69]. Trotz dieses enormen Oberfäche erhöht sich, da Stängel Potenzials für den Wasser- und Stofrückhalt und abgestorbene Pfanzenteile als hat sich die Direktsaatvariante der Mulch- Hindernis wirken. Gleichzeitig sinkt die saat in der landwirtschaflichen Praxis bislang Geschwindigkeit des Abfusses durch wenig verbreitet [70]. die höhere Rauheit der Mulchdecke. Der Abfuss ließe sich noch weiter Dadurch steigt die Schichtdicke des reduzieren, wenn der Anbau konturparallel 4 Wassers auf der Bodenoberfäche. erfolgen würde (. Abb. 4.16, blaue Linie). Wenn die Schichtdicke zwei Gerade große Flächen böten dazu die Tropfendurchmesser erreicht (ca. Möglichkeit. Allerdings sind die in Deutsch- 5 mm), wirkt das Oberfächenwasser land überwiegend verwendeten Land- selbst als Mulch („Wassermulch“; [67, maschinen, insbesondere der Wendepfug, für 68]), der die kinetische Energie der eine konturparallele Bewirtschafung nicht Regentropfen von der Bodenoberfäche geeignet, da sie den Kurven der Kontur nur abhält. schwer folgen können. Bei konturparalleler Bewirtschafung ließe sich auch noch eine Terrassierung Mulchsaat, bei der die Reihenkultur nicht etablieren, was den Abfuss weiter senken direkt, sondern mit einer leichten Bodenbe- würde (. Abb. 4.16, braune Linie). Alle arbeitung gesät wird, hat dagegen diese Vor- Maßnahmen (Mulchdirektsaat, Kontur- züge nicht. Sie verkürzt nur die Periode, in nutzung und Terrassierung) zusammen- der der Boden unbedeckt bleibt, um etwa genommen senken den Abfuss in den fünf Monate, da das Pfügen Ende Oktober/ kritischen Monaten auf etwa ein Drittel Anfang November entfällt und die Bodenbe- und die Jahressumme sogar auf ein Viertel arbeitung erst zur Saat (je nach Reihenkultur ab. Die Wirkung auf den Abfussscheitel ist Ende März bis Ende April) erfolgt. Eine noch weit höher, da alle drei Maßnahmen durchgehende Bodenruhe wird dadurch aber gleichzeitig auch die Fließgeschwindigkeit nicht erreicht. herabsetzten (s. 7 Abschn. 7.3.5). Aus dem Wegen der vorzüglichen Wirkung der könnte gefolgert werden, dass eine Kontrolle Mulchdirektsaat würde die Abfussneigung von Sturzfuten einfach und allein mit nicht weiter sinken, sondern sogar steigen, Bewirtschafungsmaßnahmen möglich wäre. wenn der Maisanteil in der Fruchtfolge Dies ist jedoch aus mehreren Gründen ein auf unter 50 % gesenkt würde. Dann wäre Trugschluss. Die Mulchdirektsaat erfordert Mulchdirektsaat nicht mehr jedes zweite Jahr hohes landwirtschafliches Können, für den möglich. Gleiches gilt auch für den Boden- konturparallelen Anbau ist in Deutsch- abtrag, der bei einer Fruchtfolge aus 50 % land die Maschinenausstattung überwiegend Reihenkulturen und 50 % Wintergetreide nicht vorhanden und die Terrassierung ist innerhalb der ackerbaulichen Möglich- eine Ingenieuraufgabe, die nur in umfang- keiten am geringsten ist, sofern die Reihen- reichen Flur- und Bodenneuordnungsver- kulturen in Mulchdirektsaat mit einer fahren zu lösen wäre. Vor allem aber wurde Bodenbedeckung > 30 % angebaut werden. in . Abb. 4.5 gezeigt, dass Ackerfächen in Diese vorzügliche Wirkung der Mulchdirekt- den Sommermonaten nur etwa 20 % bis 30 % saat bei 50 %-igem Reihenkulturanteil hin- zum Gesamtabfuss beitragen. Zusätzliche sichtlich Abfuss- und Abtragsreduktion hat Maßnahmen außerhalb der Ackerfächen sind sich in langjährigen Abfuss- und Abtrags- daher unerlässlich. messungen in kleinen Einzugsgebieten in 89 4 4.5 · Ansatzpunkte zur Reduktion des Abfussvolumens

20 30 vielfältigere Fruchtfolge der Jahresgang 40 der Abfussbildung noch ausgeglichener 30 50 wird (. Abb. 4.17, braune Linie).

60 Regen (mm) Insbesondere die hohe Abfussneigung von Winter bis Frühsommer wird durch 20 das Kleegras gemildert. Dies stimmt auch mit Erfahrungen aus der Literatur überein: Ab uss (mm) Mds-M Eine umfassende Literaturauswertung 10 Mds-M + Kontur. [71] ergab, dass in etwa 40 % der Fälle Mds-M + der organische Landbau zu weniger Terrass. Abfuss führte als der konventionelle, 0 . in weiteren 40 % trat kein Unterschied Juli Ma i Jan. Okt . Jun i Feb. Dez. Nov. Aug. April März

Sept auf und in ca. 20 % der Fälle war der Abfuss im organischen Landbau höher. . Abb. 4.16 Simulierter Jahresgang des Ober- Es muss allerdings angeführt werden, fächenabfusses von abwechselnd Mulchdirektsaat- dass sich der organische Landbau mit Mais und Wintergetreide in Gefällerichtung (Mds-M), bei Konturnutzung (Mds-M + Kontur.) und bei Kontur- dem CN-Verfahren nur eingeschränkt nutzung mit Terrassierung (Mds-M + Terrass.). Die abbilden lässt. Insbesondere werden Werte gelten für die hydrologische Bodengruppe C. mögliche Nachwirkungen des Kleegrases Der angenommene Jahresgang des Bemessungs- in den folgenden Jahren, z. B. eine erhöhte regens ist als Balkendiagramm oben dargestellt Aggregatstabilität (s. [71, 72]), in . Tab. 4.2 nicht berücksichtigt, da sie nicht beim Wirkungen des organischen Landbaus Kleegras selbst auftreten, sondern bei den Für den organischen (ökologischen) Folgekulturen. Die Ergebnisse von [18] Landbau ist Mulchdirektsaat keine deuten darauf hin, dass die CN-Werte in Option, da im organischen Landbau den Kulturen, die auf mehrjähriges Kleegras chemische Unkrautbekämpfungsmittel folgen, niedriger sind als bei anderen nicht angewendet werden können Vorfrüchten. Allerdings hatten die Autoren und eine Unkrautkontrolle vor der Saat mineralisch gedüngte Systeme untersucht der Reihenkultur dort nur durch eine [18]. Auch ist unklar, ob sich das geringere mechanische Bodenbearbeitung möglich Ertragsniveau der Kulturen auswirkt ist. Der organische Landbau zeichnet sich und zu höheren CN-Werten führt. Diese dadurch aus, dass die Fruchtfolgen i. d. R. Einschränkung ist allerdings kein Mangel mehrjähriges Kleegras enthalten, da die des CN-Verfahrens selbst, sondern liegt nur Stickstofffxierung des Klees den Wegfall daran, dass die für die Parametrisierung von Mineraldünger kompensieren muss. notwendigen Daten für den organischen Kleegras ist wegen der durchgehenden Landbau nicht erhobenen wurden. Auch Bedeckung günstiger als die anderen wurde der organische Landbau hinsichtlich Ackerkulturen (vgl. CN-Werte in . Tab. 4.2). seiner Umweltwirkungen wie der Bildung Vergleicht man die vorher verwendete von Oberfächenabfuss kaum optimiert, konventionelle Mais-Wintergetreide- sondern es wird nur allgemein davon Fruchtfolge mit einer typischen Fruchtfolge ausgegangen, dass er besser ist als der des organischen Landbaus aus zwei Jahren konventionelle Anbau. Daher ist auch nicht Kleegras, einem Jahr einer Reihenkultur verwunderlich, wenn er gegenüber einem und zwei Jahren Wintergetreide, so zeigt in dieser Hinsicht optimierten Verfahren sich in der Modellierung, dass durch die wie der Mulchdirektsaat zurückfällt. 90 Kapitel 4 · Abflussentstehung – wie aus Niederschlag Abfluss wird

20 7. Kleeberg R-B, Overland H (1989) Zur Berechnung 30 des effektiven oder abfusswirksamen Nieder- 40 schlags. Mitt Inst Wasserwesen 32: Universität der Bundeswehr München, Neubiberg 30 50 8. Auerswald K, Haider J (1996) Runoff curve

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Abfusskonzentration – wie Abfuss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

5.1 Grundprinzipien und wesentliche Einfussgrößen – 96 5.2 Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten – 97 5.3 Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit – 102 Literatur – 110

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_5 96 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

Dieses Kapitel befasst sich mit der und das Niveau des Scheitels einer Abfuss- zunehmenden Bündelung und der damit ein- oder Hochwasserwelle. hergehenden Beschleunigung des Abfusses. Die Fließpfade und ihre hydraulischen Zunächst werden allgemeine Grundprinzipien Eigenschafen sind vielfältig. Einfussgrößen und Einfussgrößen vorgestellt (7 Abschn. 5.1). von übergeordneter Bedeutung sind das Dann folgt eine kurze Beschreibung typischer Gefälle, die Rauheit des Untergrunds und Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, die Querschnittsgeometrie des Fließpfades, ländlichen Einzugsgebieten (7 Abschn. 5.2). die den hydraulischen Radius bestimmt. Darauf aufauend werden hydraulische Das Gefälle ergibt sich primär aus der Topo- Grundlagen und Methoden zur Bestimmung graphie der Oberfäche. Die Rauheit hängt 5 von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit stark von der Landnutzung ab, wobei ver- beschrieben (7 Abschn. 5.3). Insbesondere siegelte Flächen besonders glatt und dicht die Konzentrationszeit ist wichtig. Sie ist die bewachsende Flächen mit unregelmäßigem Zeit, die Oberfächenabfuss benötigt, um von Untergrund (z. B. Auwälder) hydraulisch sehr der Wasserscheide bis zu einem defnierten rau sind. Glatte Flächen beschleunigen, raue Bezugspunkt, z. B. einer Ortschaf, zu fießen. bremsen den Abfuss. Für den Einfuss der Der Bezugspunkt richtet sich nach den ört- Querschnittsgeometrie gilt, dass die Reibung lichen Gegebenheiten und wird je nach Frage- hoch und damit der Abfuss langsam ist, wenn stellung festgelegt. Die Konzentrationszeit die Fließtiefe im Vergleich zur Fließbreite sehr lässt sich über die sogenannte Geschwindig- gering ist. Durch die zunehmende Bündelung keitsmethode aus der Summe der Fließzeiten des Abfusses von der Wasserscheide bis in des Abfusses in verschiedenen Abfuss- die Gewässer nehmen die Fließtiefe und abschnitten abschätzen. Die vorgestellten damit die Fließgeschwindigkeit daher im All- Ansätze bilden die Grundlage zur Ableitung gemeinen zu, obwohl das Gefälle geringer von Maßnahmen zur Abfussverzögerung bzw. wird. Weitere Einfüsse auf die Abfuss- zur Abschätzung ihrer Wirkung (7 Kap. 6). konzentration in der Fläche ergeben sich aus 7 Anhang 8.2 ist eine Ergänzung dieses Strukturen, die Wasserfüsse lenken oder Kapitels und fasst hydraulische Eigenschafen eigene Fließwege erzeugen. Dazu können ausgewählter Fließpfade zusammen. Zur Ver- beispielsweise Gräben, Feldraine und anschaulichung der Methoden enthält 7 Kap. 7 Schlaggrenzen, Wege, Verrohrungen oder ein Anwendungsbeispiel, bei dem die Einfüsse Drainagen, aber auch Hecken und Mulden von Wegseitengräben und der Bewirtschafung gehören [1]. Steht die Abfusskonzentration auf Fließzeit und Scheitelabfuss in einem auf einzelnen, landwirtschaflichen Schlägen kleinen Einzugsgebiet abgeschätzt wird. im Fokus, sind Richtung und Art der Bewirt- schafung wichtig für die Fließrichtung. Entsprechend vielseitig sind auch die 5.1 Grundprinzipien und Ansatzpunkte zum Bremsen des Abfusses: wesentliche Einfussgrößen Sie erstrecken sich über den kompletten Fließpfad von der Wasserscheide bis in Abfießender Regen wird entlang seiner die Gewässer, und sie umfassen ein breites Fließstrecke an der Wasserscheide beginnend Repertoire an Maßnahmen, wie Saat- und bis in die Gewässer zunehmend und Bodenbearbeitungstechniken, die gebündelt. Die Länge und Dichte der Erschließung und Gliederung der Flur, den Fließpfade sowie deren hydraulische Eigen- Wegebau, die Gestaltung von Gräben zur schafen bestimmen die Geschwindigkeit, mit Wasserführung oder den Einsatz von Rohren der Wasser aus der Fläche abgeleitet wird, und Drainagen. Dadurch wirken auch zahl- und damit die Fließ- bzw. Konzentrationszeit reiche Akteure mit. 97 5 5.2 · Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten

5.2 Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten

Übersteigt die Niederschlagsintensität die Infltrationsrate (s. 7 Kap. 4), entsteht in der Fläche Schichtabfuss. Dies ist ein meist wenige Millimeter starker, fächenhaf auftretender und nicht zusammenfießender Abfuss auf der Bodenoberfäche. Er ist insbesondere auf landwirtschaflichen Flächen auch für Erosion und Stofransport bedeutsam. Der Schichtabfuss dominiert an . Abb. 5.1 Abfolge und zunehmende Konzentration der Wasserscheide oder unterhalb einer des Oberfächenabfusses auf einem querbearbeiteten wasserableitenden Struktur, bündelt sich Ackerschlag vom Schichtabfuss (1), zum Fließen in dann aber üblicherweise rasch, d. h. häufg verästelten Rillen und Rinnen (2) und dem Abfuss in nach 50 m spätestens meist nach 100 m, Hangmulden (3) nach einem Starkregenereignis von 1 in fein-verästelten Rillen und Rinnen. Die 54 mm h− am 21.08.2012. (Quelle: W. Bauer, Agro- luftbild) Fließstrecke, nach der dies erfolgt, hängt stark von der Stabilität und Beschafenheit der Oberfächenstruktur ab. Durch die Art der Pfanzenteile meist hoch und ändert sich im angebauten Früchte und die Bewirtschafungs- Jahresverlauf kaum. Dadurch ist die mittlere weise variiert dies jahreszeitlich. Dennoch Abfussgeschwindigkeit des Oberfächen- bilden sich auf Ackerschlägen of typische abfusses gering und die Strecke ist lang, die Abfussmuster aus. Diese Rillen und Rinnen Oberfächenabfuss als facher (und lang- entwässern dann über geomorphologisch samer) Schichtabfuss zurücklegt. Da der bedingte Hangmulden weiter. In Hangmulden Abfuss sich nicht einschneiden kann, entfällt können an Schlaggrenzen und Hangfüßen bei das Fließen in Rinnen und Rillen bei Wald Starkregen bereits Abfussraten von mehreren und Grünland of ganz. Dadurch wird die hundert Litern pro Sekunde aufreten. Die Strecke des Schichtabfusses besonders bei Fließpfade in der Fläche lassen sich daher in Grünland viel länger als auf Ackerfächen, da drei Abschnitte untergliedern (. Abb. 5.1): der Schichtabfuss hier direkt in den Hang- 1. das fächenhafe Fließen (Schichtabfuss), muldenabfuss übergeht. Entsprechend 2. der Abfuss in verästelten Rinnen und vermindern Wald und Grünland Abfuss- Rillen (facher konzentrierter Abfuss) bildung, Abfussgeschwindigkeit und Abfuss- und konzentration. 3. der Hangmuldenabfuss in Tiefenlinien Besonders problematisch für die Ent- (facher, stärker konzentrierter Abfuss). stehung von Oberfächenabfuss und Erosion sind dagegen einheitlich mit Reihenkulturen Grundsätzlich gilt: Je rauer die Oberfäche, (z. B. Kartofel, Soja, Mais, Zuckerrübe oder desto langsamer die Fließgeschwindigkeit Sonnenblumen) bestellte, langgezogene und desto schwächer auch die Abfuss- Hänge. Bei Starkregenereignissen, vor allem konzentration, weil das Einschneiden der im Mai und Juni, verschlämmen diese durch Rillen und Rinnen später erfolgt. In Wäldern den späten Reihenschluss of rasch und bieten und auf Grünland ist die Bedeckung durch dadurch keinen wirksamen Schutz vor einer Streu und auf dem Boden aufiegende efektiven Abfusskonzentration. Es bilden 98 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

5 . Abb. 5.2 Massive Bodenabschwemmungen aus Maisfeldern und Abfuss in Tiefenlinien nach Starkregen- ereignissen vom 06.06.2016 (a) und 04.06.2016 (b) im Gebiet zwischen Hemau und Laaber (Bayern). In der linken Hälfte des rechten Luftbildes wurden Abfusskonzentration (kein baumartig verzweigtes Netz aus Fließpfaden) und Erosion weitgehend durch die Grünlandparzelle verhindert. (Quelle: W. Bauer, Agroluftbild Obertraubling in [3])

sich deutliche Fließmuster, wie sie Lufbild- Rohren verlaufen. Solche Strukturen könnten aufnahmen von Maisfeldern (. Abb. 5.2), die prinzipiell, verglichen mit natürlichen etwa 10-jährlichen Starkregenereignissen aus- Fließpfaden, den Abfussweg verlängern. gesetzt waren, anschaulich zeigen [2]. Heute sind künstlich angelegte Strukturen Sind lineare Landschafselemente vor- allerdings meist kürzer und auch glatter, handen, die den Abfuss ableiten, bevor wodurch konstruierte Fließpfade in der Regel er sich in Hangmulden sammelt, können den Abfuss beschleunigen [6]. Ein weiterer die Fließwege zwischen einzelnen Feldern negativer Efekt der beschleunigten Ableitung und dem Gewässernetz vielfältig sein. von Oberfächenwasser besteht darin, dass das Üblicherweise erfolgt der Abfuss entweder Pufer- und Retentionspotenzial in der Fläche über Schlaggrenzen hinweg der Topo- und im Boden nicht oder nur in reduzierter graphie folgend in Hangmulden durch Form genutzt wird, wodurch lineare Ent- angrenzende Felder oder er wird durch wässerungsstrukturen auch erheblich zur Ranken, Hecken und Wege oder in Weg- stofichen Gewässerbelastung beitragen [5]. seitengräben und Verrohrungen umgeleitet Das Netz von Fließpfaden und Ent- und auf konstruierten Entwässerungspfaden wässerungswegen in kleinen Einzugsgebieten zum nächsten Vorfuter geleitet (. Abb. 5.3). wird also nicht nur von der Topographie, Die Bedeutung dieser linearen, den Ober- sondern auch stark von der Gliederung der fächenabfuss leitenden Strukturen ist den Flur und ihrer Erschließung durch Wegenetz handelnden Akteuren of nicht bekannt und und Gräben, aber auch von Drainagen und ihre Efekte werden in den meisten Studien Verrohrungen geprägt. Lineare Strukturen nicht berücksichtigt [1]. Detaillierte Ana- lenken die aufretenden Wasserfüsse erheb- lysen kleiner Einzugsgebiete, z. B. aus dem lich und beeinfussen damit, wie viel Ober- Schwimmbachgebiet [4] oder aus Österreich fächenabfuss infltrieren und zurückgehalten [5], belegen jedoch, dass of 40 % der Fläche werden kann und wie schnell der Abfuss kleiner Einzugsgebiete nicht über topo- in die Gewässer gelangt. Dadurch können graphisch bedingte Fließpfade entwässern, lineare Strukturelemente einen wichtigen Bei- sondern über konstruierte Fließwege. trag zum Erosionsschutz und zur Sicherung Diese bestätigen auch eigene Erhebungen der stofichen Wasserqualität leisten oder im Tertiärhügelland, wo fast 60 % der Ent- das Gegenteil bewirken. Die Förderung wässerungswege in künstlichen Gräben und des Wasserrückhalts in der Fläche und die 99 5 5.2 · Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten

. Abb. 5.3 Fließpfade des Abfusses zwischen Feld und Gewässernetz können vielfältig sein und beispielsweise an Schlaggrenzen (a), in Tiefenlinien (b) oder entlang von Bewirtschaftungsstrukturen wie Ackerrand- furchen oder in Wegseitengräben verlaufen (c). Insbesondere Wegseitengräben können topographisch bedingte Entwässerungswege unterbrechen und durch effziente Fließwege ersetzen (d). (Bildquellen: boden:ständig (a und c), S. Seibert (b und d))

Minimierung der stofichen Gewässer- amtlichen Statistik ist bekannt, dass beispiels- belastung setzen daher neben einem Ver- weise in Bayern rund 210.000 km Feld- und ständnis für die Prozesse der Abfussbildung rund 100.000 km Waldwege vorhanden sind, auch Kenntnisse über die Fließwege zwischen wovon rund 60 % erst seit den 1960er-Jahren Wasserscheide und Gewässer voraus. Da viele gebaut wurden [8]. Dies entspricht etwa der Strukturen, insbesondere die Verläufe von dreifachen Länge des in Bayern vorhandenen Gräben, kleinen Wällen oder Verrohrungen Fließgewässernetzes. Damit wird schon allein selbst aus hochaufösenden Geländemodellen aufgrund der Länge des Wegenetzes und der kaum zuverlässig extrahiert werden können, dadurch versiegelten oder stark verdichteten sind Gebietsbegehungen häufg unerlässlich, Fläche der Wasserhaushalt verändert. Gleich- um den Verlauf der Fließwege zu erfassen. zeitig gehen mit einer Veränderung des Unter den linearen Strukturen sind Wegenetzes fast immer Veränderungen der Wege und Wegseitengräben von besonderer Landnutzung und -struktur einher. Beides Bedeutung. Sie beeinfussen die Abfuss- kann kaum unabhängig untersucht werden. konzentration kleiner Einzugsgebiete stark und Die wenigen vorhandenen quantitativen Ein- nachhaltig, indem sie den Anteil der versiegelten schätzungen beruhen auf Modellierungs- Fläche erhöhen, die Landschaf zerschneiden studien, Messkampagnen aus sehr kleinen und dadurch natürliche Entwässerungswege Einzugsgebieten und dem Vergleich fur- und Einzugsgebietsgrenzen verändern sowie bereinigter und nicht furbereinigter Einzugs- zusätzliche Fließpfade schafen [7]. Aus der gebiete. Für Letztere ist aus Südwestdeutschland 100 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

bekannt, dass in furbereinigten Gebieten der Gesamtabfuss im Jahr etwa 30 % höher und die Scheitelabfüsse bis zu 4-fach größer sein können als in nicht furbereinigten Gebieten [9, 10]. Dies deckt sich mit Untersuchungen aus der Schweiz, wo der Einfuss der Flurbereinigung, vor allem der Bau von Wegen, Wegseiten- gräben und Dränen, auf das Abfussverhalten von drei kleinen (130, 180 und 380 ha) landwirtschaflichen Einzugsgebieten untersucht 5 wurde [11]. In Modellierungsstudien konnte für das Wahnbacheinzugsgebiet gezeigt werden, dass der Abfuss bei Berücksichtigung des Wegenetzes um 20 % ansteigt [12]. Für kleine, terrassierte Weinbaugebiete im Kaiserstuhl wird . Abb. 5.4 Netzwerk aus Gräben (74 km) zusätz- beschrieben, dass der Hauptanteil des Ober- lich zum Netz der Bäche (54 km) im 47 km2 großen fächenabfusses durch befestigte Wege entsteht Einzugsgebiet des Schwimmbachs bei Marklkofen an und dass der Anteil des Oberfächenabfusses der Vils [15] proportional zur Vergrößerung der versiegelten Flächen zunimmt [13]. Eine wesentliche Eigenschaf von Wegen Detaillierte Erfassungen von Wegseitengräben besteht also darin, dass sie, durch die Bereit- in Beispielgebieten verdeutlichen jedoch, stellung versiegelter Flächen, immer und dass Gräben die Landschaf vielerorts sehr unabhängig von der Niederschlagshöhe zum feingliedrig erschließen und parallel zu den Abfussgeschehen beitragen [7]. Bei kleinen Gewässern III. Ordnung ein sekundäres Ent- Niederschlagsereignissen ist ihr Beitrag über- wässerungsnetz entstand (. Abb. 5.4; s. a. proportional groß, weil da die übrige Fläche 7 Kap. 7). Beim Aufreten von Oberfächen- noch keinen Abfuss liefert. Bei großen Ereig- abfuss wird es aktiviert und ist dann ent- nissen beruht dagegen die Hauptwirkung sprechend seiner Länge bedeutsamer als das von Straßen und Wegen darauf, dass sie Netz dauerhaf wasserführender Gewässer. zusammen mit den Seitengräben die Abfuss- Für den erosionsbedingen Sedimenttransport geschwindigkeit erhöhen, und der Scheitel- ist außerdem bedeutsam, dass Abfuss, der von abfuss steigt. Da Straßen und Wege fast einem Wegseitengraben abgefangen und dem immer mit Wegseitengräben ausgeführt Gewässer zugeleitet wird, keinen Gewässer- werden, teilweise auch beidseitig (s. 7 Kap. 7), randstreifen durchfießt. Damit stellen Weg- hat der Wegebau ein sekundäres Gewässernetz seitengräben einen sehr efektiven Bypass dar, geschafen. Wenn Feld- und Waldwege drei- der die meisten Gewässerrandstreifen außer fach länger sind als das primäre Gewässernetz, Funktion setzt. bedeutet dies, dass das sekundäre Gewässer- Besonders anschaulich lassen sich die netz drei- bis sechsfach länger sein muss als Efekte auf Abfussbildung und -konzentration das primäre. Dieses sekundäre Gewässernetz bei Wegen, die schräg zum Hang verlaufen, ist die überwiegende Zeit des Jahres inaktiv illustrieren (. Abb. 5.5 oben links). In diesem und wird daher häufg nicht als solches Fall können Wege eine Vielzahl natürlicher, wahrgenommen. Auch ist dieses sekundäre in Gefällerichtung verlaufender Fließpfade Gewässernetz in der Regel nicht systematisch unterbrechen und das Wasser großer Ein- erfasst und nicht in Karten dargestellt. Daher zugsgebietsfächen sammeln und konzentriert wird seine Bedeutung stark unterschätzt [14]. zum Tiefpunkt ableiten. Dies ist insbesondere 101 5 5.2 · Abfusstypen und Fließpfade in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten

. Abb. 5.5 Verlauf natürlicher (blaue Pfeile), unterbrochener (blau gestrichelte Pfeile) und durch den Wege- bau künstliche geschaffener Entwässerungswege (rote Pfeile). Dargestellt sind schräg zum Gefälle verlaufende Wege (a), die den Abfuss großer Einzugsgebiete sammeln und zu einem einzigen Tiefpunkt hin ableiten können. Wege in der Tiefenlinie (b) sind sehr weit verbreitet und können den Abfuss auf der Straße oder in weg- begleitenden Gräben stark beschleunigen. Wege auf der Wasserscheide bzw. mit einem Verlauf auf dem Hang- rücken (c) beeinfussen die natürliche Entwässerung kaum. Lediglich auf dem Weg selbst kommt es durch das Gefälle zu einer starken Beschleunigung des mengenmäßig aber geringen Abfusses (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsverwaltung) bei Waldwegen problematisch, da im Wald ein Vielfaches schneller abgeleitet wird [16] ein großer Teil des Abfusses bei Starkregen (vgl. auch 7 Anhang 8.7). oder Schneeschmelze als Zwischenabfuss Problematisch können auch Wege in der langsam im Boden fießt. Durch den Ein- Tiefenlinie sein, wenn der Weg selbst oder schnitt der schräg verlaufenden Wege tritt ein hydraulisch efektiv gestalteter Seiten- dieser Zwischenabfuss aus und wird zu Ober- graben das Wasser sammelt und ableitet fächenabfuss, der im Wegseitengraben um (. Abb. 5.5 oben rechts). Unter solchen 102 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

Bedingungen wird der Abfuss fast immer abfacht. Um diese instationären Bedingungen (deutlich) beschleunigt, da der konstruierte korrekt abzubilden, wären Flachwasser- Entwässerungsweg in nahezu allen Fällen gleichungen (Saint Venant) erforderlich, hydraulisch efektiver gestaltet ist als ein wie sie üblicherweise in hydrodynamischen Fließpfad, der der natürlichen Topographie Modellen implementiert sind. Aufgrund ihrer folgend durch einen bewachsenen Talein- Komplexität erfordern diese Modelle jedoch schnitt führen würde. entsprechendes Wissen, Sofware und hin- Günstig sind dagegen Wege entlang reichend hochaufgelöste und genaue Daten. der Wasserscheide und auf Hangrücken Trotz dieser Einschränkung können mit (. Abb. 5.5 unten links). Diese verfügen stationären Betrachtungen für viele praktische 5 zwar im unteren Bereich über ein hohes Fragestellungen hinreichend genaue Lösungen Gefälle, was zu einer Beschleunigung des ermittelt werden. Das gilt zum Beispiel für Abfusses führt, dafür ist ihr Einzugsgebiet die Bestimmung der Konzentrationszeit bei aber sehr klein, wodurch ihre Bedeutung kurzen schauerartigen Starkregen. Da die für die Gebietsentwässerung gering bleibt. Annahme konstanter Abfussverhältnisse Bemerkenswert ist, dass früher vermutlich viele das Aufauen der Welle zu Beginn eines Wege so geführt wurden (s. 7 Anhang 8.7), Ereignisses vernachlässigt, wird die tatsäch- wohl auch, um die damals unbefestigten Wege liche Konzentrationszeit unterschätzt. Aus vor Erosion durch Wasser zu schützen. Durch gleichem Grund werden die Unterschiede das kleine Einzugsgebiet bei dieser Weg- zwischen Flächen unterschätzt, die sich in führung war kein Wegseitengraben erforder- ihrer Fließgeschwindigkeit unterscheiden. lich. Vor allem in den 1970er-Jahren wurden Da das Aufauen einer Welle bei langsamer dann die Wege in die vorher begrünte Tiefen- Fließgeschwindigkeit deutlich länger dauert linie gelegt, und damit musste der Weg- als bei hoher Fließgeschwindigkeit, ist auch seitengraben als integraler Bestandteil des die Unterschätzung größer. Die auf der GMS- Wegebaus eingeführt werden. Die abfuss- Gleichung beruhenden Berechnungen stellen bremsendste Art, Wasser abzuleiten, nämlich daher eine konservative Annahme hinsicht- entlang einer fachen Grünlandmulde, wurde lich der Unterschiede zwischen verschiedenen ersetzt durch die schnellste und damit auch Varianten dar. Der Vorteil der GMS-Gleichung hochwasserförderndste Art, nämlich einen ist, dass schnell und mit relativ geringem Auf- efzienten Graben. wand die Abfussgeschwindigkeit abgeschätzt und der Einfuss eines Fließpfades auf den Abfuss beschrieben werden kann. Auch kann 5.3 Methoden zur Abschätzung so ermittelt werden, wie Fließpfade gestaltet von Fließgeschwindigkeit und werden müssen, um möglichst abfuss- Fließzeit bremsend zu wirken. Für die Anwendung der GMS-Gleichung müssen die Fließpfade Dem Charakter eines Handbuchs über in einigermaßen einheitliche Abschnitte Planungsmethoden folgend, werden hier ein- unterteilt werden. Dies sind meist – von der fache, etablierte Berechnungsansätze wie Wasserscheide ausgehend – der Schicht- die Gauckler-Manning-Strickler-Gleichung abfuss, der fache konzentrierte Abfuss, der (GMS-Gleichung) vorgestellt. Dabei müssen Abfuss in Hangmulden und schließlich der teils stark vereinfachende Annahmen getrofen Abfuss in Gerinnen und Gewässern. Für diese werden. Dazu zählt, dass der Abfuss als Abschnitte werden dann die hydraulischen konstant und gleichförmig betrachtet wird Kenngrößen ermittelt (s. 7 Abschn. 5.2), (stationäre Bedingungen). Dies ist aber wodurch sich Fließzeit und -geschwindigkeit grundsätzlich nicht der Fall, da jede Welle in den einzelnen Abschnitten und aus deren sich zumindest aufaut und dann wieder Summe die Konzentrationszeit abschätzen 103 5 5.3 · Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit lässt. Das Verfahren wird als Geschwindig- Artefakte sind häufg problematisch und keitsmethode bezeichnet. In 7 Kap. 7 befndet Strukturen wie Wegseitengräben, verrohrte sich ein Rechenbeispiel. Abschnitte, kleine Brücken und Wälle, Drainagen oder andere den Abfuss lenkende Strukturen, wie Bordsteinkanten oder Feld- 5.3.1 Fließwege im Einzugsgebiet raine, werden nicht oder nicht korrekt dargestellt. Auch können sich Fließwege im Ausgangspunkt zur Beschreibung der Jahresverlauf oder in Abhängigkeit von Boden- Abfusskonzentration und zur Planung von bewirtschafung und Regenintensität ändern Maßnahmen ist die Erfassung der dominanten [17], was ggf. berücksichtigt werden muss, Fließprozesse im Einzugsgebiet. Dies erfordert wenn konkrete Ereignisse rekonstruiert werden eine Erfassung der wichtigsten oberirdischen sollen. Eine Gebietsbegehung zur Verifzierung Fließwege von der Wasserscheide bis ins der Ergebnisse digitaler Ableitungen ist daher Gewässernetz. Dazu bieten sich eine Feld- im Allgemeinen unerlässlich. Eine Begehung kartierung oder die Auswertung digitaler bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Spuren Geländemodelle an (idealerweise wird beides von Stofransport wie Erosionsrinnen, ver- kombiniert). Fließpfadalgorithmen sind füllte oder erodierte Gräben, überspülte Wege heute in allen gängigen Geographischen oder Feldraine und dergleichen zu erfassen. Informationssystemen (GIS) implementiert Dies liefert of wertvolle Informationen zum und erlauben es, Fließpfadmuster in der Fläche Verständnis der lokalen Abfussverhältnisse schnell und efzient aus Geländemodellen und Hinweise für Maßnahmen zur Abfuss- abzuleiten (. Abb. 5.6). Voraussetzung dafür minderung. Praktische Empfehlungen zur sind hochaufösende (Rasterweite 5 m) und Kartierung von Fließwegen sind in 7 Anhang ≤ von Artefakten bereinigte Geländemodelle. 8.8 zusammengestellt. Sind quantitative

. Abb. 5.6 Ermittlung oberfächlicher Abfusspfade (hellgraue Linien) durch Auswertung hochaufgelöster Geländemodelle (Rasterweite 1 m) am Beispiel eines 116 ha großen Einzugsgebietes (weiße Linie) im Malm (weißer Jura) (Höhenunterschied ca. 50 m, mittleres Gefälle 8 %). Die Breite der hellgrauen Linien wurde relativ zur Größe des angeschlossenen Einzugsgebietes skaliert. Die weißen Punkte markieren die Lage von Dolinen. Schwarze Linien markieren die Flurstücksgrenzen, die Färbung die Höhe über NN. (Quelle: H&S Ingenieure Freising) 104 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

Aussagen und hydraulische Berechnungen Fließpfades mit relativ einheitlicher Geo- erforderlich, z. B. zur Ermittlung von Scheitel- metrie, Gefälle und Rauheit von der Wasser- werten oder Abfussvolumina, müssen der Ver- scheide bis zum Bezugspunkt anwenden lauf der Fließpfade und ihre (hydraulischen) (vgl. . Abb. 3.6). Dabei müssen nicht alle Kenngrößen (Länge, Querschnittsgeometrie, (ähnlichen) Fließeinheiten innerhalb eines Rauheit und Gefälle) erfasst werden. Abschnitts erfasst werden, sondern es genügt eine repräsentative Einheit. Im Folgenden wird unter Fließpfad der gesamte Fließweg 5.3.2 Hydraulische Grundlagen von der Wasserscheide bis zum Bezugs- punkt an einer repräsentativen Stelle ver- 5 Wesentlich ist die Abfussrate (q). Sie ergibt standen; unter Abschnitt (oder Zone) wird ein sich durch Multiplikation der mittleren Teil des Fließpfades mit charakteristischem Fließgeschwindigkeit (v) mit der durch- Fließverhalten verstanden, z. B. der Abschnitt fossenen Querschnittsfäche (A): mit schichtförmigem Abfuss oder der Abschnitt mit Rillenabfuss (vgl. . Abb. 3.6); q = v · A (5.1) unter repräsentativer Einheit wird z. B. eine Wobei typische Rille innerhalb des Abschnitts mit 3 1 q - Abfussrate (m s− ) rillenförmigem Abfuss verstanden oder ein 1 v - Mittlere Fließgeschwindigkeit (m s− ) Grabenabschnitt mit relativ einheitlichem A - Durchfossene Querschnittsfäche (m2) Gefälle, Querschnitt und Oberfäche. Durch Division der Fließstrecke (l) mit der Wird die Abfussrate durch die Fläche des mittleren Strömungsgeschwindigkeit ergibt 2 dazugehörigen Einzugsgebietes AEZG (m ) sich die durchschnittliche Fließzeit. geteilt, resultiert nach Kürzen der Einheiten 1 l die mittlere Abfussspende (z. B. mm h− ) des t = (5.3) 60 v Einzugsgebietes. mit q = 3,6 · q t - Fließzeit (min) s AEZG (5.2) l - Fließstrecke (m) Wobei 60 - Umrechnungskonstante von s in min 3 1 q - Abfussrate (m s− ) 2 AEZG - Einzugsgebietsgröße (km ) Aus der Gleichung folgt, dass jede Ver- längerung der Fließstrecke die Hochwasser- Abfussspenden lassen sich gut mit der welle mindert und zwar in zweifacher Art und Niederschlagsintensität vergleichen, da beide Weise. Einerseits, weil der Weg länger wird, Größen über die gleiche Einheit verfügen. Die und andererseits, weil sich bei längerem Weg Verwendung von Abfussraten oder -spenden (und gleichbleibender Höhendiferenz) das ist daher günstiger als die Verwendung von Gefälle und damit die Abfussgeschwindigkeit Wasserständen, die immer abhängig von der reduziert. durchfossenen Querschnittsfäche und somit ortsabhängig sind. Aus 7 Gl. 5.1 folgt, dass sich die Die Verlängerung der Fließstrecke Fließgeschwindigkeit erhöht, wenn die durch- ist daher das erste wesentliche fossene Querschnittsfäche abnimmt, und Prinzip einer hochwassermindernden umgekehrt. Sind die Fließwege bekannt, lässt Fließweggestaltung. Zwei weitere werden sich diese Gleichung auf alle Abschnitte des folgen. 105 5 5.3 · Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit

5.3.3 Die Geschwindigkeits komplexe Fließstrecken mit fachen, aus- methode zur Bestimmung gedehnten Überschwemmungsbereichen ist der Konzentrationszeit der Ansatz daher weniger geeignet. Die Geschwindigkeitsmethode setzt Die hier dargestellten hydraulischen Grund- voraus, dass zunächst der Bezugspunkt lagen bilden das Fundament zur Bestimmung bestimmt und ausgehend davon der der Konzentrationszeit (t time to (hydraulisch) längste, hinsichtlich der Nutzung C = concentration). Wesentliche Einfussgrößen typische Fließpfad bis zur Wasserscheide sind Gefälle, Ausmaß der Abfussbündelung, bestimmt wird (als Beispiel siehe . Abb. 6.2). sowie Rauheit und Art des Fließpfades. Ist der längste Fließpfad bekannt, muss er in Zusammen mit einer Schätzung des Abfuss- näherungsweise einheitliche Abschnitte unter- volumens erlaubt die Konzentrationszeit, gliedert werden. In kleinen Einzugsgebieten Scheitelabfüsse und Abfussganglinien abzu- oberhalb der Gewässer III. Ordnung sind schätzen bzw. zu konstruieren. Ihr kommt das typischerweise Schichtabfuss, Abfuss dadurch für viele Bemessungsaufgaben eine in Rinnen und Rillen, Hangmuldenabfuss hohe Bedeutung zu. und das Fließen in Gräben und kleinen Für Planungszwecke hinreichend wird die Bächen (. Abb. 3.6). Ist diese Untergliederung Konzentrationszeit für einen defnierten Punkt erfolgt, wird für jeden Abschnitt die mittlere vereinfachend als Konstante angenommen, Fließgeschwindigkeit und aus der Länge des obwohl sie von Regen zu Regen variiert [18, Abschnitts die jeweilige Fließzeit abgeschätzt. 19]. Ist die Spannweite der Konzentrations- Die hydraulischen Eigenschafen und die zeit von Bedeutung, kann sie ermittelt werden, Bestimmung der Fließgeschwindigkeit in indem verschiedene Verfahren verwendet unterschiedlichen Abschnitten des Fließpfades oder die Parameter einzelner Methoden sind im Folgekapitel und im 7 Anhang 8.2 innerhalb sinnvoller Wertebereiche ver- beschrieben. Die Konzentrationszeit ergibt ändert werden. Zur Bestimmung der sich dann aus der Summe der Fließzeiten der Konzentrationszeit existieren zahlreiche einzelnen Abschnitte (7 Gl. 5.4): hydraulische und empirische Methoden [20]. tC = tt1 + tt2 + ...+ ttn (5.4) Am wichtigsten für kleine Einzugsgebiete ist die Geschwindigkeitsmethode [21]. Sie mit t - Konzentrationszeit (h) basiert auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten C t - Fließzeit im Abschnitt n (h) und berücksichtigt, dass der Fließpfad aus tn unterschiedlichen Abschnitten besteht. Die hydraulischen Eigenschafen entlang des kompletten Fließpfades werden abgebildet. 5.3.4 Fließgeschwindigkeits Dadurch ist sie empirischen Ansätzen über- bestimmung mithilfe der legen und Mittel der Wahl für kleine Ein- Gauckler-Manning-Strickler- zugsgebiete und für Planungsaufgaben, Gleichung bei denen es nicht darauf ankommt, jeden einzelnen Regen bestmöglich zu schätzen, Die mittlere Fließgeschwindigkeit ergibt sich sondern das Zusammenspiel verschiedener nach 7 Gl. 5.1 aus dem Quotienten von Abfuss- Landschafselemente möglichst optimal rate und durchfossener Querschnittsfäche. zu gestalten. Weniger oder nicht geeignet Selbst in dauerhaf wasserführenden Gerinnen ist die Geschwindigkeitsmethode, wenn ist die Bestimmung der beiden Parameter Prozesse wie Wellenüberlagerungen, Rück- aufwendig. Für Planungsaufgaben und ins- stau, Ausuferungen oder die Ausbreitung von besondere für Gerinneabschnitte, die nicht Sättigungsfächen stark die Fließzeit beein- dauerhaf Wasser führen, ist es daher einfacher, fussen. Diese Prozesse werden nicht erfasst. die Fließgeschwindigkeit mit der empirischen Für größere Einzugsgebiete und hydraulisch Fließgleichung zu berechnen, die Gauckler, 106 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

Manning und Strickler unabhängig voneinander Ende des 19. und Anfang des 20 Jahr- hundert abgeleitet haben (GMS-Gleichung). Die GMS-Gleichung berücksichtigt Neigung, Fließwiderstände und Geometrie des Abfuss- pfades – und damit alle hydraulischen Faktoren, die den Abfussprozess wesentlich beeinfussen. 2 1 v = R 3 · J 2 · k (5.5) mit 5 R - Hydraulischer Radius (m) J - Gefälle ( ) − 1/3 1 k - Rauheitsbeiwert (m s− )

Die GMS-Gleichung ist für viele praktische Fragen hinreichend genau und deshalb heute ein international gültiges Standard- verfahren. Sie wird hier für alle Abfusstypen verwendet (einschließlich Schichtabfuss und fachen konzentrierten Abfuss), obwohl die . Abb. 5.7 Typische Formen des Abfusses in auf- Gleichung im engeren Sinne nur für gleich- einanderfolgenden Fließabschnitten und zugehörige hydraulische Radien (fette Linie benetzter Umfang, förmigen turbulenten Abfuss in ofenen = schattierte Fläche durchfossene Querschnittsfäche) Gerinnen gilt. Die GMS-Gleichung ist = gleichermaßen geeignet, die Fließzeit einzelner Gewässerteilstrecken, die Konzentrations- zeit eines Gebietes oder auch den Einfuss Typische Beispiele für den hydraulischen einer Maßnahme zum Bremsen des Abfusses Radius in den verschiedenen Abschnitten . Abb. 5.7 entlang des Fließpfades abzuschätzen. des Fließweges zeigt . Um den Der hydraulische Radius berücksichtigt die hydraulischen Radius für unterschiedliche Strömungswiderstände, die sich aus der Geo- Querschnittsfächen zu bestimmen, können 7 Anhang 8.2.4 metrie des Fließpfades ergeben. Er ergibt sich die in zusammengestellten aus dem Verhältnis von durchfossener Quer- Formeln verwendet werden. Entlang des schnittsfäche A und benetztem Umfang U. Fließweges nehmen R und damit auch die Letzterer entspricht dem Umfang des Gerinne- Fließgeschwindigkeit um mehrere Zehner- bzw. Fließpfadquerschnittes, der in Kontakt potenzen zu. Umso mehr, je stärker der zum Abfuss steht. Je größer der benetzte Abfuss eingeengt wird. Umfang im Verhältnis zur Querschnittsfäche, desto kleiner R bzw. desto höher die, aus der Daher erhöhen alle Maßnahmen die Fließpfadgeometrie resultierende, Reibung Fließgeschwindigkeit, die den Abfuss und damit desto langsamer der Abfuss. konzentrieren. Alle Ansätze, die zu einem A breitfächigen Abfuss führen, wirken R = (5.6) U dagegen bremsend. Dies ist das zweite wesentliche Prinzip einer hochwasser- mit U - Benetzter Umfang (m) mindernden Fließweggestaltung. A - Durchfossene Querschnittsfäche (m2) 107 5 5.3 · Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit

Das Gefälle des Fließpfades (J) (eigentlich Die mittlere Fließzeit (in min) entlang müsste das Energiegefälle, also das Gefälle eines Abfusspfades ergibt sich, wenn die des Wasserspiegels verwendet werden) ist ein GMS-Gleichung in Gl. (5.3) eingesetzt wird. Maß für die beschleunigende Kraf. Je steiler l = das Gefälle, desto schneller der Abfuss und t 2 1 (5.7) 3 · 2 · umgekehrt. Das Gefälle kann im Gelände 60R J k leicht erfasst oder aus topographischen Karten Rauheitsbeiwerte in einem Gewässer oder digitalen Geländemodellen abgeleitet sind bestimmbar, wenn Abfussrate oder werden, indem die Höhendiferenz des Fließgeschwindigkeit und Querschnitts- Fließpfades durch die dazugehörige Länge fäche bekannt sind. Im Normalfall muss auf des Fließpfades dividiert wird. Entsprechend Literaturwerte zurückgegrifen werden, die in wird das Gefälle in der GMS-Gleichung . Tab. 5.1 für unterschiedliche Beschafenheit dimensionslos bzw. in (m/m) angegeben. Das von Sohle und Böschung zusammengetragen Gefälle kann in der Praxis (nur) indirekt über sind (Achtung: für Schichtabfuss gelten die Länge des Fließweges beeinfusst werden, andere Rauheitsbeiwerte, die in . Tab. 8.2 da die Höhendiferenz zwischen Wasser- zu fnden sind; die Unterschiede ergeben scheide und Bezugspunkt üblicherweise nicht sich daher, weil beim Schichtabfuss nicht verändert werden kann. alle Rauheitselemente überfossen werden Der Rauheitsbeiwert (k) berücksichtigt und weil die durch aufrefende Regen- den Einfuss der Oberfächenbeschafenheit tropfen erzeugten Turbulenzen ebenfalls des Fließweges. Je rauer der Fließweg, z. B. wesentlich zur Rauheit beitragen). Demnach durch Bewuchs, desto kleiner der k-Wert können je nach Oberfächenbeschafenheit und desto geringer die Fließgeschwindigkeit. von Gerinnen die k-Werte zwischen 15 und Umgekehrt steigt k, je glatter und knapp 80 variieren, wenn man die Gebirgs- gleichmäßiger Sohle und Wandungen des wildbäche außen vor lässt. Dies bedeutet, dass Fließpfades sind. Die höchsten k-Werte haben man allein mit der Oberfächenbeschafen- glattverputzte Betonkanäle, die niedrigsten heit den Abfuss schon um den Faktor vier treten bei heterogen strukturierten oder stark beschleunigen oder abbremsen kann, was verkrauteten Fließpfaden auf, z. B. verzweigte den Scheitel einer Abfusswasserwelle um den Fließpfade in Auwäldern oder alpine Wild- gleichen Faktor erhöht bzw. senkt. . Tab. 5.1 bäche mit grobem Geröll und Geschiebetrieb. gibt Spannweiten an. Eher niedrige Werte Wichtig ist, dass der Rauheitsbeiwert linear sind dann anzusetzen, wenn die Rauheit in der GMS-Gleichung eingeht. Dadurch untypisch hoch ist (z. B. starke Verbuschung), ist die Strömungsgeschwindigkeit direkt eher hohe Werte, wenn das Gerinne untypisch proportional zu k und entsprechende Sorg- glatt ist (z. B. nach einer Grabenräumung falt bei der Wahl von k geboten. Auch hat die mit einem schälenden Werkzeug). Gleich- Rauheit dadurch nach dem hydraulischen zeitig erlaubt dies auch eine Abschätzung Radius den größten Einfuss auf die Abfuss- der Unsicherheit. Da die Rauheitswerte geschwindigkeit. linear die Fließgeschwindigkeit beeinfussen, bedeutet eine Spanne von 40…50, dass die Fließgeschwindigkeit gegenüber Das dritte (und vielleicht wichtigste) einem mittleren Rauheitsbeiwert von 45 um Grundprinzip einer hochwasser- 10 % höher oder niedriger ausfallen könnte. mindernden Fließweggestaltung besteht Für gegliederte Gewässerbetten oder zur daher darin, den Fließweg so hydraulisch Berücksichtigung von Unregelmäßigkeiten, rau wie möglich zu gestalten. Änderungen des Querschnitts, Hindernissen 108 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

. Tab. 5.1 Rauheitsbeiwerte für konzentrierten Abfuss in linearen Strukturen oder fächenhaftem Abfuss mit Fließtiefen >5 cm bei unterschiedlicher Beschaffenheit der Oberfäche. Zur Darstellung typischer Spannweiten ist die Rauheit in Bereichen „von“ … „bis“ angegeben. Analog wird die Ober- fächenbeschaffenheit (Spalte 1) vielfach für unterschiedliche Zustände angegeben. Die niedrigere „von“- Rauheitswert bezieht sich dann auf den rauen, der höhere „bis“-Rauheitswert auf den glatteren Zustand. Rauheitsbeiwerte für Schicht- und Rillenabfuss (Fließtiefen ≤ 3 cm) können . Tab. 8.2 im Anhang entnommen werden

1/3 1 Oberfächenbeschafenheit k-Wert (m s− ) Quelle

Natürliche und naturnahe Gerinne Wildbach mit sehr grobem Fels und Geröll, 9 … 22 [24–28] 5 Geschiebe in Bewegung, rascher Wechsel von Becken, Abstürzen und Schussrinnen Wildbach mit grobem Geröll und Steinen, 25 … 28 [25, 27–29] Geschiebe überwiegend ruhendend Gewässer mit unregelmäßiger Sohle und 25 … 35 [25, 27–30] Böschung, je nach Verkrautung, Wurzeln und Geschiebetrieb Bäche und Gräben mit gleichförmiger 30 … 35 [30] Böschung und Gewässersohle (mit Bewuchs … ohne oder kurzer Bewuchs) Gewässersohle aus Schotter, Grobkies oder 30 … 45 [30] Natursteinen Flussbett mit Gewässersohle aus Mittel- und 35 … 55 [25, 27, 28, 30, 31] Feinkies, wenig Unregelmäßigkeiten Einheitliches Gewässerbett aus Sand oder 50 … 55 [30] Feinkies mit wenig Unregelmäßigkeiten Kanäle, Gräben und künstliche Gerinne Raue Sohlrampe/-gleiten 10 … 20 [32] Böschungsbefestigung aus grober Stein- 20 … 27 [30] schüttung und toleriertem Bewuchs Erdkanal mit sehr starker Verkrautung 18 … 24 [26] Grobe Steinschüttung ohne Bewuchs 20 … 30 [30] Gerinneprofle mit Sohlen aus Sand und Kies. 28 … 32 [23, 24] Ufer ggf. mit Gras bewachsen, vereinzelt Schilf oder Röhricht (typisch für korrigierte Gerinne mit fachem Gefälle, steiler Böschung und teilweise toleriertem Bewuchs) Einheitliches Profl mit Sohle aus feineren 26 … 40 [23, 30] Substraten (Lehm) und mit kurzem Gras bewachsener, steiler Böschung (z. B. Kanäle und Graben mit mäßigem Bewuchs … frisch geräumt) Erdkanal mit Sohle aus Sand und Kies, 40 … 50 [25, 27–29] gepfasterte Böschung

(Fortsetzung) 109 5 5.3 · Methoden zur Abschätzung von Fließgeschwindigkeit und Fließzeit

. Tab. 5.1 (Fortsetzung)

1/3 1 Oberfächenbeschafenheit k-Wert (m s− ) Quelle Erdkanal aus festem Material, glatt 50 … 60 [25, 26, 29] Gemauerter Kanal (unverfugt … verputzt) 60 … 70 [26, 28] Werkkanal aus Asphaltbeton, glattgestrichen 72 … 77 [28] Rohre Betonrohr, zusammengesetzt mit 85 … 95 7 bauformeln.dea geschlossenen Fugen Asbest-Zementrohr (je nach Alter) 85 … 100 7 bauformeln.dea Stahlrohr (alt/verrostet … neu/glatt) 60 … 100 7 bauformeln.dea Tonrohr 70 … 85 Expertenschätzung PVC-Rohr 90 … 100 Expertenschätzung Breitfächiges Fließen auf Flächen und Wegen mit unbefestigter, verdichteter oder versiegelter Ober- fäche (Fließtiefe >5 cm) Asphalt und grober Beton, z. B. befestigte 50 … 70 Expertenschätzung Fahr- und Wirtschaftswege, Parkplätze Feines, festes ggf. verdichtetes Material, z. B. 40 … 45 Expertenschätzung Grünwege Wassergebundene Decke, z. B. geschotterte 45 … 50 Expertenschätzung Fahr- und Wirtschaftswege Grobkies, Gittersteine, Pfaster 35 … 50 Expertenschätzung Breitfächiges Fließen in Gewässervorländern, bestehend aus landwirtschaftlichen Flächen, Auen und Wäldern (Fließtiefe >5 cm) Bruchwälder 3 … 6 Expertenschätzung Weich- und Hartholzauen je nach Unterwuchs 6 … 15 7 bauformeln.dea Wälder (Dickung … Hochwald) 12 … 30 Expertenschätzung Hochstaudenfuren und Sukzessionsfächen 9 … 29 7 bauformeln.dea je nach Dichte des Bewuchses und Jahreszeit Begrünte Tiefenlinien (Grassed Waterway) je Expertenschätzung nach Vegetationsmanagement: – Ähnlich wie Sukzessionsfächen (Hoch- 9 … 29 staudenfur) – Wiesenähnlich, z. B. jährliches Mulchen 12 … 30 Acker (Bedeckung >30 % … 16 … 25 Expertenschätzung Bedeckung <10 %) Wiese (hohe, dichte Bedeckung z. B. Sommer 25 … 45 [30] … frisch gemäht oder geringe Bedeckung im Winter)

a 7 https://www.bauformeln.de/wasserbau/gerinnehydraulik/rauheitsbeiwerte-nach-strickler/ 110 Kapitel 5 · Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

im Gewässer stehen weitere Verfahren zur 10. Luft G, Morgenschweis G (1984) Zur Problematik Verfügung, mit denen Zu- oder Abschläge großterrassierter Flurbereinigung im Weinbau- gebiet des Kaiserstuhls. Z Kulturtechnik Flurberein für die Rauheitsbeiwerte ermittelt werden 25:138–148 können [23]. Anhaltspunkte zur Bestimmung 11. Tessier D (1991) lnfuence de travaux von Rauheitsbeiwerten ergeben sich durch d’ameliorations foncieres sur le regime visuellen Vergleich mit beschrieben Gewässer- hydrologique des petits cours d’eau. Ecole querschnitten und -eigenschafen [23, 24]. Polytechnique Federale de Lausanne 12. Hölzel H, Diekkrüger B (2012) Predicting the impact of linear landscape elements on surface runoff, soil erosion, and sedimentation in the Literatur Wahnbach catchment, Germany. Hydrol Process 5 26:1642–1654. 7 https://doi.org/10.1002/hyp.8282 1. Fiener P, Auerswald K, Van Oost K (2011) Spatio- 13. Luft G, Vogelbacher A (1985) Modellrechnungen temporal patterns in land use and management zum Einfuß von Großterrassierungen auf den affecting surface runoff response of agricultural Abfußprozeß. Z Kulturtechnik Flurberein 26:1–12 catchments – a review. Earth-Sci Rev 106:92–104. 14. Hösl R, Strauss P, Glade T (2012) Man-made linear 7 https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2011.01.004 fow paths at catchment scale: identifcation, 2. Kistler M, Brandhuber R, Maier H (2013) Wirksam- factors and consequences for the effciency keit von Erosionsschutzmaßnahmen, Ergebnisse of vegetated flter strips. Landsc Urban Plan einer Feldstudie. Schriftenr Bayer Landesanst 104:245–252. 7 https://doi.org/10.1016/j. Landwirtsch 8: Freising landurbplan.2011.10.017 3. Brandhuber R, Treisch M, Fischer F, et al (2017) 15. Lenz A, Karlstetter M, Knogler F (2006) Sanierung Starkregen, Bodenerosion, Sturzfuten. Schriftenr des ländlichen Stoffhaushalts durch Ländliche Bayer Landesanst Landwirtsch 2: Freising Entwicklung. Teil B: Fallbeispiel Schwimmbach. 4. Lenz A, Karlstetter M, Knogler F (2006) Sanierung Ingenieurbüro Lenz, Ringelai des landschaftlichen Stoffhaushalts durch 16. Tempel M (2006) Abfussverhalten kleiner, forst- Ländliche Entwicklung. Teil A: Planungs- und lich genutzter Bacheinzugsgebiete am Beispiel Umsetzungshilfen. Ingenieurbüro Lenz, Ringelai. des Einzugsgebietes des Oberen Gräfenbaches 7 https://www.boden-staendig.eu/_Resources/ im Soonwald / Hunsrück. Dissertation, Johannes Persistent/0d8440a6cacc094919d10d19c3ea863e Gutenberg-Universität, Mainz 40ae3513/SanierungdLandschaftlStoffhaushdurc 17. Berger C, Schulze M, Rieke-Zapp D, Schlunegger hLE–AllgTeil.pdf F (2010) Rill development and soil erosion: a 5. Hösl R, Strauss P (2011) Einfuss von linearen laboratory study of slope and rainfall intensity. Abfusswegen auf die Effektivität von Gewässer- Earth Surf Process Landforms 35:1456–1467. randstreifen. Mitt Österr Bodenkundlichen Ges 7 https://doi.org/10.1002/esp.1989 78:23–28 18. McCuen RH (2009) Uncertainty analyses of 6. Moussa R, Voltz M, Andrieux P (2002) Effects of the watershed time parameters. J Hydraul Eng spatial organization of agricultural management 14:490–498. 7 https://doi.org/10.1061/(ASCE) on the hydrological behaviour of a farmed HE.1943-5584.0000011 catchment during food events. Hydrol Process 19. Grimaldi S, Petroselli A, Tauro F, Porfri M (2012) 16:393–412. 7 https://doi.org/10.1002/hyp.333 Time of concentration: a paradox in modern 7. Bronstert A, Vollmer S, Ihringer J (1995) Die hydrology. Hydrol Sci J 57:217–228. 7 https://doi. Bedeutung von Flurbereinigungsmaßnahmen für org/10.1080/02626667.2011.644244 das Abfussverhalten von Starkniederschlägen in 20. Gericke OJ, Smithers JC (2014) Review of methods ländlichen Gebieten. Wasser Boden 47:29–46 used to estimate catchment response time for the 8. Machl T, Ewald W, Donaubauer A, Kolbe TH (2016) purpose of peak discharge estimation. Hydrol Sci Entwicklung eines Werkzeugs zur landesweit J 59:1935–1971. 7 https://doi.org/10.1080/026266 fächendeckenden Analyse landwirtschaftlicher 67.2013.866712 Transportbeziehungen in Bayern. Z Geodäsie 21. Natural Resources Conservation Service (2010) Geoinf Landmanagement 3:197–205 Time of concentration. In: National Engineering 9. Bucher B, Demuth S (1986) Vergleichende Wasser- Handbook. Part 630 Hydrology, chapter 15. US bilanz eines furbereinigten und eines nicht fur- Department of Agriculture, Washington bereinigten Einzugsgebietes im Ostkaiserstuhl für 22. Landesanstalt für Umweltschutz Baden- den Zeitraum 1977–1980. Deutsche Gewässerkdl Württemberg (2003) Hydraulik naturnaher Mitt 29:1–4, Koblenz Fließgewässer. Teil 1. Grundlagen und empirische hydraulische Berechnungsverfahren. Karlsruhe 111 5 Literatur

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Abfussverzögerung – wie Abfuss gebremst werden kann

6.1 Flächige, schlaginterne Maßnahmen zur Erhöhung der Oberfächenrauheit – 115 6.2 Grünstreifen – 121 6.3 Begrünte Abfussmulden (Grassed Waterways) – 124 6.4 Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur – 129 6.5 Flurgliederung und Flächenarrangement – 137 6.6 Abfussgeschwindigkeit in Gräben und Rohren – 146 6.7 Wege- und Wasserführung – 150 Literatur – 153

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_6 114 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

In diesem Kapitel werden Maßnahmen Ereignis von Simbach) selbst die Infltrations- zur Minderung der Abfusskonzentration leistungen von Grünland oder Wald natür- und zum Bremsen des Abfusses zwischen licherweise an ihre Grenzen kommen. Der Wasserscheide und Gewässern III. Ordnung Feststofaustrag bleibt dort aber trotzdem beschrieben. Ansatzpunkte dafür sind in allen gering, weil die Sedimentkonzentration im Abschnitten des Fließpfades vorhanden. Vor- Abfuss unter Grünland oder Wald gering weg sei dabei betont, dass Maßnahmen zum bleibt. Der Hochwasserscheitel kann auch Schutz vor Erosion nicht mit Maßnahmen gering bleiben, wenn die Fließgeschwindigkeit zur Abfussminderung verwechselt werden gering bleibt. Dazu muss der Abfuss in der dürfen. Dafür gibt es drei wesentliche Gründe: Fläche z. B. durch eine dauerhafe Boden- Der erste Grund ist, dass die Mechanis- bedeckung >30 % und entlang der kompletten men verschieden sind. Das fängt bereits Fließwege durch breite und hydraulisch raue beim Regen an: Niederschläge, die Abfuss Gerinne gebremst werden. 6 fördern, müssen nicht zwingend im gleichen Ein analoges Beispiel im Ackerbau ist Maß Abtrag fördern. Beispielsweise hatte die Mulchdirektsaat, die den Bodenabtrag der Regen, der die katastrophale Sturzfut stark senken kann, die Abfusssumme von Simbach auslöste, zwar eine hohe, aber aber weit weniger. Betrachtet man nur die keinesfalls außergewöhnliche Erosivität [1]. Abfusssumme, erscheint diese Maßnahme Ebenso muss eine Maßnahme, die Erosion zunächst weniger efektiv als hinsichtlich verringert, nicht zwangsläufg den Abfuss der Abtragssumme (. Abb. 6.1). Der Efekt verringern oder umgekehrt. Deutlich wird auf den Abtrag ist so stark, weil zusätz- das zum Beispiel an Filterstreifen, die trans- lich zu Abfusssumme auch die Sediment- portierte Feststofe aus dem Oberfächen- konzentration zurückgeht. Da Abfusssumme abfuss herausfltern, dabei aber nur einen und Sedimentkonzentration multipliziert vernachlässigbar kleinen Einfuss auf die werden, um den Abtrag zu errechnen, senkt Abfusssumme oder die Fließgeschwindigkeit Bedeckung die Abtragssumme quadratisch im Mittel des Gesamthanges haben. ab. Die Abfusssumme sinkt dagegen nur Der zweite Grund liegt darin, dass linear ab. Allerdings führt Mulchdirektsaat Abtragssumme (Erosion) und Abfussscheitel wegen der erhöhten Bodenrauheit und der von verschiedenen Komponenten bestimmt längeren Strecke, über die schichtförmiges werden. Erosion ergibt sich aus dem Produkt Fließen erfolgt, auch zu einer ausgeprägten (Abfusssumme ∙ Sedimentkonzentration). Verminderung der Fließgeschwindigkeit. Da sich beides, und dabei vor allem die Sedi- Da sowohl Fließgeschwindigkeit als auch mentkonzentration, vermindern lässt, wird Abfussvolumen im Mittel proportional zum häufg angenommen, Erosion sei leichter Abfussscheitel sind, ist durch Mulchdirekt- beeinfussbar als der Abfuss, wobei unter saat ebenfalls mit einer quadratischen Ver- dem unspezifschen Wort Abfuss meist die minderung des Abfussscheitels am unteren Abfusssumme verstanden wird. Der Hoch- Feldrand zu rechnen. Der Einfuss von Mulch- wasserscheitel resultiert aber aus dem Produkt direktsaat auf Abfussscheitel und Boden- (Abfusssumme ∙ Scheitelanstiegszeit). Auch abtrag dürfe daher ähnlich groß sein. die Scheitelanstiegszeit lässt sich, und zwar Bei der Beurteilung einer Maßnahme, stark, über die Fließgeschwindigkeit beein- insbesondere bei solchen, die hier nicht fussen. Damit ist Hochwasser in der länd- beschrieben sind, sind daher immer lichen Flur ebenso stark beinfussbar wie zwei Fragen zu stellen: Wie stark beein- Erosion. Die begrenzte Beeinfussbarkeit fusst die Maßnahme die Abfussbildung? von Erosion und Hochwasser allein über die Wie stark beeinfusst die Maßnahme die Abfusssumme zeigt sich schon darin, dass bei Fließgeschwindigkeit? Um wie viel, kann sehr langanhaltenden Regen (z. B. wie bei dem mit den hier angebotenen Planungsansätzen 115 6 6.1 · Flächige, schlaginterne Maßnahmen zur Erhöhung der Oberfächenrauheit

April Juni liegender Systeme erreichen (Verringerung von sogenannten of-site Schäden), aber nicht den 60 eigentlichen Erosionsschaden in der Fläche verhindern (on-site Schäden). Im Gegensatz dazu 40 lässt sich beim Abfuss die Fließgeschwindigkeit entlang des gesamten Fließpfades beeinfussen. 20 Verantwortung für den Hochwasserscheitel haben daher viele Akteure. Das fängt beim Abusskoezient (%) 0 Landwirt in der Fläche an, setzt sich über die 8 Gemeinde (und deren ausführende Organe), 6 die beispielsweise für die Pfege und Unter- )

-1 haltung von Straßen und Gräben oder die 4 Gewässer III. Ordnung zuständig ist, fort und geht bis zur Wasserwirtschafsverwaltung, 2 die für die größeren Gewässer verantwort- Abtrag (tha lich ist. In Wäldern stehen Forstwirte in der 0 Verantwortung und bei größeren Projekten 0102030405060 Bodenbedeckung (%) wie Flur- oder Bodenneuordnungsverfahren die Organe der Ländlichen Entwicklung, die . Abb. 6.1 Mit zunehmender bodennaher über die Parzellierung der Flur und über das Bedeckung geht der Abfusskoffzient linear zurück Wegenetz bestimmen. Im Folgenden sind ver- (oben), der Bodenabtrag aber überproportional schiedene Maßnahmen aus unterschiedlichen (quadratisch) (unten), sodass mit 20 % bis 30 % Bedeckung schon ein sehr guter Erosionsschutz Abschnitten des Fließweges beschrieben. erreicht werden kann. Die Daten stammen von 1 Beregnungsversuchen mit 65 mm h− auf Zucker- rübenfeldern [2]. Die Unterschiede in der Bedeckung 6.1 Flächige, schlaginterne beruhen auf unterschiedlichen Anbauverfahren und darauf, dass im Juni auch Zuckerrüben und Unkräuter Maßnahmen zur Erhöhung zur Bedeckung beigetragen haben. Diese ganz unter- der Oberfächenrauheit schiedlichen Bedingungen neben der Variation in der Bedeckung erklärt die Streuung. Dadurch ist aber Zentraler Ansatzpunkt schlaginterner auch die Übertragbakeit auf einen weiten Bereich von Bedingungen gewährleistet Maßnahmen ist die Erhöhung und Stabilisierung der Oberfächenrauheit. Die Rauheit wird von der Bedeckung bestimmt, die der Bodenoberfäche aufiegt, d. h. abgeschätzt werden. Exemplarische Beispiele (niedriger) Bewuchs und Mulch, und von zur Wirkung unterschiedlicher Maßnahmen der Mikrotopographie des Bodens, die von werden im Folgenden dargestellt. Ein umfang- der Bodenbearbeitung abhängt und im Laufe reicheres Planungsbeispiel befndet sind in der Zeit durch die Witterung eingeebnet 7 Kap. 7. wird. Wie die Rauheit der Bodenoberfäche Der dritte und letzte wesentliche Unter- durch Bearbeitung verändert, durch Boden- schied zwischen Erosion und Hochwasser biomasse stabilisiert und durch nachfolgende besteht darin, dass sich Erosion grundsätzlich Regen eingeebnet wird, kann mit den in der nur auf der erodierenden Fläche, im Normal- Revised Universal Soil Loss Equation 2 [3] fall auf der Ackerfäche, verhindern lässt. Die angegebenen Gleichungen bei Bedarf tag- Verantwortung liegt daher ausschließlich genau modelliert werden. beim Landwirt. Im weiteren Verlauf des Die Rauheit stellt für den Schichtabfuss Fließweges kann man höchstens eine Wieder- das wesentliche Strömungshindernis dar. Sie ablagerung und damit einen Schutz unterhalb 116 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

erhöht auch die Infltration, weil die Wasser- speicherung hinter einzelnen Rauheits- Hauptfrucht noch effektiv durch eine hohe elementen relativ hoch sein kann, der Abfuss Bedeckung geschützt ist (. Abb. 6.3). Sie lange unterwegs ist und damit auch nach vermeiden die Lücke in der Bedeckung Regenende infltrieren kann. Vor allem aber zwischen der Ernte der Hauptfrucht und schützen hohe Bodenbedeckungsgrade die der Bestandsbildung der Zwischenfrucht. Bodenoberfäche vor Verschlämmung, und sie schafen eine stabile, heterogene Oberfächen- Eine hohe Rauheit der Bodenoberfäche struktur, bei der sich das Wasser weniger kann auch durch ackerbauliche Maßnahmen leicht eigene Bahnen schafen kann. Dadurch gefördert werden. Dazu zählen: fießt der Abfuss über eine längere Strecke 5 Höhenlinienparallele Bewirtschafung breitfächig und damit langsam, bevor sich 5 Streifenbearbeitung (englisch „Strip Till“ 6 der Abfuss einschneidet und der schnellere oder „Strip Tillage“; im Gegensatz zum Rillen- und Rinnenabfuss beginnt. Durch eine Streifenanbau, dem „Strip Cropping“) Erhöhung der Bodenbedeckung kann daher 5 Anbau von Kulturen wie Mais in höhen- eine überproportionale Abfussverzögerung linienparalleler Dammbauweise (engl. in der Fläche erzielt werden. Weitere positive „Ridge Tillage“). Nebenefekte sind die Reduktion des Boden- abtrags und die Reduktion der Verdunstung. Aufgrund ihrer Verbreitung wird auf die höhen- Hohe Bodenbedeckungsgrade wirken daher linienparallele Bewirtschafung detaillierter ausgleichend auf den Wasserhaushalt und eingegangen, obwohl sie im Hinblick auf mindern Hochwasser wie Trockenheit den Abfuss (deutlich) weniger efektiv ist als gleichermaßen. Aufgrund der zahlreichen und z. B. die Streifenbearbeitung, die jedoch in positiven Eigenschafen gelten durchgehend Deutschland bisher noch kaum Verbreitung hohe Bedeckungsgrade als beste Maßnahme gefunden hat. Bei der Konturbearbeitung bzw. des Bodenschutzes [4]. Etablierte Möglich- hang- oder höhenlinienparallelen Bewirt- keiten, eine hohe Bedeckung zu erreichen, sind: schafung entstehen aus kleinen, quer zur 5 Mulch- oder Direktsaatverfahren (mit Gefällerichtung angeordneten Mulden- und 30 % Mulchbedeckung) ≥ Rillenstrukturen Widerstände für den Ober- 5 Konsequenter Anbau von Zwischen- fächenabfuss. Dies erhöht die Infltration und früchten oder Untersaaten verlängert die Strecke fächenhafen Fließens. 5 Verzicht auf eine wendende Bodenbe- Damit dies der Fall ist, müssen aber mehrere arbeitung Bedingungen gegeben sein [8–10]: Erstens darf 5 Mehrjährige Kulturen (Kleegras). der Niederschlag nicht zu extrem sein (Wieder- kehrintervalle <15 Jahre). Zweitens muss die Wirkung von Zwischenfrüchten und Oberfäche auch wirklich rau sein, also Höhen- Untersaaten unterschiede von mindestens mehreren Zenti- Zwischenfrüchte werden meist im Herbst metern über die gesamte Vegetationsperiode umgebrochen, was ihre Wirkung auf einen aufweisen. Damit Letzteres erreicht wird, muss kurzen Zeitraum beschränkt (. Abb. 6.2, der Bedeckungsgrad zwangsläufg hoch sein, obere Tafel). Ihre Wirksamkeit steigt stark, weil nur dann die (natürliche) Einebnung der wenn auf den Umbruch verzichtet wird, Bodenoberfäche durch die Witterung gering da dadurch die meiste Zeit des Jahres ist [Gleichungen siehe 35]. Drittens sollte die Bedeckungsgrade >50 % erreicht werden Neigung unter 9 % (besser unter 5 %) sein, weil können (. Abb. 6.2, untere Tafel). dann die Wasserspeicherung hinter einzelnen Auch Untersaaten ermöglich, dass die Rauheitselementen noch relativ groß und der Bodenoberfäche auch nach der Ernte der Infltrationszuwachs relevant wird. Viertens 117 6 6.1 · Flächige, schlaginterne Maßnahmen zur Erhöhung der Oberfächenrauheit

100 300

80 200 60

40 100 20 Karto eln Weizen Weizen Mais . 20 1.Jan 1.Jul 1.Jan 1.Jul 1.Jan 1.Jul 1.Jan1.Jul 1.Jan 100 300

Bedeckung (%) 80

200 Maximalretention (mm) 60

40 100 20 Karto eln Weizen Weizen Mais . 20 1.Jan 1.Jul 1.Jan 1.Jul 1.Jan 1.Jul 1.Jan1.Jul 1.Jan

Kulturp anze Zwischenfrucht Mulch

. Abb. 6.2 Veränderung von Bodenbedeckung (linke Achse) und maximaler Retention (rechte Achse) bei einem unendlichen langen Regen auf Ackerschlägen im Verlauf mehrerer Jahre, wobei oben die Zwischen- früchte im Herbst eingearbeitet wurden, während sie unten über den Winter standen, abfroren und eine dichte Mulchschicht für die folgenden Reihenkulturen (Mais bzw. Kartoffeln) lieferten [5]. Die Maximalretention wurde über das CN-Verfahren [6] und den Zusammenhang zwischen Bedeckung und CN-Wert geschätzt darf die Fließlänge bzw. das oberirdische Ein- z Beispiel zugsgebiet nicht groß sein, weil sonst der Ober- Um den Efekt der verschiedenen schlag- fächenabfuss die Querstrukturen durchbricht. internen Maßnahmen auf die Abfuss- Damit ist zu rechnen, wenn die Hanglänge verzögerung im Feldmaßstab quantitativ in Richtung des Hauptgefälles länger als die abzuschätzen, können über die Rau- kritische Hanglänge ist. Die kritische Hanglänge heit, die Ausbildung des Entwässerungs- sinkt mit zunehmender Neigung, da das Wasser- netzes und über die GMS-Gleichung speicherungspotenzial der Mikrotopographie Fließgeschwindigkeit und Fließzeit bestimmt und kleiner Rauheitselemente dann abnimmt. werden. Das Vorgehen wird exemplarisch Die kritische Hanglänge kann nach 7 Gl. 6.1 anhand eines 170 m langen und 135 m ermittelt [11] oder aus den Werten in . Tab. 6.1 breiten Feldes (2,3 ha) mit einer einheit- abgeschätzt werden: lichen Neigung von 4 % für verschiedene − · Bedeckungsgrade (0, 10, 30 %) und getrennt HL = 170 · e 0,13 HN (6.1) krit für eine Bearbeitung in Gefällerichtung bzw. mit höhenlinienparallelen Anbau illustriert. HL - Kritische Hanglänge (m) krit Dabei wird von einer abfusswirksamen HN - Hangneigung (%) Niederschlagshöhe von 15 mm in 30 min 118 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

Untersaat Gegenüberstellung der Berechnungsergeb- 100 Roggen nisse in . Tab. 6.2 zeigt, dass die Fließzeit 80 gegenüber einer unbedeckten Oberfäche mit Bewirtschafung in Hauptgefällerichtung 60 (19 min) durch eine hangparallele Bewirt- 40 schafung und eine Bedeckung von 30 % fast 20 vervierfacht werden kann (73 min). Bleibt

Panzenbedeckung (%) die Bedeckung unter 30 %, ist die Wirkung 0 1. Okt. 1. Jan. 1. Apr. 1. Jul. 1. Okt. deutlich geringer. Bei den Berechnungen wurden, um nur dem Efekt der Rauheit . Abb. 6.3 Untersaaten liefern nach der Ernte der auf die Fließgeschwindigkeit zu quanti- Hauptfrucht durchgehend Rauheit durch Pfanzen- fzieren, von gleichen Abfussraten bei allen bedeckung, ohne dass ein Saatbett notwendig ist und . Abb. 6.1 damit eine Lücke entsteht (Daten aus [7]) sechs Varianten ausgegangen. Da 6 aber zeigt, dass mit 30 % Bedeckung der Abfuss bei Starkregen nur halb so groß ist ausgegangen. Da die GMS-Gleichung ledig- wie bei 0 % Bedeckung, werden die Unter- lich die Fließwiderstände berücksichtigt schiede noch wesentlich größer. Unter- und den Einfuss auf die Infltration und schiede um den Faktor 10 zwischen 0 und den Abfussrückhalt hinter den Rauheits- 30 % Bedeckung sind realistisch. Zusammen- elementen nicht abbildet, ist davon auszu- genommen ergibt sich auf der Feldskala ein gehen, dass die reale Abfussverzögerung bei enormes Potenzial zur Abfussverzögerung, den Varianten mit hohem Bedeckungsgrad das jedoch nur bei konsequenter Umsetzung noch deutlich größer sein dürfe. der Maßnahmen genutzt werden kann. Die Streckenlänge des Schichtabfusses Zentraler Mechanismus ist die Förderung kann anhand der Rauheit und über 7 Gl. einer größtmöglichen Rauheit und ihres 8.1 abgeschätzt werden. Zur Bestimmung Schutzes durch hohe Bedeckungsgrade. der Fließstrecke des Rillen- und Rinnen- Eine Rauheit stellt nicht nur das wesentliche abfusses wird nach 7 Gl. 8.2 vereinfachend Strömungshindernis dar, sie beeinfusst auch angenommen, dass sie der doppelten Länge die Ausbildung der Entwässerungswege. des Schichtabfusses entspricht (insofern Wird davon ausgegangen, dass eine Ver- der Abfuss nicht schon vorher den Feld- änderung der Bewirtschafungsrichtung rand erreicht). Weiter wird davon aus- im Mittel die Fließzeit um 30 % ver- gegangen, dass sich Rillen und Rinnen längert, alle oben genannten Bedingungen bündeln und die verbleibende Strecke für Querbearbeitung zutrefen (dies ist in bis zum Erreichen des Feldrands auf den dem Beispiel nicht der Fall, da die Hang- Hangmuldenabfuss entfällt (vgl. das Bei- länge größer als die kritische Hanglänge spiel in . Abb. 3.6). Rauheitsbeiwerte des und da die Niederschlagsrate hoch ist) Schichtabfusses wurden für die unter- und dass der Scheitel einer Abfusswelle schiedlichen Bedeckungsgrade bzw. zur näherungsweise proportional zu Fließzeit Berücksichtigung der Querbearbeitung aus und Abfussvolumen ist, würde sich durch . Tab. 8.2 entnommen. Die Schichtdicke Querbearbeitung analog am unteren Feld- des Abfusses und damit der hydraulische rand eine Scheitelminderung von etwa 30 % Radius wurden iterativ so bestimmt, dass einstellen (die zusätzlich erhöhte Infltration die Abfussraten in den einzelnen Abfuss- ist dabei noch nicht berücksichtigt). Das pfaden für die verschiedenen Varianten ein- Potenzial von Direktsaat, Oberfächenabfuss heitlich waren. Die Zusammenfassung und langsam und weitgehend ohne Erosion aus 119 6 6.1 · Flächige, schlaginterne Maßnahmen zur Erhöhung der Oberfächenrauheit

. Tab. 6.1 Kritische Hanglängen für unterschiedliche Hangneigungen; die Werte wurden nach 7 Gl. 6.1 ermittelt

Hangneigung (%) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Kritische Hanglänge (m) 131 101 78 60 46 36 28 21 16 13

. Tab. 6.2 Abschätzung der mittleren Fließzeit von Oberfächenabfuss auf einem 170 m langen, 135 m breiten (2,3 ha) und 4 % geneigten Feldes bei unterschiedlichen Bedeckungsgraden und Bewirt- schaftungsrichtungen für eine abfusswirksame Niederschlagshöhe von 15 mm. Die Rauheitswerte für Schichtabfuss wurden entsprechend der Bedeckung aus . Tab. 8.2 entnommen. Für den Abfuss in Rinnen und Rillen wurde einheitlich ein Rauheitswert von k = 20, für den Abfuss in der Hangmulde in 1/3 1 Anlehnung an . Tab. 5.1 ein Rauheitswert von k = 30 (m s− ) angenommen. Die Fließtiefe und damit der hydraulische Radius wurden optimiert, sodass in allen Fällen die Abfussrate identisch war

Bewirtschaftungsrichtung In Hauptgefällerichtung Höhenlinienparallel

Bedeckung (%) 0 10 30 0 10 30

Schichtabfuss

1/3 1 Rauheit (m s− ) 17 12 5 12 8 5 Hydraulischer Radius (cm) 0,23 0,30 0,48 0,30 0,38 0,52 Fließpfadlänge (m) 49 58 89 58 71 100

1 Fließgeschwindigkeit (cm s− ) 6,0 4,9 2,8 4,9 3,9 2,4 Fließzeit (min) 13,5 19,5 52,6 19,5 30,4 69,1 Rinnen- und Rillenabfuss Anzahl (−) 30 20 10 15 10 5

1/3 1 Rauheit (m s− ) 20 20 20 20 20 20 Hydraulischer Radius (cm) 2,1 2,2 1,7 3,1 2,8 2,3 Fließpfadlänge (m) 97 112 81 112 99 70

1 Fließgeschwindigkeit (cm s− ) 31 31 27 39 37 32 Fließzeit (min) 5,2 6,0 5,1 4,7 4,4 3,7 Hangmuldenabfuss Anzahl (−) 1 0 0 0 0 0

1/3 1 Rauheit (m s− ) 30 0 0 0 0 0 Hydraulischer Radius (cm) 6,9 0 0 0 0 0 Fließpfadlänge (m) 24 0 0 0 0 0

1 Fließgeschwindigkeit (cm s− ) 101 0 0 0 0 0 Fließzeit (min) 0,4 0 0 0 0 0 Gesamtfießzeit (min) 19 26 58 24 35 73 Gesamtfießzeit (%) 100 133 301 126 182 380 120 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

6 . Abb. 6.4 Luftbildaufnahme eines mit Mais- . Abb. 6.5 Bodenbearbeitung in Streifen (Strip-Till) Direktsaat bestellten Feldes vom 06.06.2016, das nur kann die Vorteile von intensiver Bodenbearbeitung geringere Spuren von Wasserabfuss und Bodenaus- und von Direktsaat verbinden. 50–70 % der Oberfäche trag in den Schutzstreifen unten rechts zeigt, obwohl werden nicht bearbeitet und verfügen über eine hohe es einem Starkregen von ca. 50 mm in einer Stunde Rauheit und hohe Infltrationsfähigkeit, wodurch der ausgesetzt war. (Quelle: W. Bauer, Agroluftbild in 3) Abfuss stark gebremst wird. (Quelle: H. Kirchmeier)

der Fläche abzuleiten, ist auch durch Luf- bildaufnahmen nach Starkregenereignissen Vorteile von Bodenbearbeitung und dokumentiert (. Abb. 6.4). Direktsaat verbindet. Dadurch, dass bei Die Bewirtschafungsrichtung wird diesem Verfahren 50–70 % der Fläche indirekt durch den Flächenzuschnitt und die unbearbeitet bleiben, ergeben sich ein Erschließung der Fläche durch das Wegenetz deutlich geringeres Erosionsrisiko, eine vorgeben, da die Bearbeitung in Richtung der gute Entwicklung der Bodenstruktur längeren Seite arbeitswirtschaflich vorteil- und ein 10–20 % höheres Infltrations- haf ist. Um hangparallele Bewirtschafung zu vermögen für Niederschläge als auf fördern, sollte im Rahmen von Boden- und konventionell bestellten Schlägen. Nach Flurneuordnungsverfahren die Längsseite der Studien der Bayerischen Landesanstalt Flurparzellen parallel zu den Höhenlinien ver- für Landwirtschaft werden zumeist laufen und die Erschließung über die Breitseite, gleichwertige oder sogar höhere idealerweise durch Wege auf dem Hangrücken Erträge als bei Direktsaat erzielt [12]. erfolgen. Hinweise zur Flächenparzellierung Die Ergebnisse werden auch durch und dem Wegebau sind in 7 Abschn. 6.5, 6.7 Versuche aus Sachsen bestätigt. und 7 Anhang 8.7 beschrieben. Zusätzliche Infltrationsversuche im Feld zeigen dort außerdem, dass die Infltration bei Streifenbearbeitung und Wirkung von Streifenbearbeitung Direktsaat nahezu identisch und fast Die streifenförmige Bearbeitung 5-mal so hoch wie bei konventioneller einzelner Schläge (. Abb. 6.5) („Strip Bodenbearbeitung war [13]. Till“) ist eine Alternative zur Direktsaat als bodenschonendes, erosionsminderndes, wasser- und energiesparendes Bestellverfahren für Reihenfrüchte. Wirkung des Dammanbaus Streifenbearbeitung ist in Deutschland Der (nahezu) höhenlinienparallele Anbau noch kaum verbreitet, obwohl sie die von Kulturen auf Dämmen (engl. „Ridge 121 6 6.2 · Grünstreifen

vorprogrammiert. Ein Beispiel dafür zeigt der Tillage“) ist eine weitere ackerbauliche Kartofelacker in . Abb. 6.6. Die Kartofel- Alternative. Mais kann beispielsweise auch dämme sorgten bei einem Starkregen dafür, auf dauerhaften und damit besonders dass in der Fläche kein Wasser in Haupt- stabilen Dämmen entweder in Monokultur gefällerichtung abfoss. Im vegetationsfreien oder im Wechsel mit einer anderen Vorgewende am linken Feldrand, das den Reihenkultur wie Soja angebaut werden. Oberfächenabfuss aufnahm und ableitete, Erfahrungen aus den USA zeigen, dass kam es dagegen zu starker Erosion. damit die Rauheit in Gefällerichtung erhöht und der Oberfächenabfuss um 30 bis 40 % reduziert werden kann, wobei die 6.2 Grünstreifen Wirkung bei kleinen Ereignissen größer, bei großen Ereignissen geringer ist [14, 15]. Die Dauerhaf begrünte Flächen können Bereiche Anlage dauerhafter Dämme setzt voraus, hoher Infltrationskapazität schafen, Sediment dass die Dämme eine geringe, einheitliche aus dem Wasser auskämmen oder als lineare Neigung gegenüber den Höhenlinien Strukturen helfen, Oberfächenabfuss schad- haben, sodass der Oberfächenabfuss los aus der Fläche ab- und entlang angelegter langsam zur Seite geleitet wird und sich Fließwege in ein Gewässer zu leiten. Je nach nicht hinter dem Damm sammeln kann Konzeption werden sie über eine relativ kurze und dass geeignete wasserableitende Strecke durchfossen und sind dann Grün- Strukturen dort vorhanden sind, wo die streifen, die in diesem Kapitel behandelt Dämme das Wasser hinleiten. Das kann der werden, oder sie werden der Länge nach durch- Feldrand oder eine Hangmulde sein. Dort fossen, wie im Fall der begrünten Abfuss- sind begrünte Abfussmulden allerdings mulden, die im folgenden Kapitel behandelt fast zwingend notwendig, da durch die werden. Grünstreifen können zum einen dort auftretende Bündelung des Abfusses die Abfusshöhe reduzieren – unter welchen ansonsten ein sehr hohes Risiko für das Bedingungen welcher Efekt zu erwarten ist, Entstehen von Gullys besteht. wird im ersten Teil dieses Kapitels behandelt. Zum anderen können sie die Abfuss- geschwindigkeit bremsen – dies wird am Ende Für alle Maßnahmen, die den Wasserfuss des Kapitels quantifziert. Für beide Efekte ist leiten oder verändern, wozu auch die Quer- wichtig, dass der Abfuss möglichst langsam und bearbeitung oder der Dammanbau zählen, breitfächig fießt. Das gilt grundsätzlich für alle müssen die Übergangsbereiche von einem Formen von Grün-, Filter- oder Puferstreifen, Fließabschnitt zum nächsten so gestaltet und die rasch an Wirkung verlieren, wenn sie schnell gesichert werden, dass sie den Oberfächen- oder konzentriert durchströmt werden [16]. abfuss schadlos aufnehmen und abführen Abfussminderung: Grundsätzlich haben können. Innerhalb landwirtschaflicher dauerhaf begrünte Flächen niedrigere Schläge kann dies vor allem durch Grün- CN-Werte als Ackerfächen. Damit können streifen oder dauerhaf begrünte (erosions- Grünstreifen, wie auch begrünte Abfuss- sichere) Abfussmulden am Feldrand oder mulden, von den Ackerfächen kommenden in Hangmulden, ggf. auch begrünte Vor- Abfuss durch Infltration vermindern. Der gewende geschehen. Fehlen sie, wird der Unterschied ist besonders groß in Zeiten, Abfuss durch die Querstrukturen zwar in denen auf den Ackerfächen wenig schadlos aus der Fläche abgeleitet, im daran Bedeckung vorhanden ist. Und der Unter- anschließenden Abschnitt des Entwässerungs- schied ist besonders groß bei den hydro- weges sind Erosionsprobleme allerdings of logischen Bodengruppen A und B, bei denen 122 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

CN-Wert einer Wiese nur 30. Die Anfangs- retention beträgt dann 120 mm. Unter diesen Bodenverhältnissen wird die Infltrations- kapazität von Grünstreifen bis zu Regen von 120 mm noch nicht durch den Regen selbst ausgeschöpf. Wenn dann auch noch die darüberliegende Ackerfäche zur Boden- gruppe A gehört und daher nur wenig Abfuss liefert, wird die Versickerungsleistung eines Grünsteifens in vielen Fällen ausreichen. Umgekehrt gilt natürlich, dass bei Vorliegen der hydrologischen Bodengruppe D eine noch geringere Wirkung auf die Abfussreduktion 6 zu erwarten ist als bei Bodengruppe C. Weiterhin gilt, dass die Wirkung bei kurzer Fließstrecke nicht groß sein kann, . Abb. 6.6 Kartoffelacker mit quer zum Gefälle weil die Zeit, die der Oberfächenabfuss für (roter Pfeil) orientierter Bewirtschaftung. Bei einem das Durchfießen des Grünstreifens braucht, Regen mit 18 mm konnten die Kartoffeldämme kurz ist und weil die Menge an Wasser, die Erosion und Oberfächenabfuss innerhalb des Feldes angeliefert wird, hoch ist. Dennoch zeigen in Hauptgefällerichtung verhindern. Durch die Quer- Versuche, dass die Wirkung von Grünstreifen strukturen wurde der Abfuss entlang der Dämme in das Vorgewende am linken Feldrand und dort auf die Abfussminderung in der Summe aller hangabwärts geleitet (hellblaue Pfeile). Aufgrund kleinen und großen Ereignisse nicht unerheb- mangelnder Sicherung und fehlender Bedeckung lich ist. In den USA konnten Grünstreifen, wurde das Vorgewende durch starke Erosion weit- die 10 % der gesamten Hanglänge einnahmen gehend zerstört. Um dem vorzubeugen, hätte das (bei Hanglängen von 300 m also 30 m breite Vorgewende schmaler ausfallen können und durch einen grassed waterway gesichert werden müssen. Streifen), die Abfussmenge etwa um 40 % (Bildquelle: H&S Ingenieure) vermindern (. Abb. 6.7). Wurde die Gesamt- breite auf zwei (bis drei) Streifen aufgeteilt und an mehrere Stellen des Hanges platziert, die CN-Werte von Grünland sich stärker von wobei aber mindestens ein Streifen am denen bei Ackernutzung unterscheiden als bei Hangfuß lag, war die Wirkung etwas geringer. Bodengruppe C oder D (vgl. . Tab. 4.1). Eine Minderung von 40 % gilt im Mittel Die Minderung wird vor allem bei kleinen mehrerer Jahre, während der es auch viele Abfussereignissen aufreten. Sobald die kleine Ereignisse gibt, bei denen die Wirkung begrünte Fläche selbst Abfuss liefert, wenn groß ist, auch wenn sie bei großen Ereignissen also der Regen größer ist als der Anfangs- schwindet. Die Belastung von Gewässern verlust, kann die begrünte Fläche auch kein mit gelösten Stofen und noch mehr durch zufießendes Wasser mehr versickern. Geht partikuläre Stofe, wird dadurch wesentlich man von einem CN-Wert von 72 bei Grün- vermindert. Für einen Schutz vor Sturzfuten land und hydrologischer Bodengruppe C oder Hochwasser, die durch ganz große Regen aus (. Tab. 4.1), ergeben sich eine Maximal- ausgelöst werden, haben die Streifen dagegen retention von etwa 100 mm und damit ein eine geringere Bedeutung. Anfangsverlust von 20 mm. Für Regen, die Geschwindigkeitsminderung: Um die mehr als 20 mm erbringen, wird die Wirkung Bremswirkung von Grünstreifen auf den eines Grünstreifens klein. Bei den hydro- Abfuss in Abhängigkeit von der Durch- logischen Bodengruppen A beträgt der strömung (konzentriert vs. fächig) zu ver- 123 6 6.2 · Grünstreifen

Jahressumme der Abusshöhe Abfusses beim Eintritt in den Streifen gegen- relativ zu reiner Reihenkultur (%) über der Breite auf der Ackerfäche ausdehnt, 0 20 40 60 80 100 der Abfuss den Streifen aber trotzdem noch Reihenkultur in konzentrierter Form durchquert. Dadurch ist bereits intuitiv eine geringe Bremswirkung +10 % Gras in des Grünstreifens zu erwarten. Für eine mehreren Streifen quantitative Abschätzung des Efektes mit +10 % Gras der GMS-Gleichung wird angenommen, dass am Hangfuß sich die Fließbreite des Hangmuldenabfusses durch die erhöhte Rauheit im Grünstreifen . Abb. 6.7 Wirkung von Grünstreifen kombiniert gegenüber der Situation in der Ackerfäche mit einer Reihenkultur relativ zur Abfussmenge verdoppelt. Dadurch reduziert sich zwar die einer reinen Reihenkultur. Der Grünstreifen nahm Fließgeschwindigkeit im Streifen um 40 %, mindestens 10 % der gesamten Hanglänge ein und durch seine geringe Breite von 12 m wird er war am Hangfuß angeordnet. Eine Teilung der Gras- aber trotzdem in weniger als einer halben fäche in mehrere Streifen, wobei immer noch einer am Hangfuß lag, vermindert die Wirkung etwas. Die Minute durchfossen. Der relative Anteil der Fehlerbalken zeigen den 95 %-Vertrauensbereich. Die Fließzeit von der oberen bis zur unteren Feld- Wirkung ist also gerade noch signifkant. Datengrund- grenze, die auf den Streifen entfällt, beträgt lage: 12 Parzellen, 4 Jahre, 70 Abfussereignisse, Hang- dabei gerade einmal 2 % (. Tab. 6.3). Ein längen 110 bis 290 m [17] 5 m breiter Gewässerrandstreifen würde unter diesen Bedingungen den Abfuss sogar nur um 10 bis 20 s verzögern. Dies ist ver- anschaulichen, werden zwei Fallbeispiele nachlässigbar. verglichen. Dabei wird analog zum Beispiel Im Fall 2 wird ebenfalls analog zu dem . Tab. 6.2 in von einem 170 m langen, 135 m Beispiel in . Tab. 6.2 von einem höhenlinien- breiten (entspricht 2,3 ha) und 4 % geneigten parallelen Anbau und 10 % Bodenbedeckung Acker mit geradem Fließen (ohne kon- ausgegangen. Durch die erhöhte Rauheit vergentem oder divergentem Fließen) aus- der Ackerfäche verläuf die Bündelung des gegangen. Der Grünstreifen ist jeweils auf Wassers langsamer und der Großteil des Ober- den untersten 12 m des Feldes angelegt. Seine fächenabfusses trif in kleinen Rinnen und Größe ist mit 7 % der Feldfäche geringer als Rillen auf den Grünstreifen. Wie beim Fall 1 die oben geforderte Fläche von 10 %, dafür wird angenommen, dass durch die erhöhte entspricht die Breite eher einem typischen Rauheit des Pufers die Fließbreite im Grün- Gewässerrandstreifen. streifens gegenüber der Breite der Rinnen und Im Fall 1 wird die Ackerfäche in Gefälle- Rillen zunimmt (Annahme: um den Faktor richtung konventionell bewirtschafet (d. h. 4, da die Konzentration in den Rinnen und wendende Bodenbearbeitung, geringe Bede Rillen geringer ist als in der Hangmulde wie ckung des Saatbetts). Für den Fall wurde in bei Fall 1). Entsprechend nimmt die Fließzeit 7 Abschn. 6.1 geschätzt, dass sich Schicht- und stärker zu. Allerdings wird der Filterstreifen Rinnenabfuss nach knapp 150 m gebündelt trotzdem in weniger als einer Minute durch- . Tab. 6.2 haben (vgl. ) und der Abfuss fossen. Der Streifen trägt wieder nur 2 % zur folglich in konzentrierter Form als Hang- Gesamtfießzeit bei (. Tab. 6.3). Selbst bei ver- muldenabfuss am unteren Feldrand auf den gleichsweise günstigen Bedingungen bleibt Grünstreifen trif. Durch die erhöhte Rauheit 1/3 1 daher die Wirkung schmaler Grünstreifen auf des Streifens (Annahme k 15 m s− ) ist zu = Abfussmenge und Abfussgeschwindigkeit erwarten, dass sich der Fließquerschnitt des vernachlässigbar. 124 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Tab. 6.3 Abschätzung der Verzögerung des Oberfächenabfusses durch Grünstreifen am unteren Feldrand bei unterschiedlichen Bewirtschaftungsbedingungen oberhalb. Es wurde von einem 170 m langen, 135 m breiten und einheitlich 4 % geneigten Acker (2,3 ha) ausgegangen, bei dem sich am unteren Feldrand ein 12 m breiter Grünstreifen befndet. Die verwendeten Daten und Annahmen entsprechen denen in . Tab. 6.2. Die Berechnung mit der GMS-Gleichung geht von stationären Bedingungen aus und berücksichtigt ausschließlich die Abfussverzögerung, nimmt also eine ver- nachlässigbare Infltration im Grünstreifen an

Fließabschnitt Blankes Saatbett, Bewirtschaftung 10 % Bedeckung, in Gefällerichtung, Grünstreifen am höhenlinienparalleler Anbau, unteren Feldrand Grünstreifen am unteren Feldrand

Schichtabfuss 14,5 min (70 %) 30,4 min (88 %) Rinnen und Rillen 5,2 min (27 %) 3,9 min (11 %) 6 Hangmulde 0,4 min (1 %) – Grünstreifen 0,4 min (2 %) 0,6 min (2 %) Gesamtfießzeit 19,6 min (100 %) 35 min (100 %)

6.3 Begrünte Abfussmulden 5 Sie dämpfen Hochwasserscheitel durch (Grassed Waterways) Bremsen des Abfusses und (je nach Aus- führung) Reduktion des Abfussvolumens Begrünte Abfussmulden (GWW in diesem durch erhöhte Infltration [21]. Kapitel, von engl. „grassed waterway“) sind natürliche oder konstruierte, dauer- Hinzu kommen zahlreiche weitere, vor allem haf begrünte Fließwege, um Oberfächen- ökologische aber auch landschafsästhetische abfuss schadlos, d. h. mit nicht-erosiver Efekte, wodurch GWWs eine sehr hohe, Geschwindigkeit entlang der natürlichen multifunktionale Wirkung haben (einen (topographischen) Entwässerungswege aus Überblick und eine Quantifzierung dieser der Fläche abzuleiten. GWWs gelten vor Wirkungen geben [22, 23]). Trotz dieser allem in Regionen mit großfächiger landwirt- Potenziale und obwohl die Grundzüge des schaflicher Nutzung, darunter den USA, seit Konzeptes auch in Deutschland bereits in den 1970er- und 1980er-Jahren als bewährter den 1980er-Jahren beschrieben wurden [24], und wirksamer Standard zur Förderung des sind GWWs bis heute in weiten Teilen Mittel- Wasser- und Stofrückhalt in der Fläche [18, europas nur selten anzutrefen. Dabei ist auch 19]. Ihre wesentlichen Potenziale sind: in Mitteleuropa inzwischen die Größe der 5 Sie verhindern Erosionsrinnen bei Stark- Ackerfächen stark angewachsen, und GWWs regen, da die Bodenoberfäche durch die könnten zur kontrollierten Entwässerung Bedeckung und das Wurzelwerk der Gras- einer Vielzahl von Flächen genutzt werden. Im narbe gesichert wird [20]. Gegensatz zu Filter- und Gewässerrandstreifen 5 Sie reduzieren den Stofaustrag durch werden GWWs kaum thematisiert, obwohl Sedimentation, Adhäsion und Sorption sie eine viel größere Wirkung auf den Wasser- partikulärer Stofe innerhalb der und Stofaushalt haben, da sie bei Starkregen begrünten Mulde. über eine lange Strecke durchströmt werden. 125 6 6.3 · Begrünte Abfussmulden (Grassed Waterways)

Lediglich im Freistaat Sachsen werden gegen- wärtig Bemühungen unternommen, GWWs 5 je hydraulisch rauer die bodennahe wieder verstärkt in der Fläche zu etablieren Vegetation ist (Hochstauden mit [25, 26]. dichter Streuaufage), GWWs sollten prinzipiell entlang aller 5 je geringer die Hangneigung ist und topographisch bedingten, erosionsanfälligen 5 je kürzer und je kleiner die Entwässerungswege in der Landschaf Zufussspitze ist, die abzupuffern ist. installiert werden. Form und Beschafenheit Nicht alle diese Parameter lassen sich können dabei entlang des Fließweges variieren verändern (z. B. Zufussspitze oder Abb. 6.8 (. a). Wesentlich für ihre Funktion Hangneigung). In günstigen Fällen ist, dass die Übergänge von den angrenzenden (hohe Rauheit, trockene Bedingungen, Flächen so beschafen sind, dass Oberfächen- kurze schauerartige Niederschläge) kann abfuss dem GWW ungehindert zufießen eine Verzögerung von vielen Stunden Abb. 6.8 kann (. b). Anderenfalls fießt der erreicht werden, in ungünstigen Fällen Abfuss entlang der Ackerrandfurche und der (Extremereignisse, geringe Bedeckung, Erosionsschaden wird nicht verhindert. Die wassergesättigtes Porenvolumen im Positionen, an denen GWWs in der Land- Boden, Hangneigung >9 %) ist im schaf installiert werden sollten, lassen sich Mittel immer noch eine Verzögerung leicht mit digitalen Geländemodellen identi- in der Größenordnung von 10 min Abb. 6.8 fzieren (. c). Fehlen sie, kann das möglich. Dies haben Feldmessungen Ausmaß möglicher Erosionsrinnen enorm eines 650 m langen und 10 m (oben) bis Abb. 6.8 sein (. d). Gegebenenfalls ist auch der 50 m (unten) breiten GWWs ergeben, Auslass der begrünten Mulde gegen Erosion bei dem sich der Spitzenabfuss am zu sichern, z. B. durch eine Steinschüttung. Je Auslass der begrünten Mulde im Mittel nach Zielsetzung sind schmale, unterhalb der um 40 %, bei häufgen Ereignissen Geländeoberkante gelegene Abfussmulden sogar um deutlich mehr vermindern zum schnellen, aber schadlosen Ableiten ließ [21, 22]. Modellierungsstudien von Wasser, sehr breite und fache Mulden legen darüber hinaus nahe, dass GWWs zum Ableiten und Bremsen hoher Abfuss- auch den Abfuss großer Gebiete raten oder als multifunktionale Fließwege mit (>1000 ha) mindern können. Selbst hohem ökologischen Wert möglich [23]. unter ungünstigen Bedingungen (kleine, schmale GWWs, seltene Winterereignisse) Wirkung von begrünten konnten Scheitelreduktionsraten von Abfussmulden 15 % erreicht werden, wobei GWWs am Die Wirksamkeit von GWW ergibt sich Ende des Winters immer die geringste einerseits aus Rückhalt und Versickerung Effektivität aufwiesen [29, 30]. Auch eine des Abfusses und andererseits aus dem umfangreiche Studie zum vorbeugenden Bremsen des Abfusses. Die Wirksamkeit Hochwasserschutz im Einzugsgebiet der ist umso besser, Mulde in Sachsen [31] stuft GWWs als besonders effektive, furuntergliedernde 5 je breiter und facher die begrünte Maßnahme zum Wasser- und Stoffrückhalt Mulde angelegt ist, in der Fläche ein. 5 je länger die begrünte Mulde ist, 126 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.8 (a) Eine begrünte Abfussmulde (GWW) kann entlang des Fließweges sowohl in der Breite wechseln, um den Flächenzuschnitt der angrenzenden Felder zu optimieren, als auch in der Vegetations- beschaffenheit, um z. B. durch Mulchen die Vegetationsrauhigkeit nicht im gleichen Jahr entlang der gesamten Fließstrecke zu beseitigen (unterer Teil des GWW im Aufnahmejahr gemulcht, um verholzende Pfanzen zu unterdrücken, oberer Teil mehrjährig nicht gemulcht). (b) Der Übergang vom Feld zum GWW muss ohne Rand- furche erfolgen, damit der Oberfächenabfuss nicht am ungeschützten Feldrand kanalisiert wird. Abgestorbene Stängel von Hochstauden erzeugen auch im Winter eine stabile hydraulische Rauheit. (c) Die Gefahr von Graben- erosion und die optimale Lage von GWWs lassen sich gut aus der Topographie vorhersagen (Modellierung der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft mithilfe der differenzierenden Allgemeinen Bodenabtrags- gleichung dABAG [27, 28]; der Bildausschnitt von (D) ist durch einen roten Rahmen markiert; dunkelbraune Farben indizieren ein hohes Risiko für Grabenerosion; Abstand der Höhenlinien 2 m). (d) Die massive Auskolkung einer Erosionsrinne in der Tiefenlinie des kleinen Einzugsgebietes durch das Fehlen eines GWW bei einem einzelnen Starkregenereignis im Juni 2016 passt gut mit der Prognose links (c) zusammen. Breite der Auskolkung mehr als 8 m (vgl. Straßenbreite), Tiefe ca. 4 m. (Foto: R. Brandhuber)

GWWs sind inzwischen relativ gut untersucht. natürlichen Verlauf des Oberfächenabfusses Informationen über Bauausführung, Anlage- bei Starkregen, dem Talweg. Das Querprofl und Unterhaltskosten, aber auch ausführ- einer natürlichen Abfussbahn sollte eine liche Erläuterungen der Vor- und Nachteile fache Parabel sein. Meist genügt es, die vom von GWWs aus verschiedenen Perspektiven Relief vorgegebene Abfussbahn dauerhaf sind in der wissenschaflichen Literatur [20, zu begrünen. Die Breite der zu begrünenden 23, 32] und in Praxisleitfäden [25, 26, 33, 34] Fläche hängt von der Größe der zu ent- dokumentiert. Für die praktische Umsetzung wässernden Fläche, der Geometrie und dem sind im Wesentlichen die Dimensionierung Sohlgefälle der Abfussbahn ab. Je größer und die Festlegung des Verlaufs in der Fläche das Einzugsgebiet und je steiler das Sohl- wichtig. Letzterer ergibt sich aus dem gefälle, desto breiter und facher muss die 127 6 6.3 · Begrünte Abfussmulden (Grassed Waterways) begrünte Mulde angelegt werden. Längere sollte mit zunehmendem Gefälle zunehmen, Abfussbahnen können auch in Abschnitte um geringe Fließgeschwindigkeiten zu unterschiedlicher Begrünungsbreite ein- erreichen. Der Flächenbedarf von GWWs geteilt werden, sodass die Breite zum Unter- beträgt erfahrungsgemäß etwa 2 % der lauf hin, entsprechend der zunehmenden Einzugsgebietsgröße. Neben den hydro- Einzugsgebietsgröße und dem dort ofmals logischen Parametern sollte die Planung geringeren Gefälle, steigt. Auf eine Begrünung auch die durch die Landtechnik bedingten mit speziellen Arten, sofern diese nicht als Bearbeitungsbreiten in den angrenzenden Untersaat etabliert werden können, sollte ver- Ackerfächen berücksichtigen. Dies erleichtert zichtet werden, selbst wenn dies aus biotischen nicht nur die Bearbeitung der angrenzenden Gründen wünschenswert wäre. Der Grund Ackerfächen, sondern auch die Pfege der liegt darin, dass GWWs immer in dem am begrünten Abfussmulde. Da ein GWW den stärksten durch Erosion gefährdeten Bereich Abfuss aus den angrenzenden Ackerfächen angelegt werden. Arten mit langsamer aufnehmen soll, dürfen die Ackerfächen Keimung, schwacher Jugendentwicklung und keinesfalls hydraulisch vom GWW abgetrennt dem Bedarf für ein feines Saatbett lassen sich werden, z. B. durch eine Ackerrandfurche dort nicht durch Aussaat etablieren. Zum oder ein Vorgewende. Die Erfahrung zeigt, Standort und der Nutzung passende Arten dass diese Bedingung Landwirten besonders werden sich mittelfristig auch ohne Ansaat schwer zu vermitteln ist, obwohl es eigentlich einfnden. die Arbeit erleichtert, wenn auf das arbeitsauf- Faustzahlen für die Dimensionierung wendige Vorgewende verzichtet werden kann. von GWWs können abhängig von der Ein schematisches Arbeitsbeispiel zur Einzugsgebietsgröße und dem Gefälle mit- Platzierung von GWWs in der Flur ist in hilfe der GMS-Gleichung abgeschätzt . Abb. 6.9 dargestellt. Die Ausgangslage werden (. Tab. 6.4). Die Breite der Parabel (linkes Bild) zeigt, dass sich die Flurstücke viel-

. Tab. 6.4 Faustzahlen zur Festlegung der Breite B in m von begrünten Abfussmulden in Abhängigkeit von der zu entwässernden Fläche in ha, dem Sohlgefälle in % und der Fließtiefe t in m bei Spitzenabfuss. Die Werte wurden anhand der GMS-Gleichung für etwa 50-jährliche Niederschläge ermittelt, bei denen 1 1 Ackerfächen Scheitelabfussspenden in Höhe von rund 50 l s− ha− liefern können. Dabei wurde einheit- 1/3 1 lich von einem Rauheitswert von 20 m s− ausgegangen. Die Breite der begrünten Mulde wurde so fest- 1 gelegt, dass der ermittelte Scheitelabfuss abgeführt werden kann, ohne Fließgeschwindigkeiten >1 m s− zu erreichen. Um ein möglichst breitfächiges Fließen zu erreichen, wurde die mittlere Seitenneigung des Muldenquerschnitts zusätzlich auf 2 % beschränkt

Gefälle 2,5 ha 5 ha 10 ha 15 ha 20 ha 30 ha 50 ha (%) B t B t B t B t B t B t B t

1 4 0,13 6 0,20 8 0,22 8 0,25 10 0,31 10 0,36 12 0,45 2 4 0,11 6 0,16 8 0,18 8 0,18 10 0,25 10 0,29 16 0,31 3 4 0,09 6 0,14 10 0,14 10 0,14 12 0,20 14 0,21 20 0,24 4 4 0,09 6 0,13 10 0,13 10 0,13 14 0,17 18 0,17 24 0,19 5 4 0,08 6 0,12 10 0,12 10 0,12 16 0,14 20 0,15 28 0,17 6 4 0,08 8 0,10 10 0,11 12 0,10 18 0,13 24 0,12 32 0,14 7 4 0,07 8 0,09 10 0,11 12 0,10 18 0,12 26 0,11 36 0,13 8 4 0,07 8 0,09 10 0,10 12 0,09 20 0,11 28 0,10 38 0,12 128 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.9 Schematisches Planungsbeispiel, wie durch die Veränderung der Flächenparzellierung starke Rinnenerosion (a) verhindert werden kann, indem eine begrünte Mulde in der Tiefenlinie eines Maisfeldes 6 angelegt wird, die daran angrenzenden Felder an der Topographie der Landschaft ausgerichtet und dadurch der ländliche Hochwasserschutz und die Flächenbewirtschaftung gleichermaßen verbessert werden (b). Nummer 1 und 3 in (b) kennzeichnen die beiden Felder; Nummer 2 ist die begrünten Abfussmulde. (Quelle: W. Bauer, Agroluftbild)

fach nicht an den Fließwegen der Landschaf so, wenn die Felder nach der Tiefenlinie aus- orientieren, obwohl dies für den ländlichen gerichtet werden. Zwischen Feld 1 und Feld 3 Hochwasserschutz und für die Bewirtschafung wird eine begrünte Mulde angelegt. Dass sich gleichermaßen günstig wäre. Eine Erosions- die Abfusslinie schlängelt, bedeutet nicht, rinne läuf quer durch das Maisfeld mit wenig dass sich die begrünte Mulde auch schlängeln Bedeckung, und das dunkelgrüne Winter- muss. Im Gegenteil, sie sollte breit ausgeführt weizenfeld am unteren Bildrand konnte dem werden, schon um dort Wendemanöver bei konzentrierten Zufuss nicht standhalten. In der Flächenbewirtschafung praktizieren zu dem Beispiel wurde durch die Veränderung können. der Flächenparzellierung (rechtes Bild) Feld Erwähnenswert ist, dass es sich bei GWWs 1 nicht kleiner als das bisherige Maisfeld. eigentlich um sehr altes, sehr lange praktiziertes Die Bearbeitung liegt aber nun parallel zur Wissen handelt. Erst im Zuge der Anpassung Straße. Ein Vorgewende entlang der begrünten der Landschaf an die Technik ging es verloren Mulde ist nicht notwendig und darf nicht (dabei hätte man von einer fortschrittlichen gemacht werden, sondern man wendet in Technik eigentlich erwarten können, dass sich der begrünten Mulde. Die Bewirtschafung die Technik an die Landschaf anpasst). Dieses (gedacht in Richtung der längeren Seite) wird alte Wissen ist durch historische Karten, z. B. dadurch einfacher und Verdichtungsschäden durch die Reichsbodenschätzung, anschaulich werden durch den Wegfall des Vorgewendes dokumentiert. Ausschnitte aus dem Tertiär- vermieden. Zusätzlich liegt die Bearbeitung hügelland in Bayern von 1958 belegen, dass nun fast quer zum Hang mit einem leichten damals noch nahezu alle Tiefenlinien als Gefälle zur begrünten Mulde. So ist die Dauergrünland genutzt wurden. Zu dieser Zeit Erosionsschutzwirkung am größten. Das Feld verliefen zahlreiche, Ost-/West-orientierte, 3 ist deutlich größer als das bisherige Winter- grüne Bänder entlang der Niederungen und weizenfeld und hat nun perfekt parallele Tiefenlinien der Landschaf (. Abb. 6.10). Seiten, was die Bewirtschafung erleichtert. Durch Meliorationsmaßnahmen sind heute Zusätzlich liegt auch hier die Bearbeitung jetzt die meisten dieser Grünlandstandorte ver- quer zum Hang und nicht mehr in Gefälle- schwunden, die früher den Wasser- und Stof- richtung und schützt zusätzlich. Das ist immer rückhalt in der Landschaf gefördert hatten 129 6 6.4 · Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur

. Abb. 6.10 Ausschnitt der Bodenschätzungsübersichtskarte nördlich von Zolling im Tertiärhügelland von 1958 (Blatt 7536, Freising Nord) mit Darstellung von Grünland (Grüntöne), Acker (Braun-, Rot- und Orangetöne) und Wald (weiße Flächen). Historische Bodenschätzungsübersichtskarten können vielfach kostenfrei bezogen werden und gleichzeitig wichtige Korridore für Tier- Das bedeutet, dass eine ackerbauliche Nutzung und Pfanzenarten und damit für die biotische feuchter Niederungen und Tiefenlinien als öko- Diversität bedeutsam waren [35]. Diese Ver- nomisch nicht sinnvoll erachtet wurde. Erst änderung der Landschafsstruktur und ihr Ein- durch die Melioration dieser Standorte hat sich fuss auf das Abfussgeschehen wird anhand daran etwas geändert, ohne dass aber dadurch eines Beispiels aus dem Tertiärhügelland in die Wertzahlen, die die Wirtschaflichkeit 7 Abschn. 6.5.2 anschaulich illustriert. Ähnliches quantifzieren, angestiegen wären. ist auch aus Sachsen beschrieben [25] und kann vielerorts leicht aus dem Vergleich historischer und aktueller Lufbilder, topographischer 6.4 Kleinstrückhaltebecken in der Karten und insbesondere aus der Gegenüber- landwirtschaftlichen Flur stellung historischer Bodenschätzungskarten mit der aktuellen Nutzung nachvollzogen Da Hochwasserschäden vor allem durch den werden. Diese Entwicklung ist auch insofern Hochwasserscheitel entstehen, die meiste Zeit bemerkenswert, da die Bodenschätzungskarten die Abfussrate aber niedriger ist, liegt es nahe, aus einer Bewertung der Ertragsfähigkeit der den Scheitelabfuss zwischenzuspeichern und landwirtschaflichen Grundstücke hervorgehen. 130 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Tab. 6.5 Beispiele für einfache, mit landwirtschaftlichen Geräten in Hangmulden geschaffene Rück- haltebecken [49]. Der Jahresabfuss ist die im langjährigen Mittel durch das jeweilige Becken gefossene Wassermenge

Einzugsgebietseigenschaften Eigenschaften der Rückhaltebecken

Becken Größe Mittlerer Mittlere Max. Max. Volumen pro Durchmesser bezeichnung Jahres Hang Wasser Volumen Einzugs der abfuss neigung höhe gebietsfäche Lochblende

1 3 ha mm a− % m m mm m A 1,6 43 7 1,2 423 26 0,025 B 3,6 62 7 1,2 486 14 0,040 C 4,0 25 9 1,4 335 8 0,040 6 D 7,8 6 9 1,1 221 3 0,040

erst im abklingenden Ast der Welle wieder zugsgebiet klein (einige Hektar), sodass nur abzugeben. Dies ist mit Retentions- oder Rück- kleine Volumina erforderlich sind, können haltebecken möglich. Kleine Retentionsbecken Rückhaltebecken auch innerhalb von Acker- (Volumina von einigen hundert bis tausend und Grünlandfächen angelegt werden, da Kubikmetern) lassen sich of mit einfachen landwirtschafliche Kulturen, bei richtiger Mitteln und geringen Kosten in die landwirt- Dimensionierung der Drossel, einen kurz- schaflich genutzte Flur integrieren. Für größere zeitigen Überstau tolerieren (einzig bei Rückhaltebecken ist dagegen ein vergleichs- Kartofeln ist nach mehr als zwei bis drei weise hoher planerischer und konstruktiver Tagen Überstau mit Schäden zu rechnen). Aufwand erforderlich [36]. Werden hin- Solche kleinen, in der landwirtschaflichen reichend viele dieser kleinen Becken installiert Flur angelegten Becken bieten dadurch die und über das Einzugsgebiet verteilt, können Vorteile, dass sie kaum zusätzliche Fläche sie einen deutlichen Beitrag zum Wasser- und benötigen und meist mit einfachen Mitteln Stofrückhalt leisten und Hochwasserschäden angelegt und unterhalten werden können. Für mindern – entlang der Entwässerungswege, die in . Tab. 6.5 zusammengestellten Becken aber auch im kompletten Einzugsgebiet. trat ein Einstau im Mittel fünfmal pro Jahr auf Für die Funktion ist wichtig, dass sich und dauerte im Schnitt 1,5 Tage. Der längste Becken nicht schon im ansteigenden Ast der Überstau dauerte 5 Tage und trat im Mittel Hochwasserwelle vollständig füllen, weil sonst nur einmal in 12 Jahren auf. Am längsten der Scheitelabfuss ungehindert durchfießen dauert der Überstau auch nur im tiefsten würde. Ungesteuerte Becken werden daher Teil und betrif daher immer nur eine kleine meist mit einem gedrosselten Auslauf ver- Fläche des Beckens, deren Gesamtfäche bei sehen, sodass kleinere Abfüsse einfach den in . Tab. 6.5 zusammengestellten Fällen durchlaufen und das Speicherbecken frei und nur 100 m2 oder weniger betragen hatte. funktionsfähig bleibt. Bei größeren Regen Im Folgenden wird ein Überblick gegeben, wird dagegen ein Teil zurückgehalten und ver- wie solche Becken angelegt werden können, zögert durch die Drossel wieder abgegeben. wie die Dimensionierung der Drossel sein Solche gedrosselten Ausläufe wurden bereits sollte und welche Efekte zu erwarten sind. in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts in Hinsichtlich der Details der Ausgestaltung sei den USA eingesetzt [37]. Ist die Zwischen- auf eine Vielzahl von technischen Anleitungen speicherung kurz (wenige Tage) und das Ein- [38–40] und die hydraulische wie wasserbau- 131 6 6.4 · Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur liche Grundlagenliteratur verwiesen [z. B. 42, 43, damit der Teil, der regelmäßig überstaut 44]. Die DIN 19700 [41], die für Planung, Bau, wird, keine zu große Fläche und kein zu Betrieb und Überwachung von Stauanlagen gilt, großes Volumen einnimmt. Die Erhöhung betrachtet Retentionsräume, die infolge von Ver- des Weges hat für dessen Benutzung gleich- kehrsdämmen oder ähnlichen Aufschüttungen zeitig den Vorteil, dass der Weg über den oder Abgrabungen entstanden sind, ebenso feuchtesten Teil der Mulde hinausragt, wie Regenrückhaltebecken nicht als Hoch- trocken bleibt und dass die Steigungen des wasserrückhaltebecken im engeren Sinne. Um Weges geringer werden. Den schematischen solche kleinen Becken geht es aber hier. In der Aufau zeigt . Abb. 6.11, ein reales Becken englischsprachigen Literatur werden diese nur ist in . Abb. 6.12(c) dargestellt. Wie groß das kurzzeitig gefüllten Becken „detention ponds“ Becken wird, richtet sich nach den lokalen oder „dry ponds“ genannt, während „retention Gegebenheiten. Billiger, besser beherrschbar ponds“ oder „wet ponds“ dauerhaf Wasser ent- und efzienter ist es meist, kleine, aber viele halten und meist so konzipiert sind, dass sie statt wenige große Becken zu schafen. Ins- auch dem Stofrückhalt und -abbau dienen. besondere kaskadenförmig hintereinander geschaltete kleine Becken können vor- z Anlage teilhaf sein, weil dann der Abfuss mehr- Kleine Retentionsbecken bieten sich über- fach gedämpf wird. Auch werden dann die all dort an, wo lineare Strukturen quer durch unteren Becken besser genutzt, da selten Hangmulden geführt werden. Im Folgenden alle Flächen gleichzeitig liefern, aber bei wird von Feldwegen ausgegangen, aber es mehreren Lieferfächen die Wahrschein- könnten genauso gut Feldraine oder Hecken lichkeit steigt, dass eine liefert. Die ober- sein. Durch Erhöhung des Weges an der halb liegenden Becken stellen sicher, dass tiefsten Stelle – dazu genügen of schon die das unterste Becken nicht überlastet wird. in der Landwirtschaf vorhandenen Geräte – Dadurch kann bei allen Becken die gleiche wird oberhalb des Weges ein Becken preisgünstige Bauweise verwendet werden. geschafen. Die Böschung sollte nicht steiler Durch den Damm muss ein Ableitungs- als 1:3 (vertikal:horizontal) sein, aber im rohr geführt werden. Am Einlauf in unteren Teil auch nicht wesentlich facher, dieses Rohr wird eine Drossel in Form

. Abb. 6.11 Schematischer Querschnitt (ca. 3-fach überhöht) durch ein Kleinstrückhaltebecken. Ein perforiertes Standrohr stellt sicher, dass der Zufuss zum Ableitungsrohr nicht verstopfen kann. Eine tauschbare Drosselblende am Übergang vom Standrohr zum Ableitungsrohr erlaubt eine vollständige Entleerung des Beckens, führt aber bei hohen Zufussraten zu einem Anstau im Becken; ein zweites, nicht gedrosseltes, nur oben offenes Überlaufrohr stellt sicher, dass der Damm nicht überfossen wird und ein ausreichender Freibord erhalten bleibt 132 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.12 (a) Ableitungsrohr (schwarz) und abnehmbares Einlassrohr (orange); am Übergang von Ein- 6 lass- zum Ableitungsrohr sitzt die wechselbare Drossel. (b) Verschiedene Konfgurationen von verlängerbaren Einlassrohren. (c) Gefülltes Becken (Becken B in . Tab. 6.5), bei dem in der Mitte das obere Ende des Einlass- rohres gerade noch aus dem Wasser ragt. Das Becken wurde durch Erhöhung eines Feldrains geschaffen. Dieses spezielle Becken war bereits wenige Jahre nach Anlage stark verlandet. Das ursprüngliche Beckenvolumen musste im Herbst des Aufnahmejahrs durch Ausbaggern wiederhergestellt werden. (Fotos: Stephan Weigand)

einer Verengung eingebaut (im Normal- Methoden in 7 Kap. 3 ermittelt werden. fall eine Lochblende). Es ist zu verhindern, Dann kann mit der GMS-Gleichung dass diese Drossel z. B. durch Stroh ver- (7 Gl. 5.5) der Rohrquerschnitt ermittelt stopf. Deshalb muss der Einlass Stroh werden, bei dem das Rohr nicht vollständig zurückhalten, darf aber selbst nicht ver- gefüllt wird. Eine technisch einfache Lösung stopfen. In den USA sind seit vielen Jahr- zur Konstruktion des Notüberlaufs ist die zehnten entsprechende, senkrecht stehende, Installation eines zweiten, nicht gedrosselten bei Bewirtschafungsmaßnahmen (z. B. Einlaufrohrs, dessen Einlauf ausreichend Pfanzenschutzmittelausbringung) einfach weit unter der Dammkrone liegt (ca. 30 cm; entfernbare Einlassrohre mit runden oder „Freibord“) (vgl. . Abb. 6.11). Da das Aus- schlitzförmigen Öfnungen kommerziell lassrohr viel mehr Wasser ableiten kann, als verfügbar (. Abb. 6.12) (z. B. 7 www. die Drossel durchlässt, wird in dem Fall der hickenbottominc.com, 7 www.agridrain.com). Abfuss ungebremst weitergeleitet. Sobald Auch wenn Einlassrohr und Drossel nicht der Zufuss soweit zurückgegangen ist, dass verstopfen, kann bei besonders großen Ereig- der Wasserspiegel unter dem Noteinlass nissen der Fall eintreten, dass das Becken liegt, ist die normale Funktion des Beckens überzulaufen droht. Dies ist unbedingt wiederhergestellt. Alternativ kann auch ein zu verhindern, da es dann zu einer rück- befestigter Überlauf über die Dammkrone schreitenden Erosion des Dammes käme, konstruiert werden. der brechen und den gespeicherten Abfuss Der kritische Punkt solcher Retentions- in einem Schwall entlassen könnte. Damit becken kommt nach dem Auslassrohr, da dies nicht geschieht, sollte ein Notüber- durch dieses der Abfuss konzentriert wird. lauf installiert werden und selbiger, ebenso In Folge kommt es leicht zu einem Ein- wie das Rohr, das durch den Damm führt, schneiden des Abfusses auf unterhalb so dimensioniert werden, dass darüber ein gelegenen Ackerfächen. Um dies zu ver- seltener Abfuss in jedem Fall abgeleitet hindern, bieten sich zwei Lösungen an: werden kann. Der zu erwartende Scheitel- 1. Ideal ist, den Abfuss in einer begrünten abfuss einer Zufusswelle kann mit den Abfussmulde weiterzuführen, die in 133 6 6.4 · Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur

einer Hangmulde sowieso vorhanden wenn das Speichervolumen im Ver- sein sollte (vgl. 7 Abschn. 6.3). Durch die gleich zur Lieferfäche groß ist. Wird der permanente Begrünung reicht normaler- Abfuss in eine Sickerfäche geleitet, ist weise der Schutz aus, um den Abfuss davon auszugehen, dass diese aufgrund gefahrlos abzuleiten (ggf. ist der Bereich der im Abfuss transportierten Feststofe am Auslaufrohr zusätzlich zu sichern, regelmäßig geräumt werden muss. z. B. mit Gabionen). Innerhalb der begrünten Mulde können meist noch z Dimensionierung an mehreren weiteren Stellen Dämme Die Dimensionierung kann sich prinzipiell geschafen und so eine Speicherkaskade nach der Befüllung oder nach der Entleerung angelegt werden. Diese Dämme ver- des Speichers richten. Wenn die Befüllung hindern dann auch, dass die begrünte maßgebend ist, wird das Beckenvolumen Abfussmulde zu einem in Gefällerichtung mithilfe von Modellregen so ermittelt, dass befahrenen Weg umfunktioniert wird und ein bestimmter Spitzenabfuss gerade noch ihre eigentliche Funktion einbüßte. gedämpf wird, ohne dass das Becken über- 2. Der Abfuss könnte auch durch ein läuf. Dies ist das übliche im technischen unterhalb des Bearbeitungshorizontes Hochwasserschutz bei größeren Becken verlegtes Rohr bis zum Vorfuter oder praktizierte Vorgehen. Es soll sicherzu- besser in eine große Sickerfäche geführt stellen, dass ein festgelegter (Regel-)Abfuss werden. Am gleichen Rohr können unterhalb eines Rückhaltebeckens nicht mehrere in der gleichen Hangmulde überschritten wird. Für die Berechnung untereinander angeordnete Becken muss der Abfussgang des Modellregens angeschlossen werden, um es efzient zu erzeugt und dann der Verlauf der Speicher- nutzen. Diese Lösung ist aber eindeutig füllung bei gleichzeitigem Ausfuss, meist nur zweite Wahl, da der Abfuss im Rohr für verschiedene Drosselöfnungen, ermittelt sehr schnell erfolgt und dadurch der werden. Schon die genaue Wahl des Modell- Abfussscheitel steigt. Der Abfuss erfolgt regens ist relativ problematisch und of schnell, weil das Rohr ein großes Gefälle müssen viele verschiedene Varianten ver- aufweist, da es parallel zur Bodenober- glichen werden [46]. Einfacher und für fäche mit derselben Neigung wie die kleine Becken im ländlichen Raum in der unterhalb folgenden Felder verlegt wird, Regel hinreichend ist es, die Entleerung des weil das Wasser darin in großer Schicht- Speichers am verfügbaren Beckenvolumen dicke fießt und weil der Rauheitsbeiwert auszurichten. Ist ein potenzieller Becken- konventioneller Rohre sehr hoch ist. standort identifziert, kann das Volumen Der Rauheitsbeiwert von Plastikrohren eines Speicherbeckens durch Computer- 1/3 1 kann Werte von 90 m s− und mehr programme heutzutage leicht und hin- erreichen und liegt damit weit über den reichend genau aus einem (hochaufösenden) Werten natürlicher Oberfächen (vgl. digitalen Geländemodell und der geplanten 7 Abschn. 6.6). Innen gerifelte Rohre Höhe der Dammkrone (abzüglich des Frei- sind daher empfehlenswert. Sie senken bords) abgeleitet werden. Je facher das den Rauheitsbeiwert aber auch nur auf Gelände oberhalb des Damms ist, umso ca. die Hälfe und beseitigen nicht das mehr Wasser lässt sich mit moderaten Problem der großen Schichtdicke. Die Dammhöhen zwischen 1 und 1,5 m stauen. scheitelmindernde Wirkung des Beckens Geht man davon aus, dass die landwirt- muss daher wesentlich größer sein als die schafliche Kultur im Bereich des Speicher- beschleunigende Wirkung des Rohres. beckens nur zwei Tage überstaut werden soll, Dies ist eigentlich nur dann erreichbar, muss sich das volle Becken innerhalb von 134 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

zwei Tagen vollständig entleeren, sofern kein Pfanzenschutzmitteln besser wird [50]. Für Zufuss mehr erfolgt. Um die Drosselöfnung die Hochwasserminderung steht dagegen entsprechend zu dimensionieren, genügt eine das Beherrschen der großen Ereignisse im einfache Gleichung [47, 48], da der Abfuss Vordergrund [51]. Welcher dieser Varianten im Ableitungsrohr frei abfießen kann und der Vorzug zu geben ist, kann daher nur nicht zurückstaut. Der Index „o“ steht dabei im Einzelfall unter Berücksichtigung der für „orifce“ (Blende): Gesamtsituation entschieden werden. Kommerziell verfügbare Systeme verfügen qo = Co · Ao · 2 gh0 (6.2) normalerweise über wechselbare Drossel- blenden. Dadurch kann, wenn Erfahrung mit wobei einem Becken gesammelt worden ist, einfach 3 1 qo - Durchfuss durch eine Lochblende (m s− ) nachjustiert und die Drosselung verstärkt Co - Durchfusskoeffzient; bei kreisförmigen Blenden oder gemindert werden. mit einem Lochdurchmesser <5 mm ist C 0,60, bei 6 o In der landwirtschaflich genutzten Flur größerem Durchmesser 0,62 lässt sich of ein Verhältnis von Becken- A - Fläche der Blendenöffnung (m2) o volumen zu Einzugsgebietsfäche (spezi- 2 g - Erdbeschleunigung (9,81 m s− ) fsches Rückhaltevolumen) von über 10 mm h - Höhe der Wassersäule über der Blendenöffnung o erzielen (Becken A und B in . Tab. 6.5), (m); um eine mittlere Durchfussrate zu schätzen, kann als Höhe der Wassersäule ein Drittel der maximalen womit auch bei Flächen, die aufgrund der Stauhöhe angenommen werden Bodenverhältnisse und der Nutzung stark zu Oberfächenabfuss neigen (Einzugsgebiete Wird eine kurze Entleerungszeit (z. B. ein A und B), bereits eine deutliche Hoch- Tag) angenommen, sinkt die Puferwirkung wasserminderung erreicht werden kann. Bei des Beckens. Das Becken wird bei vielen geringerer Neigung zu Oberfächenabfuss (kleinen) Abfüssen nahezu funktions- (Becken D in . Tab. 6.5) reicht auch ein los, weil die Blendenöfnung reicht, um den geringeres spezifsches Rückhaltevolumen. Zufuss durchzulassen. Allerdings werden von so einem Becken sehr hohe, selten auf- z Wirkungen tretende Abfussspitzen noch abgemildert, Die Fläche eines Beckens ist normalerweise weil es selten ganz gefüllt ist. Wird eine winzig im Vergleich zur Lieferfäche. Eine Ver- wesentlich längere Entleerungszeit angestrebt minderung des Abfussvolumens durch Ver- (z. B. vier Tage), pufert das Becken auch sickerung kann man daher vernachlässigen. kleinere Abfüsse und wird daher sehr viel Auch die Verdunstung innerhalb der kurzen häufger wirksam sein. Allerdings wird es Einstauphase ist meist vernachlässigbar. bei seltenen, großen Abfussraten bereits Die hochwassermindernde Wirkung ergibt weitgehend gefüllt sein, sodass gerade diese sich daher praktisch ausschließlich aus der Raten ungepufert über den Notüberlauf Puferung zwischen Zufuss und Abfuss. weitergeleitet werden. Wenn der Fokus mehr Ein Beispiel von Becken B in . Tab. 6.5 auf der Verbesserung der Gewässerqualität zeigt . Abb. 6.13 oben. Der Spitzenabfuss liegt, ist es meist besser, viele kleine Ereig- wurde durch das Becken um 70 % reduziert. nisse zu pufern und wenige große über Außerdem wurde der Spitzenabfuss um ca. den Notüberlauf abzuleiten. Of werden sechs Stunden nach hinten verschoben. Die dann die Becken sogar so konzipiert, dass Verzögerung des Ausfussscheitels gegen- Sedimentation partikulärer Stofe unter- über dem Scheitel des Zufusses wird dabei stützt wird und dass möglichst ganzjährig umso größer, je stärker die Dämpfung ist Wasser im Becken ist, weil dann der Rück- und je länger der Regen andauert [52]. Der halt von Nährstofen und der Abbau von Scheitel des Ausfusses tritt daher erst auf, 135 6 6.4 · Kleinstrückhaltebecken in der landwirtschaftlichen Flur wenn auf anderen Flächen in ähnlicher zurückgeht. Für den in . Abb. 6.13 dargestellten Position, die nicht durch ein Becken gepufert Fall wäre also zu erwarten, dass der Scheitel sind, längst kein Oberfächenabfuss mehr statt um 70 nur um 7 % reduziert würde, wenn aufritt, was die Gebietsentwässerung ent- nur die 4 ha in einem insgesamt 40 ha großen zerrt. Das weitere Entwässerungssystem gleichzeitig abfussliefernden Gesamtgebiet unterhalb eines Beckens wird daher in zwei- durch das Becken erfasst würden. Das spezi- facher Weise entlastet. Da dort die Abfuss- fsche Rückhaltevolumen für das Gesamtgebiet rate geringer wird, verringert sich auch wären dann auch nur 1,4 mm, während das entlang der gesamten weiteren Fließstrecke spezifsche Rückhaltevolumen der geschützten des Wassers die Fließgeschwindigkeit, sodass 4-ha-Fläche 14 mm beträgt. Es benötigt daher die Beckenwirkung noch weiter verstärkt viele solcher Becken, umso mehr, je größer wird. Allerdings erfasst das in . Abb. 6.14 dar- das betrachtete Fließgewässer ist, um einen gestellte Becken nur knapp 4 ha. Trotz seiner deutlichen Efekt zu erzeugen. Dadurch wird großen Wirkung am Beckenauslass ist der dann allerdings, im Gegensatz zu einzelnen Efekt im nächsten Fließgewässer vermut- großen Rückhaltebecken, nicht nur ein Ort lich kaum mehr nachweisbar. Modellierungen am Fließgewässer, sondern das gesamte Ein- zeigen, dass die Gesamtwirkung in etwa linear zugsgebiet geschützt. Dies bestätigen auch mit dem Flächenanteil der geschützten Fläche Untersuchungen aus 8 und 17 km2 großen Ein- zugsgebieten, wo Rückhaltebecken eine erkenn- bare Wirkung auf große Hochwasserabfüsse 20 0 Regen (mm h hatten, sobald ihr spezifsches Rückhalte- Regen:43 mm 2 volumen 3 mm überstieg [36].

) 15 Ab uss: 27 mm -1 4 Der Vergleich verschiedener Becken beim gleichen Regen (. Abb. 6.13 unten) zeigt, wie -1

10 ) unterschiedlich die Reaktion der Einzugs- gebiete ist, je nach Bedeckung der Flächen. 5 Becken A und D wurden kaum gefüllt, Abussrate (Ls weil deren Lieferfächen zum Zeitpunkt Ober ächenab uss Zwischenab uss des Regens durch einen voll entwickelten Beckenaus uss Weizenbestand gut bedeckt waren. Becken B und C wurden dagegen wesentlich stärker in 80 B Anspruch genommen, weil der Mais in ihren 60 C Liefergebieten noch wenig entwickelt war. In allen Fällen stieg die Beckenfüllung aber nie 40 A über 80 % des Beckenvolumens. Auch deutlich größere Abfussspitzen hätten also noch 20 D beherrscht werden können, ohne dass der

Relative Beckenfüllung (%) 0 Notüberlauf angesprungen wäre. 01. 02. 03. 04.05. Juni Die praktische Umsetzung solcher Konzepte sind für Deutschlands nur sehr . Abb. 6.13 Oben: Gemessene Zufussraten in ein kleines Speicherbecken (Becken B in . Tab. 6.5) und spärlich in der Literatur dokumentiert. Ein gemessene Ausfussraten aus dem Speicherbecken. Fall ist aus der im Landkreis Pfafenhofen In diesem Fall lieferte das Einzugsgebiet zusätzlich a. d. Ilm durch eine Diplomarbeit bekannt zum Oberfächenabfuss noch über mehrere Tage [53]: Auf einer knapp 17 km2 großen Fläche Zwischenabfuss. Dadurch dauerte es vier Tage, in der Hallertau, dem größten Hopfenanbau- bis das Becken wieder vollständig entleert war. Unten: Relativer Füllungsgrad der vier in . Tab. 6.5 gebiet Deutschlands (Nutzfächenneigungen charakterisierten Becken beim gleichen Regen zwischen 7 und 14 %), wurden zum Rückhalt 136 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann )

-1 Laufe des Ereignisses rasch nach. Da im Becken 40 Zufluss- konzentration früher Abfuss mit hoher Konzentration zurückgehalten und mit späterem Zufuss mit 30 geringerer Konzentration vermischt wird, werden die Spitzenkonzentrationen vermieden, 20 auch wenn sich die Gesamtmenge des Wirk- stofabtrags dadurch nicht ändert (. Abb. 6.14). Ausfluss- 10 konzentration Die Fließgeschwindigkeit des Ober- fächenabfusses wird innerhalb des Beckens 0

Wirkstoffkonzentration (µg L wegen der großen Einstauhöhe praktisch 02. 03. 04. 05. Juni null. Dadurch sinkt die Transportkapazi- . Abb. 6.14 Das leicht lösliche Herbizid Terbutyalzin tät und ein Großteil des Erosionsmaterials wurde durch den infltrierenden Regen bereits am wird im Becken abgelagert [37, 49]. In der 6 Anfang des Regenereignisses in den Boden ein- Gesamtwirkung beträgt der Sedimentrück- gewaschen. Daher wurde die Spitzenkonzentration halt etwa 70 % (mit weiter Spanne), da nur im zufießenden Abfuss erst am zweiten Tag erreicht, bei Beckenfüllung ein Rückhalt zu erwarten als kein Oberfächenabfuss mehr den exfltrierenden Zwischenabfuss verdünnte. Im Ausfuss aus dem ist. Bei kleinen Ereignissen und am Anfang Retentionsbecken war durch die Durchmischung die großer Ereignisse ist dagegen der Rückhalt Konzentration immer im mittleren Bereich und die gering, weil in beiden Fällen kaum Einstau doppelt so hohen Spitzenkonzentrationen wurden aufritt. vermieden. Die Daten und Ergebnisse stammen von Durch den Sedimentrückhalt verringern dem gleichen Ereignis, das schon in . Abb. 6.13 dargestellt wurde sich das Speichervolumen und die Pufer- wirkung. Die Puferwirkung geht dabei noch wesentlich schneller zurück als das Speicher- von Oberfächenabfuss aus einer Vielzahl volumen, weil die Drossel an der ursprüng- von Geländemulden, Senken, Tallinien, lichen Stelle bleibt und damit unterhalb des aber auch durch Wege und Straßen ins- durch Sedimentschichten angehobenen gesamt etwa 130 kleine Erdbecken mit einem Beckenbodens liegt. Selbst wenn das Becken 3 mittleren Volumen von 250 m angelegt noch gar nicht gefüllt ist, entspricht die Höhe (Gesamtvolumen 30.000 m3). Dies ent- ≈ der Wassersäule über der Blendenöfnung spricht einem Becken je 13 ha und zeigt bereits beim ersten Zulauf schon der Sedi- das große Potenzial für die Anlage solcher menthöhe. Entsprechend 7 Gl. 6.2 ist damit Becken. Berechnungen ergaben, dass durch der Wasserdurchfuss durch die Drossel von die Summe der Rückhaltebecken ein Schutz Anfang an hoch. Bei einem Bodenabtrag vor etwa 20-jährlichen Sommerhochwasser- 1 1 von 10 t ha− a− , was als typischer Wert bei ereignissen in den Unterliegergemeinden konventionellem Anbau angesehen werden geschafen werden konnte. Ein ähnlicher kann, würden bei einem Einzugsgebiet von Fall ist bereits aus den 1980er-Jahren für 2 ha und einem Rückhalt von 50 % ca. 10 m3 das Flurbereinigungsgebiet Freinhausen Speichervolumen pro Jahr verloren gehen. dokumentiert, allerdings ohne die Wirkung Bei den in . Tab. 6.5 dargestellten Becken durch Modellierung abzuschätzen [54]. wäre also nach 10 Jahren ein Viertel bis die Neben der Dämpfung des Abfussscheitels Hälfe des Speichervolumens mit Sediment wird auch die Konzentration von Nähr- belegt. Als Alternative zu einem fächigen stofen und Agrochemikalien, insbesondere Erosionsschutz kommen Retentionsbecken von Pfanzenschutzmitteln, gedämpf. Deren daher im Normalfall nicht in Frage. Der Konzentration ist meist am Anfang des Bau von Retentionsbecken macht dagegen Abfussereignisses groß, lässt dann aber im vor allem dann Sinn, wenn auf der Fläche 137 6 6.5 · Flurgliederung und Flächenarrangement ein sehr guter Erosionsschutz praktiziert Im zweiten Fall wird durch den Vergleich wird oder man Unterhaltskosten für das unterschiedlicher Flurneuordnungsvarianten regelmäßige Ausbaggern des Sediments in gezeigt, dass auch bei einer zeitgemäßen Kauf nimmt. Auch mit gutem Erosionsschutz Optimierung der Flächenparzellierung, die ist damit zu rechnen, dass Sediment von für den Wasser- und Stofrückhalt wesent- Zeit zu Zeit entfernt werden muss, um das lichen Strukturen ohne Nachteile für die volle Speichervolumen und die volle Pufer- Bewirtschafung berücksichtigt werden wirkung wiederherzustellen. Besonders können. vorteilhaf sind Retentionsbecken daher in Grünlandgebieten, in denen das Problem der Sedimentation kaum aufritt. Gerade in 6.5.1 Konzentrationszeit Grünlandgebieten können solche Becken und Flächenbedarf wertvoll sein, da dort weniger Möglich- abfussmindernder keiten als im Ackerbau bestehen, Infltration Fließpfade und Gebietsrückhalt zu fördern und die Fließgeschwindigkeit zu senken. Um den Efekt des Arrangements von Flur- stücken auf den Wasser- und Stofrück- halt bei Starkregen zu illustrieren, wurden 6.5 Flurgliederung und schematisch für eine 15 ha große, land- Flächenarrangement wirtschafliche Fläche (einheitliche Längs- neigung 10 % bzw. Querneigung 2 %) Strukturen und Hindernisse verlängern unterschiedliche Feldzuschnitte entworfen. Fließpfade in der Fläche, vermindern ihr Sie unterscheiden sich im Wesentlichen in Gefälle und verzögern die Bündelung des der Bewirtschafungsrichtung, in der Art Abfusses. Dies reduziert die Geschwindig- und Weise, wie die Schläge voneinander keit des Oberfächenabfusses. Gleichzeitig abgetrennt sind, sowie in den konstruierten entscheidet die Flächenparzellierung ofmals und den sich bei Regen natürlicherweise aus- über die Bewirtschafungsrichtung und damit bildenden Fließpfaden (. Abb. 6.15). Das dar- über den Verlauf und die hydraulischen gestellte Beispiel und seine Modifkationen Eigenschafen der Fließpfade zwischen sind sehr schematisch. Dies soll den Rechen- Wasserscheide und Gewässer. Um den Ein- weg nachvollziehbar machen, den Einfuss fuss der Flurgliederung auf die Abfuss- der verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten konzentration zu quantifzieren, werden im quantifzieren und das Potenzial einer mög- Folgenden mehrere Beispiele betrachtet. lichen Abfussverzögerung aufzeigen. Die Zunächst erfolgt eine theoretische Analyse, nachfolgend dargestellten Prinzipien und bei der die Fließzeiten unterschiedlicher Möglichkeiten sollen helfen, an die reale Flächenparzellierungen, der erforderliche Landschaf angepasste Lösungen zu fnden. Bedarf für wasserableitende Strukturen Die Fließzeiten entlang des längsten, hin- und der resultierende Retentionsspeicher sichtlich der Nutzung typischen Fließweges der einzelnen Varianten verglichen werden. von der Wasserscheide (Punkt X oben Im Anschluss folgen zwei Praxisbeispiele. links) bis zum Gebietsauslass (unten rechts) Zunächst wird das aktuelle, in einem Unter- wurden mithilfe der GMS-Gleichung (s. suchungsgebiet vorhandene Netz aus 7 Abschn. 5.3.4) für einen starken Nieder- Fließpfaden zwischen Wasserscheide und schlag, bei dem 30 mm in 30 min abfießen, Gewässernetz mit einer historischen, deut- abgeschätzt und verglichen. Zur zusätzlichen lich feingliedrigeren Flächenparzellierung des Bewertung der verschiedenen Arrange- Gebietes vor der Flurbereinigung verglichen. ments werden der Bodenabtrag durch 138 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.15 Vier Varianten der Gliederung einer 15 ha großen Fläche in drei Schläge. Die Breite der Felder wurde auf das Mehrfache einer typischen Maschinenarbeitsbreite von 15 m festgelegt (Ausnahme d). Die obere Flächengrenze entspricht der Wasserscheide. Die Bewirtschaftungsrichtung erfolgt entlang der längeren Seite. Das zu erwartende Fließpfadmuster ist durch blaue Linien schematisch dargestellt, der längste Fließweg vom Punkt X an der Wasserscheide bis zum Gebietsauslass ist mit roten Pfeilen markiert, wobei die einzelnen Abschnitte durch die Großbuchstaben A bis G bezeichnet wurden. Gräben, begrünte Abfussmulden und Wege sind als grüne, grün-schrafferte bzw. graue Linien dargestellt. Die Zufahrten in die Felder sind durch Pfeile gekennzeichnet. Schwarz gestrichelte Linien markieren den Bereich, wo sich der Abfusstyp ändert, also z. B. der Schichtabfuss sich in Rillen und Rinnen bündelt

Erosion nach der Allgemeinen Bodenabtrags- Feldlayout ab. Dieser Retentionsspeicher gleichung [55], sowie der mit der Struktur- versickert zum Teil nach dem Regen anreicherung einhergehende Flächenverlust („Nachregen-Infltration“) und erhöht so die bestimmt. Darüber hinaus wird das Volumen Infltration; zum größeren Teil fießt dieser des Wassers ermittelt, dass auf der Fläche, in Retentionsspeicher nach Regenende lang- den Rillen, Rinnen und den Gräben fießt. sam ab. Er verursacht den typischen und Dies ist näherungsweise der oberfächliche unproblematischen, lang abfallenden Ast Retentionsspeicher und hängt ebenfalls vom einer Abfusswelle. Je größer die Retention, 139 6 6.5 · Flurgliederung und Flächenarrangement umso langsamer fießt das Wasser, umso mehr wegen der quer zum Hauptgefälle liegenden infltriert noch nach dem Regen und umso Bearbeitungsrauheit etwas verlängert und größer und länger ist auch der abfallende Ast das (verhältnismäßig schnelle) Fließen in der Abfusswelle, was bedeutet, dass dieses der Hangmulde bei dieser Feldaufeilung Wasser nicht zum Abfussscheitel beiträgt. entfällt, weil der Abfuss die Schlaggrenze Es wird angenommen, dass die erreicht, bevor er sich bündeln kann. Daraus konstruierten Fließwege an beliebiger Stelle erwächst ein großes Potenzial zum Bremsen und in beliebiger Form angelegt werden des Abfusses. Ob dieser Efekt in der Praxis können (also unabhängig von Eigentumsver- genutzt werden kann, hängt im Wesentlichen hältnissen oder anderen Einfüssen sind) und von der Feldbreite ab bzw. von den Distanzen, nur physikalische Gesetzmäßigkeiten berück- nach denen sich Schichtabfuss (Fließabschnitt sichtigt werden müssen. Darüber hinaus wird A) in Rinnen und Rillen bzw. Letztere in Hang- davon ausgegangen, dass die entstehenden mulden bündeln, welche stark von der Rauheit Fließpfade des Oberfächenabfusses von der Oberfäche bestimmt werden (s. 7 Anhang der Flurgliederung abhängen. Bei langen, in 8.2). Zudem ist die konstruktive Gestaltung Hauptgefälle ausgerichteten Schlägen (Variante der Fließwege wichtig. Strukturen wie Ranken, 1 (a) und 2 (b) in . Abb. 6.15) ist zu erwarten, Mulden, fache Wälle oder auch Hecken dass sich der Schichtabfuss (Fließabschnitt können als abfussableitende Strukturen A) zunächst in Rinnen und Rillen gestaltet werden. Erfolgt dies nicht, werden (Fließabschnitt B) und dann in der Hang- sie bei Starkregen meist schnell überspült und mulde (Fließabschnitt C) bündelt. Die beiden haben keinen Efekt. Feldlayouts unterschieden sich nur darin, dass Die vier Arrangements unterscheiden bei Variante 1 der Hangfuß in einen typischen sich in ihrem Verhalten erheblich (. Tab. 6.6). Wegseitengraben (trapezförmig, geräumt) Variante 1 verursacht den höchsten Boden- entwässert (Fließabschnitt D), wohingegen abtrag und die kürzeste Fließzeit (16,5 min). dieser bei Variante 2 durch eine breite und Durch die Anlage einer begrünten Abfuss- hydraulisch raue begrünte Abfussmulde mulden (Variante 2) kann die Fließzeit bis zum ersetzt wurde. So lässt sich der Einfuss dieses Auslass gegenüber Variante 1 um 19 % erhöht Entwässerungsabschnittes unabhängig vom werden. Allerdings wird diese begrünte Abfuss- restlichen Fließpfad beurteilen. mulde wegen des hohen Abtrags in der Fläche Bei quer zum Gefälle ausgerichteten und und der Verringerung der Fließgeschwindigkeit bewirtschafeten Schlägen (Variante 3 (c) schnell durch Sediment verfüllt werden. und 4 (d) in . Abb. 6.15) ist zu erwarten, dass Bei horizontaler Ausrichtung der Schläge sich die Fließstrecke des Schichtabfusses und der Anlage einer konstruierten Wasser-

. Tab. 6.6 Veränderungen von (mittlerer) Schlaggröße, Fließzeit, zwischengespeichertem Abfuss- volumen und Bodenabtrag für Feldgliederungsvarianten, bei denen unterschiedliche Flächenanteile zur Lenkung des Abfusses vorgesehen und aus der Nutzung genommen wurden

Variante Schlag- Fließzeit Fließzeit- Speicher- Abtrags- Flächen- größe verlängerung volumen reduktion bedarf

– ha min % mm % %

1 5,0 16,5 0 3,4 0 0 2 4,9 19,6 19 5,2 0 0,8 3 4,8 23,7 43 7,7 51 3,1 4 4,7 39,5 139 11,4 51 4,6 140 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

führung erhöht sich die Fließzeit gegenüber die Bearbeitungsspuren ein Bündeln verzögern, Variante 1 in Variante 3 und 4 um 43 % bzw. und weil der schnelle Hangmuldenabfuss durch 139 % auf 24 min bzw. 40 min. Eine Ver- die in Gefällerichtung schmalen Felder weit- längerung der Fließzeit um 100 % führt gehend verhindert wird. Damit das Potenzial am Gebietsauslass zu einer Halbierung des zur Abfussverzögerung voll genutzt werden Scheitels der Abfusswelle von kurzzeitigen kann, ist es erforderlich, dass der Oberfächen- Intensitätsspitzen. „Kurzzeitige Abfussspitzen“ abfuss an den unteren Feldrändern gesammelt bedeutet, dass sie kürzer sind als die Fließzeit und über „bremsend“ gestaltete Fließpfade von 40 min. Nur wenige Gewitterregen haben an den Feldrand und von dort weiter zum Intensitätsspitzen, die länger andauern. Zusätz- Gebietsauslass gelenkt wird. Dazu müssen die lich wird in Variante 3 und 4 der Bodenabtrag horizontalen Fließpfade an den unteren Feld- gegenüber Variante 1 bzw. 2 um 50 % reduziert rändern als begrünte, hydraulisch raue Mulde, und die Menge an zwischengespeichertem idealerweise mit einem kleinen, talseitigen 6 Wasser erhöht sich um das Drei- bis Vierfache. Wall angelegt werden. Dies stellt sicher, dass Die Verminderung des Bodenabtrags ist nicht der Abfuss nicht unkontrolliert in das unter- nur aus Gründen des Bodenschutzes wichtig, halb liegende Feld gelangt. Der Fließweg sollte sondern auch, weil sie die Unterhaltskosten darüber hinaus durch eine in Bodennähe dichte für die Gräben und begrünten Abfussmulden Bepfanzung gesichert werden, um die Gefahr senkt. Durch Streifenanbau (7 Abschn. 4.5.2) eines Durchbrechens zu minimieren. Ähnliches ließe sich der Bodenabtrag sogar noch mal gilt für den Fließabschnitt D von Variante 3 am halbieren und damit auf 25 % senken. rechten Feldrand. Er verläuf in Gefällerichtung Durch eine Optimierung der Flur- und entwässert das komplette Einzugsgebiet. gliederung ergeben sich also sowohl für den Bei Starkregen werden dort große Abfuss- Wasser- als auch für den Stofrückhalt enorme mengen mit hoher Geschwindigkeit abgeführt, Potenziale. Der „Preis“ dieser Maßnahmen ist sodass ein facher, breiter und hydraulisch rauer der Flächenbedarf für die Erschließung und Grassed-Waterway zwingend erforderlich wird. das Anlegen der GWWs, der gegenüber der Andernfalls kommt es hier zu Erosion. Das ersten Variante um ein bis fünf Prozent steigt. Potenzial zum Wasserrückhalt in Variante 4 Bei Variante 4 wird die Bewirtschafung durch (. Abb. 6.15 (d)) wird gegenüber der vorherigen schiefe Stöße in zwei der drei Schläge zusätz- noch deutlich weiter erhöht, da das Wasser lich erschwert. Allerdings wird die Bewirt- über „Umwege“ zum Auslass geleitet wird. Die schafung auch erleichtert, weil die Rinnen als Fließstrecke ist hier mehr als doppelt so lang Hindernisse wegfallen. Es ist zu erwarten, dass wie bei den vorher skizzierten Varianten. Die die Erträge um mindestens so viel steigen, dass Planung eines solchen Layouts wird aber durch sie den Flächenverlust ausgleichen. Das hat die gegebenen Randbedingungen (Maschinen- zwei Gründe: 1) Den Pfanzen steht durch die arbeitsbreite, Gefällesituation) schnell Nachregen-Infltration mehr Wasser zur Ver- anspruchsvoll. fügung. 2) Die Feldbewirtschafung kann viel Die dargestellten Gliederungsvarianten präziser auf die Kulturpfanzenentwicklung illustrieren nur einen kleinen Teil der denk- abgestimmt werden, weil die größten Boden- baren Möglichkeiten. Eine weitere Option unterschiede entlang des Gefälles aufreten zur zusätzlichen Förderung des Wasserrück- und nun nicht mehr in einem einzigen Feld halts in der Fläche besteht besonders bei anzutrefen sind. Variante 3 und 4 darin, kleine Rückhalte- Die Verlängerung der Fließzeit und die becken entlang der Fließwege zu platzieren Reduktion des Bodenabtrags resultieren bei (Skizze in . Abb. 6.16). Insbesondere wenn horizontaler Ausrichtung (Variante 3 (c) in mehrere, in Reihe geschaltete Becken zum . Abb. 6.15) im Wesentlichen daraus, dass der Einsatz kommen, ist neben der zeitlichen Ver- Fließweg des Schichtabfusses länger wird, weil zögerung auch ein Stof- und Volumenrück- 141 6 6.5 · Flurgliederung und Flächenarrangement

beträgt die Zahl der Ackerfächen im dargestellten Ausschnitt nur noch 61 statt ursprünglich 237, und die durchschnittliche Ackerschlaggröße hat von 0,6 auf 2,4 ha zugenommen (. Abb. 6.17). Für ein Teileinzugsgebiet (rote Linie in . Abb. 6.17) wurden die oberfächlichen Fließwege für beide Zeitpunkte bestimmt. Dazu wurden entlang der Wasserscheide 16 Punkte im Abstand von etwa 100 m defniert, von denen ausgehend die Fließpfade bis zum Gebietsauslass ermittelt wurden. Für die aktuelle Situation wurden die Fließpfade innerhalb der ackerbaulichen Nutzfäche durch Auswertung eines digitalen Gelände- . Abb. 6.16 Schematische Darstellung zur Platzierung kleiner Rückhaltebecken (rote Dreiecke, modells (Rasterweite 5 m) mithilfe eines RHB) oberhalb von Zufahrten (kleine, schwarze Pfeile). Fließpfadalgorithmus bestimmt. Der Ver- Wie in . Abb. 6.15 ist das Fließpfadmuster durch lauf der Fließpfade von der Schlaggrenze zum blaue Linien und der längste Fließweg vom Punkt X Gebietsauslass wurde im Gelände validiert an der Wasserscheide (oben links) bis zum Gebietsaus- und teilweise angepasst, da wesentliche, den lass (unten rechts) mit roten Pfeilen markiert. Gräben, begrünte Abfussmulden und Wege sind als grüne, Abfuss lenkende Strukturen wie Wegseiten- grün-schrafferte und graue Linien dargestellt gräben bei dieser Aufösung nicht automatisch erkannt wurden. Für jeden Fließpfad wurden Länge und Gefälle bestimmt. Zusätzlich wurde halt möglich. Dazu muss an den Zufahrten, der Streckenanteil jedes Fließweges auf Acker- die vom Weg in die Felder führen, ein fächen, im Grünland bzw. in Gräben und Damm mit Durchlass aufgeschüttet und der Rohren ermittelt. Außerdem wurden die darüber entstehende Raum vertief werden. Ranken gezählt, die jeder Fließpfad zwischen Das Potenzial von Rückhaltebecken wird in Wasserscheide und Tiefenlinie kreuzt. Für 7 Abschn. 6.4 ausführlicher und quantitativ den historischen Zustand wurden der gleiche beschrieben. Gebietsauslass und die gleichen Punkte an der Wasserscheide wie für den aktuellen Zustand verwendet. Bei der Bestimmung des 6.5.2 Vergleich aktueller Fließpfadverlaufes wurden jedoch zusätzlich und historischer zur Topographie die damals vorhandenen Feld- Flurgliederungen grenzen berücksichtigt, die aus historischen Flurkarten rekonstruiert wurden. Es wurde Um den Efekt unterschiedlicher Flur- davon ausgegangen, dass eine Feldgrenze gliederungen auf die Abfusskonzentration damals als wasserableitende Barriere fungierte. in einem realen Landschafsausschnitt zu Für den aktuellen Zustand wurde von dieser quantifzieren, wurde die aktuelle Flächen- Annahme abgewichen, da Ranken heute auf- parzellierung eines kleinen Untersuchungs- grund der größeren Schläge, der damit ver- gebietes einem historischen Zustand vor bunden höheren Bündelungswirkung des der Flurbereinigung gegenübergestellt (etwa Abfusses und in Folge durch den höheren um 1960). Dort erfolgte in den 1960er- und Zustrom bei Starkregen meist überströmt 1970er-Jahren eine Flurneuordnung. Heute werden. Dies ist auch durch Lufbildaufnahmen von Starkregenereignissen bekannt [56]. 142 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.17 Flächenparzellierung um 1960 vor der Flurbereinigung (a) und heute (b) in einem 258 ha großen Landschaftsausschnitt nördlich von Freising bei Zolling. Die Linien kennzeichnen Flurstücksgrenzen (schwarz), 6 Höhenlinien (grau), Wegseitengräben (blau gestrichelt), Rohre (magenta gestrichelt), Gewässer (blau) sowie die Wasserscheide (rot) eines 28 ha großen Teileinzugsgebietes. (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsver- waltung)

Um 1960 entwässerte das komplette Im Gegensatz zu früher wird dort heute Gebiet über Grünland entlang der Tiefen- allerdings der komplette Abfuss über zwei linie, mit Ausnahme einer kleinen Teilfäche Rohre (DN 600) gefasst und unter der neu auf der Hangkuppe nahe der Wasserscheide entstandenen Siedlungsfäche hindurch auf im Westen des Gebietes (. Abb. 6.18, links). die andere Seite der Straße geleitet, wo sich Die Erschließung der Flur erfolgte damals der Gebietsauslass befndet. über Wege auf der Hangkuppe. Durch die Der quantitative Vergleich der beiden Ranken änderten viele Fließpfade stufen- Zustände zeigt folgende Entwicklungen: Die artig ihre Richtung. Im Zuge der Flur- Fließpfade in den Ackerfächen verlaufen heute bereinigung (. Abb. 6.18, rechts) wurden direkter als beim historischen Zustand, aber die Schläge vergrößert und Straßen und im Grunde nicht wesentlich anders als früher. Gräben in die Tiefenlinie verlegt, wodurch Mittlere Länge und mittleres Gefälle blieben die topographisch bedingten Fließpfade viel- quasi unverändert. Dagegen nahm der im fach unterbrochen und verändert wurden. Grünland verlaufende Fließpfadanteil um rund Oberfächenabfuss aus dem Teil südlich der 70 % ab (84 vs. 15 %). Gleichzeitig verlaufen mittig in Ost-West Richtung verlaufenden heute 58 % der betrachteten Fließpfadstrecke Straße erreicht die Tiefenlinie heute bei- in Wegseitengräben oder Rohren. Auf dem spielsweise nicht mehr; er wird über einen Verlauf zwischen Wasserscheide und Tiefen- Wegseitengraben südlich der Straße zum linie kreuzte jeder Fließpfad früher im Mittel Gebietsauslass hin abgeleitet. Gleiches gilt für einen Ranken. Heute sind derartige Hinder- den Bereich ganz im Westen, der durch die nisse seltene Ausnahmen (. Tab. 6.7). Eine Straße abgeschnitten ist. Dieser Teil wurde Auswertung der Fließzeit von der Wasser- über einen Graben und eine Rohrleitung scheide ganz im Westen bis zum Gebietsaus- an den zuvor erwähnten Wegseitengraben lass im Osten (längster Fließpfad) mithilfe der angeschlossen. Durch diese Maßnahmen Geschwindigkeitsmethode ergab eine mittlere veränderten sich die Entwässerungswege Verkürzung der Fließzeit von 50 auf 35 min von knapp 2/3 der Einzugsgebietsfäche. (Reduktion um 30 %). Nur Oberfächenabfuss aus dem nördlichen Die Entwicklung hin zu größeren und Teil entwässert auch heute noch über die einheitlicher gestalteten Nutzfächen fand Tiefenlinie bis zum Beginn der Ortschaf. und fndet in zahlreichen Naturräumen, 143 6 6.5 · Flurgliederung und Flächenarrangement

. Abb. 6.18 Fließpfade (blaue Linien) zwischen Wasserscheide (rote Linie) und Gebietsauslass um 1960 (a) und heute (b). Die Landnutzung wurde entsprechend der aktuellen bzw. der in der historischen Karte ausgewiesen Nutzung in Acker (gelb), Grünland (grün) und Siedlungsfäche (orange) unterschieden. Der Verlauf der Fließpfade in den Acker- und Grünlandfächen wurde mit einem Fließpfadalgorithmus aus einem Geländemodell (Rasterweite 5 m) extrahiert und durch Kartierungen im Feld angepasst bzw. validiert. Beim historischen Zustand wurden Feldgrenzen innerhalb der Ackerfächen als Abfussbarriere interpretiert. (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsverwaltung)

. Tab. 6.7 Quantitative Merkmale der in . Abb. 6.18 dargestellten Fließpfade. Die angegebenen Zahlen sind Mittelwerte der 32, in . Abb. 6.18 dargestellten Fließpfade

Zeitraum Mittlere Mittlere Im Grünland Fließstrecke Kreuzende Fließpfadlänge Fließpfad- verlaufender in Gräben und Ranken und (m) neigung (%) Anteil (%) Rohren (%) Raine

Um 1960 960 3,8 84 0 1,1 Heute 945 3,9 15 58 0,3

national wie international statt [57, 58]. Die 6.5.3 Flurneuordnung unter Konsequenzen werden bisher vornehm- Berücksichtigung lich unter ökologischen, kulturellen und abfussverzögernder ästhetischen Gesichtspunkten diskutiert. Strukturen und Maßnahmen Wie stark der Einfuss des Strukturverlustes der folgenden Nutzungsänderung und der Um zu untersuchen, wie abfussverzögernde Anlage künstlicher Entwässerungswege auf Strukturen bei Flurneuordnungsverfahren Abfussbeschleunigung und Veränderung berücksichtigt werden können, wurde in des Landschafswasserhaushaltes ist, wurde einem knapp 50 ha großen Gebiet im Tertiär- nur sehr selten quantifziert. Eine Ausnahme hügelland bei Manholding (. Abb. 6.19) eine ist aus Nordfrankreich bekannt: Für die dort virtuelle Flurneuordnung durchgeführt und typischen Wallheckenlandschafen wurde mit einem bestehenden Neuordnungsent- ermittelt, dass in strukturverarmten und ver- wurf ohne explizite Berücksichtigung ent- einheitlichten Landschafen 1,5 bis 2-fach sprechender Strukturen und Maßnahmen höhere Scheitelabfussraten aufreten als an verglichen [60]. Letztere wird im Folgenden Standorten mit hoher Dichte linearer und als „konventionelle Planung“ bezeichnet. gliedernder Landschafselemente [59]. 144 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

Wasserscheide bis zum Gebietsauslass nach der Geschwindigkeitsmethode abgeschätzt und übliche Kenngrößen wie Flurstücksgröße und Zusammenlegungsverhältnis erhoben und gegenübergestellt. Im Detail wurden im virtuellen Planungs- entwurf unterschiedliche Maßnahmen zur Förderung des Wasser- und Stofrückhalts berücksichtigt (. Abb. 6.20 links): Beispiels- weise wurde der von Manholding nach Süden führende Erschließungsweg von der Senke . Abb. 6.19 Flurstücke im Beispielgebiet (konventionelle Planung) auf einen Höhen- Manholding vor Durchführung der Flurneuordnung. rücken gelegt. Dies sollte den Einfuss der 6 Die Farben kennzeichnen die Besitzverhältnisse. (Quelle: BBV-LS in [60]) Verkehrsfäche auf die Gebietsentwässerung minimieren. Weitere strukturelle Maßnahmen umfassten die Anlage einer begrünten Abfuss- Die virtuelle Flurneuordnung berück- mulde unmittelbar westlich der Straße in sichtigte dabei etablierte und standardisierte der südlichen Tiefenlinie des Gebietes, die Verfahrensweisen [61]: Die Einlagefäche Umwandlung von drei Fischweihern in kleine wurde analysiert und durch Überlagerung Rückhaltebecken sowie die Anlage von zwei mit den Bodenwertzahlen wurden die Terrassenstufen. Zur Förderung der hang- Wertverhältnissummen aller Eigentümer parallelen Bewirtschafung wurden auf den ermittelt. Zusätzlich zum üblichen Vor- südlichen Teilfächen ausschließlich läng- gehen wurden im Vorfeld wichtige hydro- liche Flurstücksformen ausgewiesen. Ledig- logische Prozesse und Fließwege im Gelände lich im Bereich der begrünten Abfussmulde erfasst (vgl. 7 Abschn. 5.3 und 7 Anhang resultierten einige wenige, geometrisch 8.8). Darauf aufauend wurden Maßnahmen ungünstig geformte Flurstücke. Auch die Ent- zum Wasser- und Stofrückhalt abgeleitet. stehung von Ackerrandfurchen in Gefälle- Bei der Neuverteilung wurden zunächst richtung ließ sich bei diesem Planungsentwurf die Flächen für die gemeinschaflichen und nicht vollständig verhindern. Im Wesentlichen öfentlichen Anlagen festgelegt. Dies berück- sind die Flächen des resultierenden Entwurfes sichtigte Wege und alle Flächen für abfussver- jedoch nicht ungünstiger geschnitten oder zögernde Maßnahmen. In den verbleibenden verortet als die der konventionellen Entwurfs- Gewannen wurden dann die Flurstücke der planung (. Abb. 6.20, rechts). Die mittlere Einlieger platziert, indem die aus den Wert- Flurstückfäche ist in der abfussverzögernden verhältnissummen resultierenden Ansprüche Variante sogar größer und die Zahl der Flur- mit möglichst wenig Flurstücken abgegolten stücke geringer als bei der konventionellen wurden (der Gebietsabzug wurde prozentual Planung. Da die resultierenden Schlaglängen zur Einlagewertverhältniszahl berücksichtigt). zwischen 400 und 550 m liegen, ist davon Alle üblichen Aspekte wie bestehende Flur- auszugehen, dass die Flächenzuschnitte der zwänge, die Entfernung der Flächen von der abfussverzögernden Planung auch unter Hofstelle oder dass Eigentümer mit wenig arbeits- und betriebswirtschaflichen Gesichts- Fläche (nur ein Abfndungsfurstück) gut punkten mit der konventionellen Planung zugeschnittene Flächen erhalten, gingen in die konkurrieren können (betriebswirtschaflich Neuverteilung ein. Für den neuen, virtuellen werden die größten Einsparungspotenziale Planungsentwurf und die konzeptionelle bei Schlaglängen bis zu von 400 m und Planung wurden die Fließzeiten von der Schlaggrößen von 5 ha erreicht [62]). 145 6 6.5 · Flurgliederung und Flächenarrangement

. Abb. 6.20 Entwurfsplanungen zur Flächenparzellierungen eines Landschaftsausschnitts im Tertiärhügel- land. Die Farben markieren die verschiedenen Besitzverhältnisse. Die linke Variante (a) berücksichtigt Aspekte und Maßnahmen zum Wasser- und Stoffrückhalt. Die rechte (b) zeigt die konventionelle Planung, ohne explizite Berücksichtigung dieser Aspekte. Im virtuellen Entwurf berücksichtigte Maßnahmen zum Wasserrückhalt sind die hangparallele Ausrichtung der Felder, drei Rückhaltebecken (grüne Ovale), eine begrünte Abfuss- mulde (dunkelgrüner, mittig von unten zum mittleren Rückhaltebecken verlaufender Linienzug), aufgeweitete Entwässerungsgräben (kurze, dunkelgrüne Linienzüge im Talweg) sowie zwei Terrassenstufen im Süden des Gebietes (dunkelrote Linien). Die blauen Linien in der rechten Tafel zeigen den Verlauf der Wasserscheide. (Ver- ändert nach [60])

. Tab. 6.8 Kenngrößen der unterschiedlichen Flurbereinigungsplanungen in . Abb. 6.19 und 6.20

Flurstücke Mittlere Verkehrs Fläche für Gebiets Flächen Größe fäche abfuss abzug zuschnitt verzögernde Maßnahmen

– ha m2 ha % –

Ausgangszustand 65 0,7 1918 0 – – Konventionelle 25 1,8 8634 0 1,5 + Planung Abfussverzögernde 22 2,0 5640 1,5 4,0 o Planung

Die mittlere Fließzeit nahm dagegen werden kann. Trotz zusätzlicher Randbe- gegenüber der konventionellen Planung bei dingungen konnten identische Flurstückzahlen, etwa 10-jährlichen Starkregenereignissen um -größen und Zusammenlegungsverhältnisse rund 80 % zu. Bei extremen, >100-jährlichen erzielt werden wie bei einer konventionellen Ereignissen betrug die Zunahme immer Planung. Davon ausgenommen war lediglich noch etwa 66 % (. Tab. 6.8). Der „Preis“ der ein einziges, an die begrünte Mulde grenzendes Maßnahmen zum Wasser- und Stofrückhalt Flurstück. Der Flurneuordnung kommt daher ist ein gegenüber der konventionellen Planung eine fundamentale Bedeutung im Hinblick um 2,5 % erhöhter Flächenbedarf, der sich im auf die langfristige Etablierung hochwasser- Gebietsabzug entsprechend widerspiegelt. mindernder Abfussnetze in der Landschaf zu. Die Fallstudie zeigt, dass durch wenige Ähnliche Fallstudien [z. B. 63, 64] sind jedoch zusätzliche Flurelemente ein erheblicher Bei- rar und of nur spärlich in der grauen Literatur trag zum Wasser- und Stofrückhalt geleistet dokumentiert und somit kaum aufndbar. 146 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

6.6 Abfussgeschwindigkeit in Gräben und Rohren von Aufweitung und dem Tolerieren von Bewuchs auf die Abflussver- Gräben zur Wasserführung, Wegeent- zögerung ist sogar noch größer, da wässerung oder Drainage beschleunigen raue und breite Gräben mehr Wasser normalerweise den Abfuss und verschärfen zurückhalten können. Dieser Effekt gilt damit die Gebietsentwässerung. Fallbeispiele insbesondere für kurze, schauerartige dazu sind unter anderem aus einem 900 ha Starkregen, deren Dauer unter 1 h großen Einzugsgebiet in Frankreich bekannt, und damit in der Größenordnung der wo der Scheitelabfuss durch ein Graben- typischen Konzentrationszeit kleiner system um bis zu 40 % zugenommen hat Einzugsgebiete liegt. Der Effekt wird [65]. Noch stärker beschleunigend wirken durch trockene Vorbedingungen hydraulisch glatte Rohre. Prinzipiell haben noch verstärkt. Dadurch lassen eine 6 Gräben jedoch auch das Potenzial zum Grabenaufweitung und das Tolerieren Bremsen, vor allem, wenn dadurch der von Bewuchs einen besonders hohen Fließweg länger und die Sohlneigung geringer Effekt auf die Abflussminderung bei wird, wie zum Beispiel bei einer Terrassierung kurzen, schauerartigen Starkregen in des Geländes. Gräben sind daher, trotz kleinen Einzugsgebieten erwarten. ihres geringen Flächenanteils, of von hoher Bedeutung für den Wasserhaushalt und die Entwässerung einer Landschaf [66]. Der Vergleich verschiedener Gerinnetypen legt nahe, dass sich die Fließgeschwindigkeiten auf etwa der Hälfe aller Fließpfade in der Wirkung verschiedener Gerinnetypen landwirtschaflichen Flur um rund 60 % Die Abflussgeschwindigkeit beschleunigt haben, weil die Entwässerung, verschiedener Gerinnetypen für die früher weitgehend über Grünlandzüge typische, in Einzugsgebieten <100 ha in Hangmulden (breite, begrünte Mulde) auftretende Bedingungen illustrieren erfolgte, heute durch geräumte und dadurch Vergleichsrechnungen mit der efektive Wegseitengräben mit Regelprofl GMS-Gleichung (7 Gl. 5.5). In allen ersetzt wurde (vgl. auch 7 Abschn. 6.5.2 und Fällen wurden einheitliche Bedingungen 7 Kap. 7). Bei Wegseitengräben in steilem (Fließweglänge 2000 m, Gefälle 1,5 %, = = Gelände, insbesondere für hangseitige Gräben Abflussrate 1 m3 s 1) angenommen. = − bei Forststraßen kommt noch ein weiterer Nur Gerinneform, -querschnitt und Efekt hinzu: Dadurch, dass sich Gräben hier -rauheit wurden verändert (. Tab. 6.9). tief ins Bodenprofl einschneiden, erschließen Die Auswertung zeigt, dass eine sie auch den Bereich, in dem Zwischenabfuss moderate Grabenaufweitung in fießt, und machen aus ihm Oberfächen- Kombination mit einer Verkrautung den abfuss [67]. Der Efekt ist in . Abb. 8.17 Abfluss gegenüber einem geräumten illustriert und vor allem für Wälder auf steilen Graben um 30 % verzögert. Eine flache, Standorten relevant. Die abfussdämpfende verkrautete Mulde verzögert um 62 %, Wirkung beruht dort weniger auf hohen Ver- während eine Verrohrung den Abfluss sickerungsraten, sondern darauf, dass ein um 40 % beschleunigt. Diese Ergebnisse Großteil des nicht tief versickernden Wassers gelten nur für den stationären Fall als Zwischenabfuss auf einem der im Wald (d. h. der Abfluss fließt lange Zeit mir zahlreichen Bodenhorizonte abgeleitet wird. gleicher Rate), da Benetzungs- und Dieser Zwischenabfuss fießt immer lang- Retentionseffekte nicht berücksichtigt samer als Oberfächenabfuss und führt zu der wurden. Die tatsächliche Wirkung bekannten langen Verzögerung des Abfusses 147 6 6.6 · Abfussgeschwindigkeit in Gräben und Rohren

. Tab. 6.9 Gegenüberstellung von (stationärer) Fließgeschwindigkeit und Fließzeit verschiedener 1 Gerinnegeometrien und Rauheiten bei einheitlicher Neigung von 1,5 %, Abfussrate von 1000 l s− und einer Fließstrecke von 2000 m. Die Werte wurden anhand der GMS-Gleichung (7 Gl. 5.5), Rauheitswerten aus . Tab. 5.1 und den unter 8.2.6 beschriebenen Zusammenhängen zur Ermittlung von hydraulischem Radius und Querschnittsfäche ermittelt

Gerinnetyp/Eigenschaften

1/3 1 Rauheit k (m s− ) 35 67 25 25 Sohlbreite (m) 0,3 – 1 – Böschungsneigung (−) 1 – 1 ~0,05 Wasserspiegelbreite (m) 1,5 0,69 2,0 4 Fließtiefe (cm) 60,9 52,7 48,6 33,6 Sohlbreite/Rohrdurchmesser 0,3 0,75 1 – (m) Lichte Grabenöffnungsweite 1,7 – 2,4 4,3 bei einer Gerinnetiefe von 0,7 m (m) Hydraulischer Radius (m) 0,27 0,22 0,30 0,22

1 v (m s− ) 1,8 3,0 1,4 1,1 Fließzeit für 2 km (min) 18 11 24 30 Fließzeit (%) 100 −40 +30 +62 im Wald. Durch Wegseitengräben im steilen Bedarf, z. B. bei größerem Gehölzaufwuchs Gelände besteht das Risiko, diesen Zwischen- oder der Gefahr von Verklausungen und abfuss aufzufangen und rasch abzuleiten. keinesfalls vorsorglich erfolgen. Ist im Rahmen (Steile) Wälder können dann ähnlich schnell des Unterhalts, zum Beispiel zum Erreichen liefern wie landwirtschafliche Flächen. der erforderlichen Grabentiefe, ein schälendes Ist ein Graben erforderlich, sollte dieser Werkzeug wie eine Humusschaufel erforder- aus hydrologischer Perspektive grundsätzlich lich, sollten zu Beginn der Arbeiten Grassoden breit und fach sowie hydraulisch rau angelegt abgetragen und nach der Räumung, zumindest werden. Konkret wird eine Sohlbreite von abschnittsweise, wieder auf die glatte Ober- wenigstens 1 m und eine Böschungsneigung fäche aufgebracht werden. Dies fördert von 1:1,5 empfohlen (. Abb. 6.21). (Zum Ver- einen schnelleren Aufwuchs und reduziert gleich: In der Richtlinie für die Anlage und das Erosionsrisiko. Eine entsprechende Ver- Dimensionierung Ländlicher Wege [62] wird breiterung der Sohle mindert darüber hinaus eine Sohlbreite von 0,3 m empfohlen.) Wenn nicht nur die Abfussgeschwindigkeit bei Stark- Gräben größere Einzugsgebiete entwässern regen, sondern fördert auch den Wasserrück- (>20 ha), sollte die Sohle bis auf 1,5 m ver- halt bei kleinen und mittleren Niederschlägen. breitert werden, da andernfalls bei Starkregen Diese Empfehlungen beruhen auf ein Überlaufen zu erwarten ist. Rauheit ist am hydraulischen Vergleichsrechnungen, bei einfachsten durch das Tolerieren von Bewuchs denen der Efekt von Aufweitung und Bewuchs erreichbar. Entsprechend sollte ein Unter- auf die Fließgeschwindigkeit in einem Weg- halt von Wegseitengräben ausschließlich bei seitengraben für verschiedene Grabenquer- 148 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.21 Regelquerschnitt eines Wegs mit Wegseitengraben mit einer auf 1 m verbreiterten Sohle. (Quelle: 6 Ingenieurbüro Lenz)

schnitte und Rauheiten bei identischen Bäche und Fließgewässer angesetzt, ist eine Abfüssen verglichen wurde. Als Referenz Verzögerung des Abfusses von etwa 20 % dient ein typischer geräumter Graben mit zu erwarten. Werden Rauheitsbeiwerte sehr einer Sohlbreite von 0,3 m, einer Böschungs- rauer Standorte (z. B. Sukzessionsfächen oder neigung von 1:1,5 (Höhe:Breite) und einer Hochstaudenfuren) angesetzt, sind sogar Ver- Tiefe von 0,7 m, wie er von der Richtlinie für zögerungen von 35–40 % möglich (. Abb. 6.22, die Anlage und Dimensionierung Ländlicher „bewachsen“ und „dicht bewachsen“). Die Wege (RLW) empfohlen wird [69]. Ausgehend zusätzliche Verstärkung des Efekts durch eine davon reduziert sich bei einer Verdoppelung Zunahme der Retention ist dabei noch nicht der Öfnungsweite von 2,4 auf 4,8 m (z. B. durch eine Sohlbreite von 2,8 m und gleicher Böschungsneigung) die Fließgeschwindigkeit geräumt (k = 35) (und damit der Scheitelabfuss) um knapp 0 20 %. Ob die Öfnungsweite durch eine fachere Böschung oder durch eine breitere Sohle ver- -10 breitert wird, ist weitgehend irrelevant. Der bewachsen (k = 27) hydraulische Radius reduziert sich in beiden Fällen von etwa 0,26 (typische Verhältnisse) auf -20 0,19 m (sehr breiter Graben). Wird die Graben- dicht sohle von 0,3 m auf 1 m verbreitert, ergibt -30 bewachsen (k = 20) sich bei gleicher Tiefe und Böschungsneigung eine Öfnungsweite von 3,1 m. Dadurch -40

steigt der Platzbedarf des Grabens um knapp Relative Änderung des Scheitels (%) 0 0.5 11.5 2 20 %, die Fließgeschwindigkeit vermindert Sohlbreite (m) sich allerdings nur geringfügig im niedrigen einstelligen Prozentbereich (. Abb. 6.22, . Abb. 6.22 Relative Reduktion des Abfussscheitels „geräumter Graben“). Dennoch kann mit einer durch einen Graben bei unterschiedlicher Sohl- solchen Verbreiterung der Abfuss gebremst breite und Rauheit für eine einheitliche Abfussrate 1 werden, wenn parallel dazu die Rauheit (stark) von 800 l s− . In allen Fällen wurden trapezförmige Abfussquerschnitte (Böschungsneigung 1:1,5) erhöht wird, wozu bei einer 1 m breiten Sohle und eine Grabentiefe von 0,7 m angenommen. Die bereits genug Platz vorhanden wäre. Werden Grabengesamtbreite nimmt von links nach rechts von typische Rauheitsbeiwerte für stark verkrautete etwa 2,5 auf 4 m zu 149 6 6.6 · Abfussgeschwindigkeit in Gräben und Rohren

3 1 berücksichtigt. Ein dichter Bewuchs ist daher (Gefälle 1 %) etwa 0.8 m s− . Bei steilem essenziell, da für eine (deutliche) Aufweitung (Gefälle 5 %) erhöht sich die maximale Abfuss- 3 1 von Gräben nur in den seltensten Fällen rate auf etwa 1,6 m s− , bevor es zu einem Flächen verfügbar sind. Gleichzeitig lässt sich Überlaufen kommt. ein dichter Bewuchs bei breiten Gräben leichter etablieren und managen, sodass beide Ein- z Praxisbeispiel füsse Hand in Hand gehen. Bei ausreichender Abfussverzögernde Maßnahmen an Gräben Flächenverfügbarkeit sollte eine Aufweitung können sehr vielfältig umgesetzt werden, des Grabens >5 m, ggf. auch in Kombination wobei die angrenzende Topographie und mit unterschiedlichen Böschungsneigungen Flächenverfügbarkeit meist die wesentlichen erwogen werden. Randbedingungen vorgeben. Die Wirkung Um die Bedeutung von Wegseiten- von Gräben auf die Abfussgeschwindigkeit gräben für die Entwässerung eines Gebietes wird hier an einem Praxisbeispiel illustriert. zu beurteilen, werden Verlauf und Eigen- Ein weiteres, ausführliches Rechenbeispiel schafen des Grabennetzwerks und die zum Einfuss von Gräben auf die Gebietsent- Einzugsgebiete der Gräben benötigt. Für wässerung in der Gemeinde Birnbach gibt hydraulische Berechnungen sind zusätzlich 7 Kap. 7. Querschnittsgeometrie, Gefälle und Rau- Hier wird eine kleine, bereits umgesetzte heit wichtig. Gräben können teilweise auch Maßnahme aus einem boden:ständig-Projekt digital aus dem Verlauf ländlicher Wege und in der Gemeinde Teugn im Landkreis hochaufösender Geländemodelle abgeleitet Kehlheim in Bayern skizziert. Anlass werden [70]. Es ist zusätzlich jedoch fast waren wiederkehrende Abfuss- und immer eine Geländebegehung notwendig, da Erosionsprobleme, da Siedlungsfächen in hochaufgelöste Daten meist durch Artefakte wassersensible Bereiche wie Unterhänge behafet sind, z. B. durch Abschattungen oder und Talauen expandiert hatten, das ober- Verrohrungen, und da Informationen über halb liegende Einzugsgebiet (Hangneigungen Querprofle gegenwärtig grundsätzlich nur im 5–15 %) zu ca. 70 % ackerbaulich genutzt Gelände ermittelt werden können. wird (Maisanteil ca. 30 %) und ein zentraler Fehlen Querschnitts- und Profl- Entwässerungsweg der Fläche durch die daten, gibt die Richtlinie zur Anlage und südöstlichen Ortsrandlagen führte. Die im Dimensionierung ländlicher Wege (RLW) [62] Folgenden dargestellte Grabenaufweitung Hinweise auf typische Größen. Die Gestalt von ist nur eine von mehreren Maßnahmen zur Gräben weicht in der Praxis allerdings häufg Abfussminderung im Gebiet. stark von den Empfehlungen der Richtlinie Der bestehende Graben hatte eine durch- ab. Letztere gibt vor, dass zur Entwässerung schnittliche Breite 4 m, ein Gefälle von 5 % ländlicher Verbindungs- und Hauptwirt- und eine Länge von rund 500 m. Er lag schafswege, unabhängig vom Einzugsgebiet, unmittelbar oberhalb der Ortschaf und war ein Wegseitengraben anzulegen ist. Übliche Bestandteil des Fließpfades, über den die Dimensionierungsvorgaben der trapez- Fläche entwässerte (. Abb. 6.23, links). Eine förmigen Regelprofle sind: Sohlbreite 30 cm, Berechnung mit der GMS-Gleichung (Rau- 1/3 1 Böschungsneigung Höhe:Breite 1:1,5, Tiefe heitsbeiwert 30 m s− ) ergab, dass bei ≤ = 60–70 cm je nach Hangneigung und Stärke von einem Gebietsniederschlag von 75 mm im Planum und Wegekörper. Zusätzlich gibt die bestehenden Graben mit einer (enormen) 1 RLW vor, dass Wegseitengräben zu begrünen Fließgeschwindigkeit von 3,3 m s− zu rechnen sind, um sie vor Erosion zu schützen. Mulden ist. Dividiert man die 500 m Grabenstrecke werden nur in Ausnahmefällen konstruiert. durch die Fließgeschwindigkeit, ergibt sich Typische Abfussraten trapezförmiger Gräben eine Fließzeit von nur 2,5 min. mit Regelprofl betragen bei fachem Terrain 150 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Abb. 6.23 Dargestellt sind die Fließpfade des Oberfächenabfusses in einem Teileinzugsgebiet der Gemeinde Teugn (a). Die Pfade wurden aus einem hochaufösenden Geländemodell (Rasterweite 1 m) mit einem Fließpfadalgorithmus extrahiert. Die Breite der Linie ist relativ zu ihrer Einzugsgebietsgröße skaliert. Die rote Box markiert die Lage der Grabenaufweitung. Das Schrägluftbild (b) zeigt die umgesetzte Maßnahme mit Blick auf die Ortschaft; es wurde von einer Drohne von der Stelle aus aufgenommen, die im Bild links mit dem schwarzen Dreieck markiert ist. (Quelle: [71])

Zur Geschwindigkeitsminderung wurde Wirkung auf die Gesamtfießzeit und damit die Sohle des bestehenden Grabens um auch auf die Reduktion des Abfussscheitels 2 m verbreitert und durch Tolerieren von gering, aber in Kombination mit weiteren Bewuchs eine raue Oberfäche geschafen. abfussmindernden Maßnahmen (nicht dar- Zusätzlich konnte im unteren Drittel des gestellt) wurde für das betrachtete Teilein- Grabens ein 150 m langer, 20 m breiter zugsgebiet von einer Scheitelreduktion von Ackerrandstreifen als Ausuferungsmöglich- 20 % ausgegangen [71]. keit angelegt werden. Um die Ausuferung zu fördern, wurden innerhalb des Ackerrand- streifens fache (bewirtschafbare) Quer- 6.7 Wege- und Wasserführung dämme modelliert (. Abb. 6.23, rechts). Während der Ackerrandstreifen Privat- Wege sind Bestandteil der technischen Infra- eigentum blieb, wurde für die Grabenver- struktur mit grundlegender Funktion für breiterung Grund erworben. Durch die den ländlichen Raum. Sie prägen die Kultur- 1/3 1 erhöhte Rauheit (Annahme: k 25 m s− ) = landschaf und lassen sich nicht vermeiden. und den breiteren Fließquerschnitt Verlauf und konstruktive Gestaltung des reduzierte sich die Fließgeschwindigkeit Wegenetzes sowie die Anlage und Aus- 1 im Graben rechnerisch auf etwa 2,6 m s− , führung von Wegseitengräben beeinfussen wodurch die Fließzeit im Graben um rund den Landschafswasserhaushalt of tief- 30 % auf 3,2 min steigt. Da der Graben- greifend und – durch ihre hohe Lebensdauer abschnitt – ausgehend von der Wasser- – über sehr lange Zeiträume. Die Konzeption scheide – nur einen kleinen Teil des und Anlage ländlicher Wege ist daher nicht gesamten Fließwegs einnimmt, ist die nur eine bedeutsame Aufgabe der ländlichen 151 6 6.7 · Wege- und Wasserführung

Entwicklung, die rund drei Viertel aller länd- Aufgrund der Vielzahl von Wegetypen lichen Wege, of in Zusammenhang mit Flur- und -verläufen und der großen Variation neuordnungen anlegt [64], sie beeinfusst konstruktiver Aspekte [72] sind die Möglich- auch dauerhaf den Wasser- und Stofaus- keiten, den Wasserrückhalt in der Fläche halt der Landschaf. Die Einfüsse des Wege- durch Aspekte des Wegebaus zu fördern, baus auf den Wasserhaushalt erfordern daher vielfältig und of auch fallspezifsch. Im ein besonderes Augenmerk. Wesentliche Folgenden wird nur der Einfuss der Weg- Einfussgrößen sind die konstruktive Bau- befestigung auf die Abfussbildung quantitativ ausführung von Wegen und Wegseitengräben dargestellt. Ansätze zur Beeinfussung der und die Trassenwahl. Die Bauausführung Wasserführung werden nur allgemein beeinfusst vor allem, wie viel Abfuss auf beschrieben bzw. in Abhängigkeit vom Wege- befestigten Flächen entsteht, der Wegverlauf verlauf im 7 Anhang 8.7 qualitativ skizziert. prägt die Ableitung von Wasser durch die Je nach konstruktiver Ausgestaltung Landschaf. Das gilt insbesondere für Gebiete der Fahrbahn (s. a. . Abb. 6.24) variieren mit hoher Dichte an Wegen und Wegseiten- die Abfussbeiwerte um den Faktor vier gräben und für Oberfächenabfuss bei Stark- (. Tab. 6.10). Die Werte gelten aber ofen- regen. sichtlich nur für kleinere und evtl. mittlere

. Abb. 6.24 Zu den Wegtypen, die sich günstiger auf den Wasserhaushalt auswirken als durchgehend asphaltierte Fahrbahnen, zählen Wege mit wassergebundener Tragdeckschicht (Schotterwege) (a), Pfaster- spurwege (b) und Grünwege (c). Bei wenig befahrenen Schotterwegen (d) „begrünt“ sich der Mittelstreifen oft von selbst. Das Bild zeigt deutlich die Vernässung in der Hangmulde, die häufg als Begründung für eine Wegbefestigung genannt wird. Die Vernässung ließe sich einfach vermeiden, indem der Weg auf einem kleinen Damm geführt und hinter dem Damm ein Retentionsbecken geschaffen würde. (Bildquellen: a, b und c: Peter Pfarr, d: Karl Auerswald) 152 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

. Tab. 6.10 Mittlere Abfussbeiwerte für unterschiedliche Wegoberfächen

Befestigungsart Mittlerer Abfussbeiwert Abfussbeiwert [nach 45] bei Starkregen

Asphalt, fugenloser Beton 0,90 0,98 Pfaster mit dichten Fugen 0,75 0,95 fester Kiesbelag (wassergebundene Decken) 0,60 0,92 Pfaster mit offenen Fugen 0,50 0,90 lockerer Kiesbelag, Schotterrasen 0,30 0,86 Verbundsteine mit Fugen, Sickersteine 0,25 0,85 Rasengittersteine 0,15 0,83 (Bodengruppe D: 0,88) 6

Regen, sind aber auf Starkregen nicht steine eine Kiesdecke verwendet würde. anwendbar, da sie deutlich niedriger sind als Kombiniert man Spurweg und Kies, steigt die die Endabfussbeiwerte selbst von Wald (vgl. Verminderung auf 120 m3. . Tab. 8.12). Für Starkregen wurden daher Um den Wasserrückhalt in der Fläche die Werte um den Betrag (1 Mittel) 0,8 zu fördern und den Abfuss zu verzögern, − × erhöht. Rasengittersteine entsprechen dann gelten für das Wegenetz folgende allgemeine etwa Reihenkulturen, was ihre Abfussneigung Empfehlungen. Eine detailliertere (qualitative) bei Starkregen vermutlich immer noch unter- Beschreibung von Ansatzpunkten für unter- schätzt. schiedliche Wegverläufe kann 7 Anhang 8.7 Mögliche Ansatzpunkte zur Förderung entnommen werden: des Wasserrückhalts bestehen daher einer- 5 Die Länge (Dichte) des Wegenetzes seits darin, eine Fahrbahndecke mit kleinem und die Wegbreite sollten so gering wie Abfussbeiwert zu wählen – der Efekt möglich sein, da sich der Oberfächen- bei Starkregen ist aber klein. Die zweite abfuss proportional zur Vergrößerung des Maßnahme ist, die versiegelte Fläche zu ver- versiegelten Flächenanteils erhöht [74]. mindern, indem nur Spurwege angelegt Dieser Efekt ist auch für Waldgebiete werden. Bei den für Wirtschafswege üblichen nachgewiesen und dort von größerer Dimensionen (Fahrbahnbreite 3 m bzw. Bedeutung als die Bestandszusammen- Zwischenstreifenbreite bei Spurwegen 0,9 m) setzung [67]. [62] reduziert sich die versiegelte Fläche 5 Natürliche, topographisch bedingte durch die Beschränkung des Weges auf die Entwässerungswege dürfen durch die Fahrspuren um 30 % und etwa ebenso das Anlage von Wegen und Wegseitengräben Abfussvolumen. Für ein Einzugsgebiet mit nicht verkürzt (z. B. durch Verrohrungen einer Fläche von 100 ha ließe sich durch die oder Begradigung) oder in ihrer abfuss- konsequente Anlage von Spurwegen mit Ver- abführenden Wirkung verstärkt werden bundsteinen bei einer mittleren Wegenetz- (z. B. durch die Anlage von Wegen oder 1 dichte von rund 60 m ha− [73] bei einer Gräben in der Tiefenlinie). Niederschlagshöhe von 50 mm ein Abfuss- 5 Das Sammeln und konzentrierte volumen von rund 70 m3 in der Fläche Ableiten von Abfuss erfordert zurückhalten. Etwa ebenso groß wäre die Sicherungsmaßnahmen unterhalb, z. B. Abfussminderung, wenn statt der Verbund- begrünte Abfussmulden. 153 6 Literatur

Wege und Wegseitengräben können auch als Abfusshindernis eingesetzt werden. Dazu sollten Wege möglichst senkrecht zur Haupt- gefällerichtung angelegt werden, da hierdurch die hydraulisch wirksame Hanglänge verkürzt wird. Je größer die Anzahl hanggliedernder Strukturen, d. h. je kürzer der Hang, desto mehr Möglichkeiten gibt es, die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren und die Fließstrecke zu ver- längern bzw. hochwassermindernde Abfuss- wege in der Fläche zu etablieren. Wege, die parallel zu den Höhenlinien verlaufende Wege verbinden, sollten auf Höhenrücken (d. h. entlang der topographischen Wasserscheide) liegen, da das Einzugsgebiet dann klein und . Abb. 6.25 Die Anlage von Wirtschaftswegen die Bedeutung des Weges für die Gebietsent- quer zum Hauptgefälle (höchster Punkt ist in der wässerung gering ist [9, 75]. Bei Umsetzung Zeichnung oben) verkürzt die Abfusswege und erlaubt durch Erhöhung des Fahrwegs in den Tiefen- dieser Prinzipien resultieren lange, hang- linien, die Befahrbarkeit bei nassen Verhältnissen parallele und arbeits- wie betriebswirtschaflich zu verbessern und gleichzeitig dahinter Retentions- günstig geschnittene Flurstücke [62], die in der becken zu schaffen. (Nach [49], verändert) Landschaf jedoch bis heute wenig verbreitet sind. Da Hänge immer gemuldet sind, die Wege Literatur aber gerade geführt werden, um eine gerade Bewirtschafung zu ermöglichen, durch- 1. Brandhuber R, Treisch M, Fischer F et al (2017) schneiden diese Wege die Hangmulden. Starkregen, Bodenerosion, Sturzfuten. Schriftenr Bayer Landesanst Landwirtsch 2: Freising Das schaf die Möglichkeit, viele kleine 2. Kainz M (1989) Runoff, erosion and sugar beet Retentionsbecken mit gedrosseltem Aus- yields in conventional and mulched cultivation. lauf anzulegen. Dazu werden die Wege in Soil Technol Ser 1:103–114 den Hangmulden etwas angehoben, wodurch 3. Renard KG, Yoder DC, Lightle DT, Dabney SM dahinter ein Retentionsbecken entsteht (2011) Universal soil loss equation and revised universal soil loss equation. In: Morgan RPC, . Abb. 6.25 . Abb. 8.19 ( , ). Das erleichtert und Nearing MA (Hrsg) 137–167, Blackwell, Oxford verbessert auch die Befahrbarkeit, da weniger 4. Fröba N, Brunotte J, Mosimann T et al (2015) Neigungen entlang des Weges aufreten Gute fachliche Praxis. Bodenbewirtschaftung und und da der Weg oberhalb der nassen Hang- Bodenschutz, aid Infodienst Ernährung, Landwirt- mulde bleibt und damit rasch abtrocknet. Der schaft, Verbraucherschutz, Bonn 5. Auerswald K, Albrecht H, Kainz M, Pfadenhauer J gedrosselte Auslauf stellt sicher, dass der Weg (2000) Principles of sustainable land-use systems nicht durchweicht und die landwirtschafliche developed and evaluated by the Munich Research Nutzung im Becken weiterhin möglich bleibt, Alliance on Agro-Ecosystems (FAM). Petermanns weil es innerhalb von wenigen Tagen wieder Geogr Mitt 144:16–25 auslaufen kann. Da Abfuss spätestens am 6. Natural Resources Conservation Service (2004) Estimation of direct runoff from storm rainfall. Auslauf konzentriert wird, muss er idealer- In: National Engineering Handbook. Part 630 weise in einer begrünten Abfussmulde weiter- Hydrology, chapter 10. United States Department geführt werden (linke Becken in . Abb. 6.25), of Agriculture, Washington oder – weit ungünstiger – durch Verrohrung 7. Fiener P, Wilken F, Auerswald K (2019) Filling the (siehe gestrichelte Linie der rechten Becken in gap between plot and landscape scale – eight years of soil erosion monitoring in 14 adjacent . Abb. 6.25 ). watersheds under soil conservation at Scheyern, 154 Kapitel 6 · Abflussverzögerung – wie Abfluss gebremst werden kann

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Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung von Abfusssituation und Abfussminderung

7.1 Einführung – 160 7.2 Methoden – 160 7.3 Ergebnisse – 163 7.4 Zusammenfassung – 170 Literatur – 171

© Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en) 2020 S. P. Seibert und K. Auerswald, Hochwasserminderung im ländlichen Raum, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61033-6_7 160 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

7.1 Einführung einer Abfusswelle ermittelt, der am Bezugs- punkt im Graben vor der Ortschaf (vgl. Zur Illustration der vorgestellten Methoden . Abb. 7.1, unten) aufreten kann. Dazu wird die Verringerung des Abfussscheitels wird zunächst der Anteil des Niederschlags durch Aufweitung eines Grabens und Ver- bestimmt, der bei einem typischen Starkregen änderung der Flächenbewirtschafung durch- abfießt. Dann wird die Konzentrationszeit gespielt. Gegenstand des Planungsbeispiels ist des Gebietes ermittelt, indem der Fließweg die Ortschaf Birnbach im südlichen Landkreis des Oberfächenabfusses von der Wasser- Regensburg, die in der Vergangenheit häufger scheide bis zum Bezugspunkt analysiert von kleineren Überschwemmungen betrofen wird. Aus der Höhe des abfusswirksamen war. Der Siedlungsbereich liegt im Kopfeinzugs- Niederschlags, der Einzugsgebietsgröße und gebiet des Allersdorfer Bachs, der bei Schier- der Konzentrationszeit ergibt sich der zu ling in die Große Laaber mündet. Ursache der erwartende Scheitelabfuss. Überschwemmungen ist die Kessellage der Ort- In einem zweiten Schritt wird der Ein- schaf (. Abb. 7.1, oben). Auf dem Weg von der fuss der Gräben auf die Abfusskonzentration 7 Wasserscheide zum Allersdorfer Bach verlaufen und damit auf den Wellenscheitel unter- die Entwässerungswege verschiedener Teilein- sucht, indem fktiv von einer Aufweitung zugsgebiete durch die südöstlichen bzw. nord- der Gräben und der Herstellung hydraulisch westlichen Ortsrandlagen. Das Einzugsgebiet rauer Bedingungen ausgegangen wird, z. B. ist rund 1,5 km2 groß und überwiegend land- durch das Tolerieren eines dichten Bewuchses wirtschaflich genutzt. Vor allem im Bereich und den Verzicht auf eine regelmäßige westlich der Hauptverbindungsstraße, die in Mahd. Der Efekt dieser Maßnahmen lässt Nord-Süd-Richtung und durch die Ortschaf sich abschätzen, indem die veränderte verläuf, beträgt der Ackeranteil fast 100 %. Konzentrationszeit und damit der ver- Das Gebiet wird durch ein langes, ver- änderte Scheitelabfuss ermittelt und der ästeltes Grabensystem sehr feingliedrig aktuellen Situation gegenübergestellt wird. erschlossen. Die Gräben sind parallel zu den Und schließlich wird noch die Wirkung Feldwegen angelegt, die überwiegend in den einer fächendeckenden Mulchdirektsaat Tiefenlinien verlaufen (siehe das kleine, im betrachtet. Das Vorgehen entspricht dem Nordwesten gelegene, 47 ha große Teilein- Rechenweg typischer Bemessungs- und zugsgebiet in . Abb. 7.1, unten). Die Gräben Dimensionierungsaufgaben und lässt sich auf untergliedern das Teileinzugsgebiet in noch viele Anwendungsfälle übertragen. feinere Einzugsgebiete (A-D) und entwässern schließlich gemeinsam über einen in der Tiefenlinie verlaufenden Sammelgraben in 7.2.1 Bemessungsniederschlag den Allersdorfer Bach. Die Länge des künst- und abfusswirksame lichen Grabensystems übersteigt die Länge des Niederschlagshöhe Allersdorfer Bachs um ein Vielfaches. Allein im nordwestlichen Teileinzugsgebiet ist das künst- Die Bestimmung der abfusswirksamen liche Grabensystem sechsfach länger als der Niederschlagshöhe mit dem CN-Verfahren zugehörige Abschnitt des Allersdorfer Bachs. (vgl. 7 Kap. 4) erfordert die Vorgabe eines Bemessungsniederschlags sowie Informationen zur Landnutzung und hydro- 7.2 Methoden logischen Bodengruppe (vgl. 7 Anhang 8.6). Als Niederschlagsszenario wird ein Regen Um die Abfusssituation im Gebiet quantitativ mit 51 mm in 1 h angenommen. Im Einzugs- zu fassen, wird für das ausgewiesene Teil- gebiet entspricht dies einem Starkregen mit einzugsgebiet exemplarisch der Scheitel einem Wiederkehrintervall von 100 Jahren nach 161 7 7.2 · Methoden

. Abb. 7.1 Übersichtskarte des Einzugsgebietes der Ortschaft Birnbach (oben). Im Gebiet sind fein verästelte Grabensysteme vorhanden, die exemplarisch für ein Teileinzugsgebiet dargestellt sind (unten). Durch die Gräben wird wiederum in vier weitere Teilfächen (A bis D) untergliedert. (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsverwaltung)

KOSTRA (zum Vergleich, ein 30-jährlicher, über 2/3 der hydrologischen Bodengruppe C einstündiger Regen hätte eine Höhe von zugeordnet ist (nicht graphisch dargestellt). Die 41 mm) [1]. Die Landnutzung wurde aus Luf- Bewirtschafung erfolgte zum Zeitpunkt der bildern und einer Geländebegehung erhoben Geländebegehung etwa zu gleichen Teilen in und mit einer Karte der hydrologischen Hauptgefällerichtung wie parallel dazu. Bodengruppe (für Bayern verfügbar über Es wird von mittleren Feuchte- das Landesamt für Umwelt) in einem Geo- bedingungen ausgegangen und vereinfachend graphischen Informationssystem verschnitten. angenommen, dass die hydrologische Boden- Die Auswertung ergab, dass das Gebiet nahezu gruppe C das Gebiet adäquat repräsentiert vollständig ackerbaulich genutzt wird (Grün- und dass die Gesamtfäche ackerbaulich land- und Waldanteil betragen jeweils etwa genutzt wird. Für das Planungsbeispiel wird 5 %; der Anteil der Straßen an der Gesamt- daher einheitlich ein CN-Wert von 80 unter- fäche beträgt < 2 %) und dass die Fläche zu stellt. Das entspricht nach . Abb. 4.3 einer 162 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

mittleren Bodenbedeckung von 10 % bzw. . Tab. 7.1 Eingangsparameter zur nach . Tab. 4.2 einem CN-Wert, der z. B. Bestimmung der abfusswirksamen Nieder- bei Sommergetreide im April und Anfang schlagshöhe im nordwestlichen Teil des September und bei Mais Ende Mai und Einzugsgebietes des Allersdorfer Baches bei Anfang Oktober zu erwarten ist. Birnbach (Landkreis Regensburg) Für reale Planungsfälle sollte eine Parameter Einheit Wert detailliertere Berechnung erfolgen, indem Niederschlags- mm 51 die existierenden Landnutzungsformen mit höhe (N) den hydrologischen Bodengruppen verschnitten und die Abfussbildung dann für Hydrologische – C Bodengruppe jede resultierende Einheit individuell bestimmt wird. Die Dauerstufe des Niederschlags sollte CN-Wert – 80 (Getreide mit zudem der Konzentrationszeit des Ober- hoher Abfuss- neigung) fächenabfusses im Einzugsgebiet entsprechen. Da die Konzentrationszeit auf Ackerfächen 7 über das Jahr variiert, sollten ggf. Modell- regen unterschiedlicher Dauerstufen (je das Wasser in ein Grabensystem über, das nach Konzentrationszeit) und Jährlichkeiten das Wasser bis in den Allersdorfer Bach betrachtet werden, um die Größenordnung leitet (Abschnitte A2, A3 und A4). Über die typischer Abfussreaktionen einschätzen zu hydraulischen Eigenschafen der einzelnen können. Hier wird aber vereinfachend nur ein Fließpfade und die GMS-Gleichung lässt einziger, mittlerer Fall betrachtet. . Tab. 7.1 ent- sich die Fließzeit des Oberfächenabfusses in hält eine Zusammenfassung der Eingangspara- den einzelnen Abschnitten des Fließpfades meter für die Ermittlung der abfusswirksamen abschätzen. Die Summe dieser Fließzeiten Niederschlagshöhe nach dem CN-Verfahren. ergibt die Konzentrationszeit des Gebietes. Mit dem gleichen Ansatz kann auch der Ein- fuss der Grabengestaltung auf die Abfuss- 7.2.2 Ermittlung der konzentration ermittelt werden, indem Konzentrationszeit Gerinnequerschnitt und Rauheit verändert und die Fließzeiten der einzelnen Abschnitte Zur Abschätzung der Konzentrations- bei gleicher Abfussrate neu ermittelt werden. zeit wird die Geschwindigkeitsmethode Zur Parametrisierung der GMS-Gleichung (vgl. 7 Abschn. 5.3.3) verwendet. Dazu wird werden Neigung und Länge der einzelnen zunächst der längste Entwässerungsweg im Fließpfadabschnitte aus der topographischen Einzugsgebiet bestimmt und anhand von Karte bzw. dem digitalen Höhenmodell Abfusstyp, Gefälle und Fließpfadquerschnitt ermittelt. Repräsentative Querprofle der einzel- in hydraulisch ähnliche Abschnitte unter- nen Grabenabschnitte wurden im Gelände gliedert. Im Beispielgebiet gliedert er sich erfasst (A2, A3 und A4 sind überwiegend als in vier Abschnitte (. Abb. 7.2). Der erste steile, geräumte Trapeze ausgebildet). Anhand (A1) beginnt an der Wasserscheide und der kartierten Oberfächenbeschafenheit erstreckt sich über die landwirtschafliche wurden Rauheitsbeiwerte für Schichtabfuss Nutzfäche bis zum Hangfuß. Bei Stark- und den Abfuss in Gräben aus . Tab. 8.2 und regen ist hier schichtförmiger Abfuss und . Tab. 5.1 entnommen. . Tab. 7.2 enthält eine facher, konzentrierter Abfuss in Rinnen Zusammenfassung der hydraulischen Para- und Rillen zu erwarten. Am Hangfuß tritt meter der genannten Fließpfadabschnitte. 163 7 7.3 · Ergebnisse

100m und Größen bekannt, ergibt sich der Scheitel- Gl. 3.3 abfuss (qP) nach (vgl. 7 ): A1 5405600 A2 Neff qP = · AEZG 0,5 · tc + tfal · 0,06 A3 A4

5405400 7.3 Ergebnisse

5405200 7.3.1 Abfussentstehung

Die maximal mögliche Retention (S) wird 4507400 4507600 4507800 45080004508200 Wasserscheide nach 7 Gl. 4.1 ermittelt. Für den CN-Wert von Längster Teileinzugsgebiet 80 ergibt sie sich zu: Fließweg Flurstücksgrenzen 100 100 Allersdorfer Bach S = 254 · − 1 = 254 · − 1 Ortschaft CN 80 Bezugspunkt = 63,5 mm

. Abb. 7.2 Darstellung des längsten Fließwegs aus- Für die gewählte Niederschlagshöhe von gehend von einem Weg nahe der Wasserscheide bis 51 mm errechnet sich mit 7 Gl. 4.2 ein abfuss- zur Mündung in den Ortsbereich. Die einzelnen Pfeile (A1 bis A4) gliedern den Fließweg in Abschnitte mit wirksamer Niederschlag Nef von: ähnlichen hydraulischen Eigenschaften. (Geobasis- 2 2 daten: Bayerische Vermessungsverwaltung) (N − 0,2 · S) (51 − 0,2 · 63,5) N = = eff N + 0,8 · S 51 + 0,8 · 63,5 = 14,4 mm 7.2.3 Abschätzung der Scheitelhöhe Aufgrund der Teileinzugsgebietsfäche von 47 ha ist bei dem gewählten Niederschlag ein Zur Abschätzung der Scheitelhöhe wird Gesamtabfussvolumen zu erwarten in Höhe das Dreiecksganglinienverfahren ver- von (7 Gl. 2.4): wendet. Dabei bestimmen Abfusshöhe, = 0,0144 m · 470.000 m2 = 6772 m3 Einzugsgebietsgröße, Scheitelanstiegs- und Q -ablaufzeit die Scheitelhöhe (vgl. 7 Abschn. 3.2.1). Die Einzugsgebietsgröße 7.3.2 Konzentrationszeit (AEZG) ergibt sich aus Gebietseigenschafen. Abfusshöhe (Nef) und Scheitelanstiegs- 7.3.2.1 Bestimmung der Fließzeit zeit (tP) werden mit dem CN-Verfahren bzw. von Schichtabfuss und der Geschwindigkeitsmethode ermittelt, fachem, konzentriertem indem angenommen wird, dass die Scheitel- Abfuss in Rinnen und Rillen anstiegszeit (t ) der Konzentrationszeit P Der erste Abschnitt A1 führt über eine Acker- (t ) des Gebietes entspricht. Die Ablauf- C fäche von der Wasserscheide nahezu senkrecht zeit der Abfusswelle (t ) hängt von den fal nach Süden bis zum ersten Graben. Es wird Retentionseigenschafen des Einzugsgebietes angenommen, dass der Oberfächenabfuss ab. Sie berechnet sich aus dem Produkt von in diesem Abschnitt zunächst als Schicht- Konzentrationszeit und einem Formfaktor abfuss aufritt, dessen Länge rechnerisch F ( ) (hier F 1,5) (vgl. . Tab. 3.2 und − = zu bestimmen ist, weil dies aus Lufbildern 7 Gl. 3.2). Sind alle erforderlichen Parameter 164 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

. Tab. 7.2 Hydraulische Eigenschaften der Fließpfadabschnitte A1, A2, A3 und A4 (vgl. . Abb. 7.2) im Teileinzugsgebiet des Allersdorfer Bachs

Fließpfad- Abfusstyp Länge Gefälle Rauheit Sohlbreite Böschungs- 1/3 1 a abschnitt (m) (%) (m s− ) (m) neigung (m/m) A1 Schichtabfuss und 200 7,0 17 – – Abfuss in Rinnen und Rillen im Feld A2 Abfuss im trapez- 470 2,4 35 0,35 1 förmigen Graben A3 Abfuss im trapez- 180 3,0 35 0,35 1 förmigen Graben A4 Abfuss im trapez- 300 2,2 35 0,7 0,6 förmigen Graben

a 7 Defniert als Breite dividiert durch Höhe. Werte < 1 entsprechen Neigungen < 45 % und umgekehrt

1/3 1 und auch im Gelände, außer bei einem ent- Rauheit der Oberfäche k von 17 m s− und sprechenden Starkregen, nicht zu ermitteln ist. der hydraulische Radius R. Letzterer wird Danach fießt der Abfuss immer noch im Feld nach 7 Anhang 8.2.1 vereinfachend für einen in fachen Rinnen und Rillen bis zum Hangfuß. schichtförmigen Abfuss mit 2 mm geschätzt. Da die Hänge bei A1 relativ kurz, gerade und Als Fließgeschwindigkeit ergibt sich:

ohne nennenswerte Einmuldung ausgebildet 2 1 sind, ist eine Konzentration des Abfusses in v = R 3 · J 2 · k Hangmulden nicht zu erwarten. 2 1 = 0,002 3 · 0,07 2 · 17 Die Länge des Schichtabfusspfades wird − mithilfe von 7 Gl. 8.1 im Anhang anhand der = 0,07 m s 1 Rauheit der Bodenoberfäche abgeschätzt. = 7 cm s−1 Für einen Acker mit spärlicher Bedeckung (Bedeckung < 5 %), weist . Tab. 8.2 eine Rau- Dies ist ein typischer Wert für den Schicht- 1/3 1 heit von k 17 (m s− ) aus. Demnach abfuss. Wird diese Geschwindigkeit durch = ergibt sich für den Schichtabfuss eine die Länge des Schichtabfusspfades dividiert, Fließpfadlänge von: ergibt sich nach 7 Gl. 5.7 eine Fließzeit von 200 200 49 ls = √ = √ = 49 m tS = = 11,3 min k 17 60 · 0,07 Aus der Diferenz der Gesamtlänge des Für den Abfuss in Rinnen und Rillen wird Abschnitts A1 und der Fließstrecke des ebenfalls von einem Gefälle J von 7 % aus- Schichtabfusses ergibt sich die mittlere Länge gegangen. Durch die kastenförmige Aus- des Rinnen- und Rillenabfusses: spülung der Fließpfade liegt die Rauheit 1/3 = 200 − 49 = 151 m analog . Tab. 8.2 im Anhang bei k 25 m lR 1 = s− . Der hydraulische Radius R wird pauschal Auf diese beiden Fließstrecken wird nun mit 0,04 m angesetzt (7 Anhang 8.2.2). Damit die GMS-Gleichung (7 Gl. 5.5) angewendet. ergibt sich die Fließgeschwindigkeit zu: Eingangsgrößen für den Schichtabfuss sind 2 1 −1 ein Gefälle J von 7 % (bestimmt aus der topo- v = 0,04 3 · 0,07 2 · 25 = 0,8 m s graphischen Karte), die bereits festgelegte 165 7 7.3 · Ergebnisse

Durch die Konzentration des Abfusses in sowie die allgemeine Fließgleichung benötigt fachen Rillen und die geringere Rauheit (vgl. 7 Gl. 5.1) fießt der Abfuss hier bereits fast 10-mal q = v · A schneller als der Schichtabfuss. Würde die Konzentration des Abfusses in Rillen durch Dabei sind B, b und h Wasserspiegelbreite, eine höhere Rauheit, z. B. durch eine Mulch- Sohlbreite und Fließtiefe des trapezförmigen schicht, hinausgezögert, würde die Gesamt- Grabens in m. Die Böschungsneigung (m) ist zeit, die der Abfuss sich im Fließabschnitt dimensionslos, R ist der hydraulische Radius A1 bewegt, deutlich verlängert. Wird die in m, J das Gefälle (dimensionslos) und k der 1/3 1 Länge der Rinnen und Rillen durch die Rauheitsbeiwert in m s− . In der letzten Fließgeschwindigkeit dividiert, resultiert eine Formel steht v für die Fließgeschwindigkeit in 1 mittlere Fließzeit von: m s− , die Querschnittsfäche hat die Einheit 151 m2. t = = 3,3 min R 60 · 0,8 Werden die Gleichungen aus . Abb. 8.4, 5.5 und 5.1 ineinander eingesetzt und durch die Einzugsgebietsfäche dividiert, ergibt sich 7.3.2.2 Bestimmung der Fließzeit die Abfussspende (qs) in Abhängigkeit von in den Wegseitengräben der Fließtiefe (h) nach:

Erreicht der Oberfächenabfuss am Hangfuß 2 das Ende von Abschnitt A1, tritt er in den (b + m · h) · h 3 1 qs(h) = √ · J 2 · k Wegseitengraben über. Letzterer verläuf b + 2 h 1 + m2 zunächst nach Osten bis zur T-Kreuzung 1 1 der Straße (Abschnitt A2). Dort führt eine · (2b + 2m · h) · h · 2 AEZG Verrohrung in einen kurzen, in Nord- Süd-Richtung verlaufenden Graben Die Gleichung kann nun gelöst werden, (Abschnitt A3), der am südlichsten Punkt indem die Werte eingesetzt und die Fließtiefe an den Sammelgraben (Abschnitt A4) h schrittweises (iterativ) verändert wird, . Abb. 7.2 angeschlossen ist ( ). bis das resultierende qs etwa der erforder- 1 Die Fließzeit in den Grabenabschnitten lichen Abfusshöhe von 14,4 mm h− ent- wird indirekt geschätzt, da für die GMS- spricht. Dazu wird der Abfuss im Graben Gleichung die Fließtiefe erforderlich ist. Daher unter Berücksichtigung der Einzugsgebiets- muss zunächst die Fließtiefe näherungs- fäche (AEZG) am Übergang von A2 nach A3 weise berechnet werden. Dazu werden die (A 10 ha bzw. 100.000 m2) berechnet EZG = Gleichungen aus . Abb. 8.4 zur Bestimmung (stationäre Bedingungen). Für das gewählte von Gerinnequerschnittsfäche (A) und Regenereignis ergibt sich eine Fließtiefe im hydraulischem Radius (R) von Trapezen, ersten, 470 m langen Grabenabschnitt von 1 1 rund 34 cm: = + · = 2 + 2 · · A (B b) h ( b m h) h 2 2 2 (0,35 + 1 · 0,34) · 0,34 3 1 qs = √ · 0,024 2 · 35 und 0,35 + 2 · 0,34 1 + 12 1 1000 · 3600 (b + m · h) · h · (2 · 0,35 + 2 · 1 · 0,34) · 0,34 · R = √ 2 100.000 2 b + 2 h 1 + m ≈ 14,3 mm h−1 und die GMS-Gleichung (vgl. 7 Gl. 5.5), Ist die Fließtiefe bekannt, lässt sich die 2 1 v = R 3 · J 2 · k Fließgeschwindigkeit abschätzen: 166 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

2 3 Der Sammelgraben (A4) entwässert nun 2 1 (b + m · h) · h 1 v = R 3 · J 2 · k = · J 2 · k nahezu das komplette Teileinzugsgebiet von 2 b + 2 h 1 + m 47 ha bis zum Bezugspunkt. Die Bestimmung 2 (0,35 + 0,34) · 0,34 3 1 der Fließzeit erfolgt analog zu dem Vor- = √ · 0,024 2 · 35 Tab. 7.2 0,35 + 2 · 0,34 1 + 1 gehen bei A2 und A3 mit den in . genannten Größen. Um die gewünschte = 1,7 m s−1 Abfusshöhe zu erreichen, ist eine Fließtiefe Durch Division von Fließstrecke und von 68 cm erforderlich. -geschwindigkeit ergibt sich die Fließzeit im 2 (0,7 + 0,6 · 0,68) · 0,68 3 1 ersten Grabenabschnitt zu: qs = √ · 0,022 2 · 35 0,7 + 2 · 0,68 1 + 0.62 l 470 1 1000 · 3600 t = = = 4,6 min · (2 · 0,7 + 2 · 0,6 · 0,68) · 0,68 · v 1,7 · 60 2 470.000 ≈ 14,3 mm h -1 Für den in Nord-Süd-Richtung verlaufenden Grabenabschnitt A3 und den Teil des Nach den gleichen Prinzipien wie oben 7 Sammelgrabens bis zum Beginn der Ort- ergeben sich die mittlere Fließgeschwindigkeit schaf (A4) werden die Rechenschritte ana- zu log wiederholt. Die Einzugsgebietsfäche am 2 Übergang von A3 zu A4 beträgt etwa 12 ha. In 2 1 (b + m · h) · h 3 1 v = R 3 · J 2 · k = √ · J 2 · k A3 ergibt sich eine ähnliche mittlere Fließtiefe b + 2h 1 + m2 2 von rund 0,35 m, da sich die entgegengesetzt 3 (0,7 + 0,6 · 0,68) · 0,68 1 gerichteten Wirkungen der größeren Ein- = · 0,022 2 · 35 0,7 + 2 · 0,68 1 + 0,62 zugsgebietsfäche und des höheren Gefälles − kompensieren: = 2,5 m s 1

2 (0,35 + 1 · 0,35) · 0,35 3 1 und die mittlere Fließzeit zu: qs = √ · 0,03 2 · 35 0,35 + 2 · 0,35 1 + 12 l 300 1 1000 · 3600 t = = = 2,0 min · (2 · 0,35 + 2 · 0,35) · 0,35 · v 2,5 · 60 2 120.000 ≈ 14,4 mm h -1 Entsprechend der einzelnen Abschnitte des Fließpfads ergibt sich von der Wasserscheide Gegenüber dem ersten Grabenabschnitt ist die bis zum Erreichen des Bezugspunktes im mittlere Fließgeschwindigkeit in A3 durch das Sammelgraben am Ortseingang von Birn- höhere Gefälle geringfügig höher: bach für den Oberfächenabfuss eine mittlere 2 1 Konzentrationszeit (t ) von: v = R 3 · J 2 · k C 2 tC = 11,3 + 3,3 + 4,6 + 1,5 + 2,0 ≈ 23 min (b + m · h) · h 3 1 = √ · J 2 · k b + 2 h 1 + m2 Obwohl der Fließweg, auf dem der Abfuss 2 schichtförmig fießt, nur 49 m oder 5 % der (0,35 + 1 · 0,35) · 0,35 3 1 = √ · 0,03 2 · 35 gesamten Fließstrecke bis zum Ende von A3 0,35 + 2 · 0,35 1 + 1 ausmacht, verweilt hier der Abfuss 50 % der = 2,0 m s−1 gesamten Abfussdauer. Das heißt, dass in diesem Fall die Dämpfung der Hochwasser- Daraus errechnet sich die mittlere Fließzeit zu: welle auf den ersten 49 m genauso stark ist l 180 wie auf den folgenden 1100 m. Dies zeigt die t = = = 1,5 min v 2,0 · 60 fatale Wirkung der Bündelung des Abfusses bzw., wie nützlich es ist, wenn der Abfuss 167 7 7.3 · Ergebnisse möglichst lange schichtförmig fießt. Das um Faktor 10 bis 100 höher ist als in den Tal- ist der wesentliche Vorteil von Grünland lagen, direkt und ungepufert in das primäre oder einer Mulchdirektsaat mit einer durch- Fließgewässernetz. Daher ist es wenig ver- gehenden Bodenbedeckung 30 %, wo das wunderlich, dass Zusammenhänge zwischen ≥ Einschneiden in Rillen und Rinnen normaler- Landnutzungsefekten, Feinsedimentdeposition weise nicht erfolgt. Für Grünland hätte man und den aquatischen Lebensgemeinschafen über die ganzen 200 m von Abschnitt A1 nachgewiesen wurden [2, 3]. schichtförmiges Fließen mit einer entsprechend starken Dämpfung der Hoch- wasserwelle annehmen können. 7.3.3 Scheitelabfussrate bei Selbst im unteren Teilstück von A1, in dem Starkregen der Abfuss bereits in Rillen und Rinnen fießt, ist die Fließgeschwindigkeit nur halb so hoch Anhand der Oberfächenabfusshöhe Nef in wie in den Gräben, obwohl die Neigung des mm, der Scheitelanstiegszeit tP in min (die Feldes mehr als doppelt so stark ist, wie die der tC gleichgesetzt wird), der Zeit des fallenden Gräben. Dies zeigt die starke Beschleunigung, Wellenastes tfal in min und der Gesamtgröße des die ein Abfuss durch Einengung in ein glattes 2 Teileinzugsgebietes AEZG in km lässt sich über Gerinne erfährt. Je länger der Abfuss breit das Dreiecksganglinienverfahren der Abfuss- fießen kann und je breiter er fießt, nachdem 1 scheitel qP in l s− für das gewählte Starkregen- er gebündelt wurde, umso länger und stärker szenario abschätzen. Wird vereinfachend davon gedämpf ist er unterwegs. Der moderne Wege- ausgegangen, dass die Teilgebiete B und C und Straßenbau kann also höchst problematisch identische Konzentrationszeiten wie Teilgebiet für den Landschafswasserhaushalt sein, weil A aufweisen, überlagern sich die Abfusswellen dadurch of ein sekundäres Gewässernetz ent- der einzelnen Teilfächen beim Eintritt in den steht, dass durch Oberfächen- und Zwischen- Sammelgraben A4 linear (ungünstigster Fall). abfuss bei starken Niederschlägen aktiviert Für diesen Fall bestimmt die Flächengröße die wird (. Abb. 7.3). Es leitet Abfuss und Abtrag Scheitelhöhe und bei einem 100-jährlichen aus den Hanglagen, wo der Abtrag mindestens Starkregen muss mit einem Spitzenabfuss von 1 knapp 4000 l s− gerechnet werden.

Neff qP = · A 0,5 · tc + tfal · 0,06 14,4 = · 0,47 0,5 · (23 + 1,5 · 23) · 0,06 = 3970 1 s−1

7.3.4 Einfuss der Grabengestaltung auf Abfusskonzentration und Scheitelabfussrate

Um Möglichkeiten der Grabengestaltung . Abb. 7.3 Selbst kleine Entwässerungsgräben (hier zur Minderung des Abfussscheitels ein- der Wegseitengraben eines Feldwegs) beschleunigen zuschätzen, wird angenommen, dass die den Abfuss stark, wie deutlich am unterschiedlichen Strömungsmuster im Graben links und auf dem Feld bestehenden Wegseitengräben aufgeweitet und abgefacht werden (Sohlbreite b 1,5 m rechts zu erkennen ist = 168 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

für A2 und A3 bzw. 2 m für A4, Böschungs- dichte, abfussbremsende Mulchdecke. Durch neigung m einheitlich 2,5) und sich durch die noch aufrechtstehenden, verwurzelten den Verzicht auf eine regelmäßige Mahd ein Stängel ist die Mulchdecke hervorragend dichter, hydraulisch rauer Bewuchs einstellt gegen Abschwemmung geschützt. Gleichzeitig 1/3 1 (Rauheitsbeiwert k von 20 m s− ). Werden erfüllt die Mulchdirektsaat auch die konträren die dargestellten Rechenschritte für diese Forderungen, die an ein optimales Saatbett Randbedingungen wiederholt, erhöht sich die gestellt werden und die normalerweise nur Fließzeit gegenüber dem aktuellen Zustand durch aufwendige Bodenbearbeitung gleich- um 30 % von rund 23 auf 30 min. . Tab. 7.3 zeitig realisiert werden können: Der für die fasst die Berechnungsergebnisse für einen Keimung notwendige kapillare Anschluss des Abfuss von 14,4 mm zusammen. Saatkorns ist durch die zehnmonatige Boden- Wird nun die längere Fließzeit von rund setzung ohne weitere Bearbeitung ideal. Im 30 min verwendet, um den Abfussscheitel am konventionellen Saatbett muss dies dagegen Bezugspunkt zu schätzen, errechnet sich aus durch eine technische Bodenverdichtung dem Dreiecksganglinienverfahren eine um 25 % erzeugt werden. Gleichzeitig verringert die 1 7 reduzierte Scheitelhöhe von rund 3000 l s− : Mulchschicht die Bodenverdunstung und Neff damit einen unproduktiven Wasserverlust. Im qP = · A 0,5 · tc + tfal · 0,06 konventionellen Saatbett erreicht man dies 14,4 durch eine wenige Zentimeter dicke, durch = · 0,47 intensives Zerschlagen von Bodenaggregaten 0,5 · (29,5 + 1,5 · 29,5) · 0,06 erzeugte Schicht, die auf der Verdichtungs- −1 = 3055 l s zone aufiegt. Diese Schicht aus Feinbröckeln ist hydraulisch glatt und wird rasch durch 7.3.5 Wirkung einer Regen weiter geglättet, da die Bröckel durch fächendeckenden die intensive Bearbeitung instabil sind [4]. Mulchdirektsaat Sobald Oberfächenabfuss aufritt, kann Fein- material von dieser auf der Verdichtungs- Würde dagegen die Bewirtschafungsrichtung zone aufiegenden Feinbröckelschicht leicht um 90° gedreht, was z. B. im Teilgebiet A ein- abgeschwemmt werden. Die Erosionsrate ist fach möglich wäre, und würde fächendeckend dann hoch. Bei Mulchdirektsaat verhindert auf Mulchdirektsaat umgestellt, könnte für dagegen die Mulchschicht ein Verschlämmen das fächenhafe Fließen statt einem Rauheits- und hält die Infltrationsrate hoch. Wird die 1/3 1 1/3 1 beiwert von 17 m s− einer von 8 m s− Infltration trotzdem überschritten, baut sich angenommen werden (vgl. . Tab. 8.2). eine dicke Wasserschicht auf, die zusätzlich Dieser niedrige Rauheitsbeiwert kommt zur Mulchschicht ein Aufrefen der Regen- daher, dass bei Mulchdirektsaat eine raue, tropfen auf der Bodenoberfäche und die abfussbremsende Bodenoberfäche selbst Produktion von abschwemmbarem Fein- zehn Monate nach der Bodenbearbeitung material reduziert [5, 6]. noch erhalten bleibt (. Abb. 7.4), weil die Durch diese Maßnahme würde, weil das abfrierende Zwischenfrucht in ein sehr raues Wasser nun langsamer fießt und sich dadurch Saatbett gesät werden kann. Die sich im auch erst später in Rillen und Rinnen bündelt, August rasch entwickelnde Zwischenfrucht die Fließzeit im Feld auf 26 min steigen (rund schützt diese Rauheit vor der einebnenden 80 % mehr) und entsprechend der Hoch- 1 Wirkung der Witterung, sodass sie selbst im wasserscheitel auf rund 2600 l s− (34 % Mai, wenn der Mais keimt, noch zum großen weniger als im aktuellen Zustand) sinken. Teil vorhanden ist. Zusätzlich liefern zunächst Weil dadurch aber auch die Infltration die wachsende Zwischenfrucht und dann verbessert wird (nach 7 Gl. 4.8 und 4.9 kann nach dem Winter ihre abgefrorenen Reste eine für Mulchdirektsaat und konturparallelen 169 7 7.3 · Ergebnisse

. Tab. 7.3 Zusammenfassung der Berechnungen für die Grabenabschnitte A2, A3 und A4 bei einer Abfussrate von 14,4 mm h-1 eines 100-jährlichen Regens. „Aktuell“ gilt für die gegenwärtige Graben- gestalt, das Szenario „Aufgeweitet + Bewuchs“ gilt für fachere und hydraulisch raue Verhältnisse

Parameter Aktuell Aufgeweitet & Bewuchs

A2 Sohlbreite b (m) 0,35 1,5 Böschungsneigung m (m m-1) 1,0 2,5 Fließtiefe d (m) 0,34 0,21 Wasserspiegelbreite B (m) 1,0 2,6 Grabenöffnungsweite (m) 1,8 5,0 Durchfossene Querschnittsfäche A (m2) 0,23 0,43 Hydraulischer Radius R (m) 0,18 0,16

1 Fließgeschwindigkeit v (m s− ) 1,7 0,9 Mittlere Abfussrate Q bei AEZG=10 ha (l s-1) 400 400 Fließzeit Abschnitt A2 (min) 4,6 8,5 A3 Sohlbreite b (m) 0,35 1,5 Böschungsneigung m (m-1) 1,0 2,5 Fließtiefe d (m) 0,35 0,22 Wasserspiegelbreite B (m) 1,1 2,6 Grabenöffnungsweite (m) 1,8 5,0 Durchfossene Querschnittsfäche A (m2) 0,25 0,45 Hydraulischer Radius R (m) 0,18 0,17

1 Fließgeschwindigkeit v (m s− ) 2,0 1,1

-1 Mittlere Abfussrate Q bei AEZG=12 ha (l s ) 480 480 Fließzeit Abschn. A3 (min) 1,5 2,8 A4 Sohlbreite b (m) 0,70 2 Böschungsneigung m (m-1) 0,60 2,5 Fließtiefe d (m) 0,68 44 Wasserspiegelbreite B (m) 1,5 4,2 Grabenöffnungsweite (m) 1,5 5,5 Durchfossene Querschnittsfäche A (m2) 0,76 1,4 Hydraulischer Radius R (m) 0,33 0,31

1 Fließgeschwindigkeit v (m s− ) 2,5 1,4

-1 Mittlere Abfussrate Q bei AEZG=47 ha (l s ) 1880 1880 Fließzeit Abschn. A4 (min) 2,0 3,7 A1 Fließzeit im Feld (schichtförmig + Rinnen + Rillen) (min) 14,6 14,6 A1–A4 Summe Fließzeit (min) 22,7 29,5 Summe relativ (%) 100 130 170 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

Aktueller Zustand Graben- aufweitung Verzogerung Mulch & Konturb. Volumenred. Mulch & Konturb. Kombinierter E ekt 20 40 60 80 100 Relative Scheitelhöhe (%) . Abb. 7.4 Raue, abfussbremsende Bodenober- fäche selbst zehn Monate nach der Bodenbe- . Abb. 7.5 Exemplarische Darstellung der arbeitung bei Mulchdirektsaat. (Bildquelle: Robert potenziellen Reduktion des Abfussscheitels durch 7 Brandhuber) Maßnahmen zur Volumenreduktion und Abfuss- verzögerung in der Flur bei kurzen, schauerartigen Starkregenereignissen in einem Teileinzugsgebiet des Anbau ein CN-Wert von 69 angesetzt Allersdorfer Baches werden), würden bei diesem Szenario nur 5,3 mm anstelle von 14,4 mm abfießen (ca. 60 % weniger; diese enorme Wirkung (. Abb. 7.5). Das Überfutungsrisiko für die wurde auch in Beregnungsversuchen nach- Gemeinde sollte damit deutlich reduziert gewiesen [7]). Dadurch würde das Wellen- werden können – oder umgekehrt: Die volumen und damit der Abfussscheitel um wiederkehrenden Hochwasserschäden sind 1 durch den Menschen verursacht. weitere 40 % auf rund 1000 l s− gesenkt. In der Folge führt das gesamte Entwässerungs- Die Efekte der einzelnen Maßnahmen sind system weniger Wasser. Dadurch wiederum in . Abb. 7.5 gegenübergestellt. Sie gelten nur fießt auch in den folgenden Abschnitten, für das betrachtete Gebiet und die genannten den Rillen und Rinnen und in A2 bis A4, der Randbedingungen. Eine exakte Trennung Abfuss aufgrund der geringen Schichtdicke und Quantifzierung der einzelnen Efekte langsamer, was den Abfussscheitel weiter ist streng genommen nicht möglich, da sie senkt, und zwar um 5 %. Als willkommener ineinandergreifen. Die Auswertung soll nur „Nebenefekt“ wird gleichzeitig auch der den Beitrag der einzelnen Maßnahmen zur Bodenabtrag mehr als halbiert, was die Gesamtwirkung exemplarischen verdeutlichen. Bodenfruchtbarkeit erhöht und die Graben- räumungskosten senkt. Weil die Gräben nun sehr viel weniger verschlammen, macht es 7.4 Zusammenfassung erst wirklich Sinn, die Fließgeschwindigkeit in den Gräben durch eine Umgestaltung zu In der Ortschaf Birnbach treten immer vermindern. Kombiniert man also die ver- wieder kleinere Überschwemmungen auf. änderte Flächenbewirtschafung mit der oben Ursache sind die Kessellage der Ortschaf, die dargestellten, veränderten Grabengestaltung, fächendeckend landwirtschafliche Boden- kann der Hochwasserscheitel eines kurzen, nutzung und die durch Gräben künstlich schauerartigen Niederschlags im betrachteten beschleunigte Abfusskonzentration im Ein- Gebiet um bis zu 80 % reduziert werden zugsgebiet. Die Gräben sammeln und bündeln 171 7 Literatur den bei Starkregen anfallenden Oberfächen- kleinen Retentionsbecken (besonders entlang abfuss und leiten ihn direkt in und durch der Fließstrecke A2 und am Übergang von Teilbereiche der Ortschaf. A3 zu A4). Um den Einfuss der Gräben (und der Flächennutzung) auf die Abfusssituation ein- zuschätzen, wurden exemplarisch potenzielle Literatur Spitzenabfüsse und Fließzeiten des Ober- fächenabfusses in einem Teileinzugsgebiet für 1. Brandhuber R, Treisch M, Fischer F et al (2017) einen etwa 100-jährlichen Starkregen ermittelt. Starkregen, Bodenerosion, Sturzfuten. Schriftenr Dabei wurde der aktuelle Zustand des Gebietes Bayer Landesanst Landwirtsch 2: Freising 2. Bierschenk AM, Mueller M, Pander J, Geist J (2019) mit einem Szenario verglichen, bei dem die Impact of catchment land use on fsh community vorhandenen Wegseitengräben stark auf- composition in the headwater areas of Elbe, geweitet und bewachsen, d. h. hydraulisch rau Danube and Main. Sci Total Environ 652:66–74 angelegt sind. Der Vergleich ergab, dass sich 3. Knott J, Mueller M, Pander J, Geist J (2019) durch eine (durchgehende) Veränderung der Effectiveness of catchment erosion protection measures and scale-dependent response of Grabengestalt die Abfusskonzentration in stream biota. Hydrobiologia 830:77–92 dem ausgewählten Teileinzugsgebiet um rund 4. Auerswald K (1993) Infuence of initial moisture 30 % verzögern und der Scheitel der Abfuss- and time since tillage on surface structure welle um 25 % reduzieren ließe. Bei einer breakdown and erosion of a loessial soil. Catena weiterreichenden Veränderung (zusätzlich Suppl 24:93–101 5. Palmer RS (1964) The infuence of a thin water fächendeckende Umstellung auf Mulchdirekt- layer on waterdrop impact forces. IAHS Publ saat und hangparallele Bewirtschafung) wäre 65:141–148 eine Abfussminderung um 50 % und mehr 6. Poesen J, Savat J (1981) Detachment and trans- gegenüber der aktuellen Situation zu erwarten portation of loose sediments by raindrop splash – und eine Minderung des Hochwasserscheitels Part II: Detachability and transportability measurements. Catena 8:19–41 um 80 %. Eine weitere Reduktion wäre mit 7. Kainz M (1989) Runoff, erosion and sugar beet überschaubarem Aufwand möglich durch yields in conventional and mulched cultivation. gezielte Heterogenisierung des Anbaus (z. B. Soil Technol Ser 1:103–114 Streifenanbau) oder durch die Anlage von 172 Kapitel 7 · Anwendungsbeispiel zur quantitativen Abschätzung …

7 173 8

Anhang

8.1 Wirksamkeit dezentraler Maßnahmen zur Abfussminderung – 174 8.2 Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade – 174 8.3 Das Verhältnisverfahren zur Bestimmung des Scheitelabfusses – 184 8.4 Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen – 188 8.5 Bestimmung der Abfusshöhe nach Lutz – 202 8.6 Hydrologische Bodengruppe – 208 8.7 Wegebau und Wasserführung – 211 8.8 Kartierung von Fließwegen im Gelände – 215 8.9 Geodaten und Geodatenanalyse – 216 8.10 Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen, bei Vorverschlämmung, bei natürlichen Regen und bei aufeinanderfolgenden Regen – 217 Literatur – 224

8.1 Wirksamkeit dezentraler wie Mulch, Pfanzenteilen oder Steinen den Maßnahmen zur Abfuss stark bremst. Zusätzlich bremsen Abfussminderung auch die aufrefenden Regentropfen, da sie Turbulenzen erzeugen und selbst beschleunigt Siehe . Tab. 8.1. werden müssen. Und auch der erosions- bedingte Feststofransport verbraucht Energie. 8.2 Hydraulische Eigenschaften Wegen der rauheitsfördernden Wirkung unterschiedlicher von Mulch bremsen konservierende Boden Abfusstypen und Fließpfade bearbeitungs- und Bewirtschafungs- weisen den Schichtabfuss deutlich ab. Mehr Tab. 8.2 In diesem Anhang sind hydraulische Grund- als der Faktor 5 ist möglich (. ). lageninformationen für unterschiedliche Berücksichtigt man weiter, dass durch Ver- Abfusstypen und Fließpfade zusammen- schlämmung der Rauheitsbeiwert um den gefasst, die z. B. zur Bestimmung der Faktor 4 ansteigen kann, kann der Unter- Konzentrationszeit eines Einzugsgebietes mit schied zwischen unbedeckten und stark ver- der Geschwindigkeitsmethode von Bedeutung schlämmten Oberfächen und dicht bedeckten 8 sein können. Der Anhang gliedert sich nach Oberfächen mehr als den Faktor 20 betragen. den Abfusstypen in 1) Schichtabfuss, 2) Es sei aber noch auf eine weitere Wirkung Abfuss in Rinnen, Rillen und Hangmulden, dichter Bodenbedeckung hingewiesen, die sich 3) Abfuss in Gräben, teilgefüllten Rohren nicht direkt in der GMS-Gleichung bemerk- und anderen ofenen Gerinnen, sowie in 4) bar macht. Je höher die ungerichtete Rau- Ansätze zur Bestimmung der Fließzeit durch heit, z. B. durch Mulch, umso länger wird die Wasserkörper und Feuchtgebiete. Das letzte Fließstrecke mit schichtförmigem Fließen, Unterkapitel 5) fasst Berechnungsansätze zur da sich mit zunehmender Bodenbedeckung Bestimmung des hydraulischen Radius für das Wasser weniger leicht eigene Bahnen unterschiedliche Gerinnetypen zusammen. schafen und zusammenfießen kann. In eigenen Bahnen fießt Wasser aber immer viel schneller, als wenn es breitfächig fießt. Dies 8.2.1 Schichtabfuss beruht auf dem Einfuss des hydraulischen Radius und weil so niedrige Rauheitsbeiwerte, Die Fließgeschwindigkeit des Schicht- wie sie beim breitfächigen Abfuss möglich abfusses wird mit der GMS-Formel ermittelt sind, beim konzentrierten Abfuss nie auf- (7 Gl. 5.5), wobei ein typischer hydraulischer treten. Radius von 0,2 cm angesetzt wird (übliche Ist die Größenordnung der Fließgeschwin Spannweite 0,1–0,6 cm). In Ausnahme- digkeit des Schichtabfusses bekannt, kann die Gl. 5.3 fällen, bei denen ein Einschneiden oder Fließzeit nach 7 ermittelt werden. Dazu Zusammenlaufen des Abfusses erschwert wird zunächst die Länge des Schichtabfuss- ist, z. B. auf versiegelten Parkplätzen, können pfades lS pauschal oder mithilfe einfacher bei extremen Regen auch Schichtdicken Annahmen abgeschätzt. Als pauschaler, eher von 1–2 cm aufreten [18, 19]. Die Rau- konservativer Wert werden 30 m empfohlen heitsbeiwerte für Schichtabfuss (. Tab. 8.2) [22]. Um dem Einfuss der Rauheit Rechnung Gl. 8.1 sind wesentlich niedriger als die von zu tragen, wird 7 vorgeschlagen. Sie konzentriertem Abfuss in ofenen Gerinnen. ergibt bei stark verschlämmten Oberfächen Dies liegt an den geringen Fließtiefen, eine typische Fließlänge von 21 m, in den wodurch das Mikrorelief aus Feststofen meisten Fällen des Ackerbaus eine Fließlänge 175 8 8.2 · Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade

. Tab. 8.1 Wirkung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen in kleinen Einzugsgebieten. Die Minderung des Wellenscheitels ist meist in Prozent angegeben und bezieht sich auf bestimmte Wieder- kehrintervalle von Abfüssen, wie dem 5-, 10-, 20-, 50- oder 100-jährlichen Hochwasser (HQ5,HQ10, HQ20, HQ50 bzw. HQ100), oder Niederschlägen (z. B. N10, N20, N50, usw.). Abweichende Angaben sind gesondert gekennzeichnet. Bei Rückhaltebecken sind Beckenzahl, mittleres und, soweit bekannt,

minimales und maximales Volumen (Vmittel, Vmin, Vmax) angegeben. Weiter wird in Spalte „Art“zwischen Simulationsergebnissen (S) und Messdaten (M) unterschieden. Die Tabelle ist nach der Gebietsgröße sortiert. Es wurden nur Gebiete <75 km2 berücksichtigt. Falls in einer Studie unterschiedliche Maßnahmen untersucht wurden, sind diese in individuellen Zeilen aufgeführt (Daten verändert nach [1]).

Projekt-, Gebiets- oder Art Maßnahme Gebietsgröße Erzielte Gewässerbezeichnung Scheitel-minderung [Quelle]

Einfuss von Kleinstrück- M 4 Rückhaltebecken 17 ha Faktor 3 bei großen 3 haltebecken auf Erosion (Vmittel = 366 m , natürlichen Regen 3 und Wasserqualität in Vmin = 221 m , 3 landwirtschaftlichen Ein- Vmax = 486 m ) zugsgebieten [2] Messung und M/S Zwei verschiedene Ca. 20 ha 45 % bei N10, Modellierung von begrünte Abfuss- bis zu 70 % des konzentriertem Abfuss mulden Gesamtabfusses in begrünten Abfuss- mulden [3, 4] Einfuss von S Begrünte Abfuss- 0,1–1 km2 40 % unter Einzugsgebietsgröße mulden ungünstigen und Landnutzung auf Bedingungen, die Effektivität begrünter 15 % bis N50 Abfussmulden Wirkung verschiedener S Aufforstung von 14 auf 6 bzw. 9 km2 Reduktion des Landnutzungen auf 100 % Abfussvolumens Oberfächenabfuss und 100 % bei HQ5, Bodenerosion 20 % bei HQ100 Wirkung verschiedener S Vollständige 6 bzw. 9 km2 Abfussminderung Landnutzungen auf Umstellung auf Direkt- mindestens Oberfächenabfuss und saat 17 % bei N100 Bodenerosion DBU-Projekt „Hoch- S Vollständige Auf- 3,5 km2, 88 % (Gottleuba), wasserschutz und forstung der landwirt- 6,2 km2 72 % (Trebnitz) bei naturschutzgerechte schaftlichen Flächen HQ100 Behandlung umwelt- geschädigter Wälder und Offenlandbereiche der Durchbruchstäler des Osterzgebirges“ Hochwasser und Natur- S Umwandlung Acker- 16,7 km2, 10–20 % schutz im Weißeritzkreis fächen in Grünland, 7,4 km2 (Höckenbach), (HochNatur) (DBU-Projekt Zwischenfruchtanbau, 10–30 % (Weißbach) 21278) Aufforstung, Komplett- bei HQ100 bewaldung

(Fortsetzung) 176 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.1 (Fortsetzung)

Projekt-, Gebiets- oder Art Maßnahme Gebietsgröße Erzielte Gewässerbezeichnung Scheitel-minderung [Quelle] DBU-Projekt „Hoch- S Etablierung von Ufer- 7,4 km2 ~14 % bei HQ5, wasser- und Naturschutz gehölzen ~24 % bei HQ100 im Weißeritzkreis“ (HochNatur) Reduzierung des Hoch- S Begrünte Abfuss- 7,6 km2 2 % bei HQ1, HQ10, wasserabfusses durch mulden HQ50 und Q100 unterschiedliche Boden- bearbeitungsverfahren und Bewirtschaftungs- formen Reduzierung des Hoch- S Organischer Landbau 7,6 km2 2 % bei HQ10, wasserabfusses durch 1 % des HQ50 unterschiedliche Boden- bearbeitungsverfahren 8 und Bewirtschaftungs- formen Obere Blies S 5 Rückhaltebecken 8,5 km2 50 % bei HQ 100 3 (Vmittel = 10.863 m , 3 Vmin = 149 m , 3 Vmax = 41.036 m ) DBU-Projekt „Hoch- S Renaturierung des 11 km2 25–30 % bei HQ100 wasser und Naturschutz Grundbachgebietes im Weißeritzkreis“ (HochNatur) Thalfanger Bach S 5 Rückhaltebecken 17 km2 20 % bei HQ50 3 (Vmittel = 25.400 m ) Thalfanger Bach S 5 Rückhaltebecken 17 km2 30 % bei HQ100 3 (Vmittel = 13.961 m , 3 Vmin = 1800 m , 3 Vmax = 50.000 m ) Thalfanger Bach S Tiefockerung von 17 km2 <5 % bei HQ10 Ackerstandorten und Wegebau-Maßnahmen Flurneuordnung und S 119 Rückhaltebecken 17 km2 Schutz vor 20-jähr- 3 Dorferneuerung in der (Vmittel = 250 m ) lichen Ereignissen Geisenfelder Gruppe Umsetzung erosions- M/S Konservierende Boden- 17 km2 Direktabfuss- mindernder und hoch- bearbeitung reduktion um bis zu wasserreduzierender 50 % bei N5–N10 Maßnahmen im Einzugsgebiet des Stausees Baderitz

(Fortsetzung) 177 8 8.2 · Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade

. Tab. 8.1 (Fortsetzung)

Projekt-, Gebiets- oder Art Maßnahme Gebietsgröße Erzielte Gewässerbezeichnung Scheitel-minderung [Quelle] Paar S Aufforstung von 31 auf 38 km3 Reduktion des 43 % und 100 % mittleren Hoch- wasserabfusses um 8, 38 und 46 % Umweltverträglicher S Gewässerrenaturierung 50 km2 ~ 10 % des HQ1, Hochwasserschutz an der ~ 20 % des HQ20, Bauna ~ 15 % des HQ100 Umweltverträglicher S 28 Rückhaltebecken 50 km2 ~ 18 % des HQ5, 3 Hochwasserschutz an der (Vmittel = 12.050 m , ~ 10 % bei HQ10- 3 Bauna Vmin = 1500 m , HQ50, 3 Vmax = 50.000 m ) ~ 20 % des HQ100 Untersuchung S 19 Rückhaltebecken, 65 km2 14 % des HQ10, 3 dezentraler Hochwasser (Vmittel = 13.150 m , 10 % des HQ100 3 schutzmaßnahmen, Vmin = 1500 m , 3 Windacheinzugsgebiet Vmax = 50.000 m ) Untersuchung S Auwaldrenaturierung 65 km2 6 % des HQ10, dezentraler Hochwasser an den Windach- 5 % des HQ100 schutzmaßnahmen, zufüssen Windacheinzugsgebiet Untersuchung S Naturnahe Mischwald- 65 km2 20 % des HQ10, dezentraler Hochwasser aufforstung von 25 3–11 % des HQ100 schutzmaßnahmen, auf 40 % des Einzugs- Windacheinzugsgebiet gebiets Untersuchungen an der S Rückhaltebecken 75 km2 20–35 % des HQ100 3 Oberen Elsenz, Kraichgau (Vmittel = 13.150 m )

um die 50 m, bei Querbearbeitung und hoher heitlich glatte, of auch verschlämmte Ober- Mulchbedeckung bis zu 100 m, ebenso im fäche aus. Bündelt sich der Schichtabfuss Wald. zu fachem konzentriertem Abfuss, bilden sich auf der Bodenoberfäche Rillen, die den = 200√ ls (8.1) Abfuss zusammenführen. Die Länge des k Schichtabfusses ergibt sich daher aus der mit mittleren Entfernung zwischen der Wasser- lS - Pfadlänge des Schichtabfusses (m) scheide und dem Aufreten der ersten Rillen [23]. Für detaillierte Untersuchungen lässt sich Bei Dammkulturen beschränkt sich der lS nach Starkregenereignissen im Feld oder fächenhafe Abfuss auf die Dammfanken. mit Lufbildern anhand von Änderungen in Die Fließstrecke bleibt daher im Bereich der Struktur der Bodenoberfäche abschätzen weniger Dezimeter und kann vernachlässigt [23]. Von Schichtabfuss überströmte Bereiche werden. Entsprechend bedeutender ist der zeichnen sich üblicherweise durch eine einfache konzentrierte Abfuss. 178 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.2 Rauheitsbeiwerte k für Schichtabfuss und für fachen konzentrierten Abfuss mit Fließtiefen ≤ 3 cm. Werte für konzentrierten Abfuss > 5 cm sind . Tab. 5.1 zu entnehmen. Für Fließtiefen zwischen 3 und 5 cm ist zwischen den Werten beider Tabellen zu interpolieren

Bedeckung/Bearbeitung Bodenbedeckunga (%) k Quelle

Asphalt, Betondecken, verschlämmte 91 [20] Oberfächen Wassergebundene Decken 50 [20] Bestellte Ackerfächen <5 17 [21] 5–30 12 [21] 30–70 5 [21] >70 3 [21] Querbearbeitungb <5 12 [21] 5–30 8 [21] 30–70 4 [21] 8 >70 2 [21] Kastenförmig ausgespülte Erosionsrinnen 25 Expertenschätzung in Ackerfächen Pfugfurche (frisch … abgesetzt) 2 … 10 [21] Grünland (Sommer…Winter) 4 … 12 Expertenschätzung Sukzessionsfächen, Hochstaudenfuren 5 … 10 Expertenschätzung (dichter … spärlicher Unterwuchs) Wälder und Forsten (dichte … spärliche 2 … 6 [21] Streu–/Krautschicht)

aSumme von direkt auf der Oberfäche aufiegenden Pfanzenteilen, Mulch und Steinen. Rückstände mit einem Abstand > 5 cm zur Bodenoberfäche beeinfussen den Schichtabfuss nicht bÜber einen mittleren Querbearbeitungsfaktor von 0,68 aus dem Wert für bestellte Ackerfächen geschätzt (abgeleitet aus Tab. 5 in [21])

Zur Illustration der geschilderten 8.2.2 Flacher konzentrierter Zusammenhänge zeigt . Abb. 8.1 mittlere Abfuss (Rillenabfuss) Fließzeiten des Schichtabfusses für verschiedene Oberfächenbeschafenheiten als Flacher konzentrierter Abfuss fießt in fein Funktion der Fließstrecke. Dies erlaubt eine verästelten Rillen und Rinnen oder gebündelt überschlägige Abschätzung typischer Efekte in Hangmulden (. Abb. 8.2). Landnutzung unterschiedlicher Landnutzungen, die sich und Bodenbedeckung haben einen starken um den Faktor 100 in der Fließzeit des Einfuss auf die Ausbildung der Fließpfade. fächenhafen Abfusses unterscheiden können Rinnen und Rillen bilden sich erosionsbedingt (vergleiche die Endpunkte der Kurven in nur auf Ackerfächen aus. Auf Grünland oder . Abb. 8.1). im Wald fehlen sie meist und Schichtabfusses geht dort direkt in Hangmuldenabfuss über. 179 8 8.2 · Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade

100 I 80

60 Grünland

40 (wenig geneigt)

I - 20 IHoch wald Fließzeit (min) Grünland (steil) I Acker Decken I wassergeb. n I Parkplätze, Straße 0 0 30 60 90 . Abb. 8.2 Zeugnisse von fachem, konzentriertem Fließstrecke (m) Abfuss in fein verästelten, fächig auftretenden Rinnen und Rillen, der in der Hangmulde (Tiefenlinie) . Abb. 8.1 Typische Längen des schichtförmigen zusammenfießt (Quelle: W. Bauer, Agroluftbild, 1998, Fließens bei unterschiedlichen Oberfächen (siehe Aufnahme aus dem Landkreis Passau) Endpunkte der Kurven) und Fließzeiten, die sich daraus zusammen mit den unterschiedlichen Rau- heiten ergeben. Beide Achsen sind logarithmisch skaliert, weil die Flächennutzung die Fließstrecke und fächennahe Durchwurzelung > dichte Mulch- noch mehr die Fließzeit stark beeinfusst und sich aus bedeckung > hohe Aggregatstabilität) bremsen beidem ein weiter Bereich ergibt. Die angenommenen daher wesentlich den Abfuss des Gesamt- 1/3 1 Gefälle (J in %) und Rauheitsbeiwerte (k in m s− ) hanges. Für typische Oberfächen, bei denen betragen für Grünland fach (J 1, k 5), Grünland = = steil (J 20, k 5), Hochwald (J 30, k 5), Acker Rinnen und Rillen aufreten, ergeben sich die = = = = (J 8, k 16), wassergebundene Decken (J 3, mittleren Fließgeschwindigkeiten in Abhängig- = = = k 50) und Parkplätze, Straßen (J 3, k 91). Der keit von der Neigung nach . Tab. 8.3. = = = hydraulische Radius wurde einheitlich mit 0,3 cm Ist die Fließgeschwindigkeit bekannt, lässt angesetzt. Die Länge der Fließstrecke wurde nach sich die Fließzeit nach 7 Gl. 5.3 ermitteln. Gl. 8.1 bestimmt 7 Wie beim Schichtabfuss ist hierfür die Länge des Fließpfades erforderlich. Typischer- Rillen und Rinnen in Ackerfächen weise ist das die Entfernungen zwischen sind üblicherweise kastenförmig aus- dem ersten Aufreten von Rillen bzw. Rinnen gespült, 2–12 cm tief und 5–30 cm breit. und der Flurstücksgrenze oder einer Hang- Wie beim Schichtabfuss kann die mittlere mulde. Gliedert sich auf langen Hängen der Strömungsgeschwindigkeit mit der GMS- Abfuss in Passagen von Schicht-, Rinnen- Formel (7 Gl. 5.5) abgeschätzt werden. Für und Hangmuldenabfuss, kann als Faustwert allgemeine Bemessungsfragen kann ein für die Fließstrecke in Rinnen und Rillen mittlerer hydraulischer Radius von R 0,04 m die doppelte Schichtabfusslänge angesetzt = angenommen werden (Fließtiefe 8 werden, da auch die Ausbildung von Rinnen = cm, Wasserspiegelbreite 20 cm). Der und Rillen primär von der Rauheit der Ober- = hydraulische Radius ist damit um ca. den fäche abhängt. Faktor 10 größer als beim Schichtabfuss. Ent- lR = 2 · lS (8.2) sprechend schneller fießt der Abfuss in Rillen und Rinnen. Maßnahmen, die das Aufreten mit - Pfadlänge von Rinnen und Rillen (m) von Rillen und Rinnen verzögern (dichte ober- lR 180 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.3 Formeln zur überschlägigen Bestimmung der Fließgeschwindigkeit des Abfusses in Rinnen und Rillen für verschiedene Oberfächen in Abhängigkeit von der Neigung (J in %) und für einen typischen hydraulischen Radius von 0,04 m. Nur bei Dammkulturen wurde ein hydraulischer Radius von 0,025 m angenommen, da das Einzugsgebiet jeder Furche klein bleibt und die Form der parabelförmigen Rinnen durch das Dammformgerät vorgegeben ist

1/3 1 1 Oberfäche Rauheitsbeiwert (m s− ) Geschwindigkeitsformel (m s− ) Schotterwege 45 v = 5,6J1/2 Acker 30 v = 3,8J1/2 Dammkulturen 30 v = 2,7J1/2 Wald 10 v = 1,3J1/2

8.2.3 Abfuss in Hangmulden Ist die Fließgeschwindigkeit bekannt, lässt sich die Fließzeit wieder nach 7 Gl. 5.3 Konzentriert sich der Abfuss weiter in Hang- ermitteln. Die dazu erforderliche Länge der mulden, spülen sich auf schwach bedeckten Hangmulde kann of anhand der Topographie 8 Ackerstandorten rechteckige Profle aus. abgeschätzt werden. Alternativ kann sie über Typische hydraulische Radien betragen dort die Diferenz von Hanglänge – Schichtabfuss- R 0,10 m. Auf Grünland, Ackerstand- länge – Länge des Rinnen- und Rillenabfusses = orten mit dichter Bodenbedeckung oder angenähert werden. Of werden Längen von im Wald ist die Bodenoberfäche besser vor mehreren hundert Metern erreicht. einem Einschneiden geschützt oder tritt Zur Untersuchung spezieller Fälle oder wenig Oberfächenabfuss auf. Dort sind die wenn Oberfächenbeschafenheit oder Tiefenlinien üblicherweise breite, fache Para- Fließpfadgeometrie von den genannten beln mit etwas geringeren hydraulischen Annahmen abweichen, gilt die allgemeine Radien (R 0,09 m). In angelegten und GMS-Formel zur Bestimmung der mittleren = hydraulisch sehr rauen, begrünten Abfuss- Fließgeschwindigkeit (7 Gl. 5.5) mit den mulden (engl. grassed waterways) (siehe auch Rauheitsbeiwerten aus . Tab. 5.1. Der 7 Abschn. 6.3) kann ein hydraulischer Radius hydraulische Radius ist entsprechend der von R 0,07 m (Breite 5 m, Tiefe 0,11 m) Gleichungen in . Abb. 8.4 zu bestimmen oder = angesetzt werden. Daraus resultieren ein- nach . Abb. 8.3 abzuschätzen. fache Schätzgleichungen zur Bestimmung Für Dammkulturen (z. B. Hopfen, der Fließgeschwindigkeit in Hangmulden Kartofel, Spargel) entfällt der fächenhafe (. Tab. 8.4). Abfuss und die Dämme erzwingen von

. Tab. 8.4 Formeln zur überschlägigen Berechnung der Fließgeschwindigkeit in Hangmulden und Tiefenlinien für verschiedene Oberfächen in Abhängigkeit von der Neigung (J) und für typische hydraulische Radien

1/3 1 1 Oberfäche Rauheitsbeiwert (m s− ) Geschwindigkeitsformel (m s− ) Acker 30 v = 6,6J1/2 Grünland 25 v = 5,0J1/2 Begrünte Abfussmulde 15 v = 3,0J1/2 Wald 10 v = 2,0J1/2 181 8 8.2 · Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade

0,12 0,25 0,20 0,06 0,18 0,10 0,20 0,16 0,08 0,04 0,14 0,15 0,02 0,12

Fließtiefe (m) 0,06 0,10 0,10 0,08 0,04 0,06 0 0,1 0,2 0,3 11,5 22,5 33,5 Wasserspiegelbreite (m)

. Abb. 8.3 Hydraulische Radien in m rechteckiger Rinnen und Rillen (links) und Hangmulden (rechts) in Abhängigkeit von Fließtiefe (m) und Wasserspiegelbreite (m) nach den Gleichungen aus . Abb. 8.4. Für begrünte Abfussmulden gelten aufgrund der teilweise hohen Rauheit, der parabolischen Querschnitte und der in Folge größeren Wasserspiegelbreite andere Werte

Anfang an einen fachen, konzentrierten, vermieden werden können, muss bei Damm- linienhafen Abfuss. Solange die Dämme kulturen, die zur Gefällerichtung gedreht sind, nicht brechen, bleibt das Einzugsgebiet jeder in der Hangmulde unbedingt eine dauerhaf Dammfurche allerdings klein, weshalb der begrünte Abfussmulde angelegt werden. hydraulische Radius (0,02 m) typischerweise etwas geringer ist als in erosionsbedingten Rinnen. Dennoch fießt der Oberfächen- 8.2.4 Abfuss in Gräben, abfuss in Dammkulturen wegen des Wegfalls teilgefüllten Rohren und des schichtförmigen Fließens schneller als in anderen offenen Gerinnen eben angebauten Kulturen, wenn die Dämme in Gefällerichtung verlaufen. Wesentlich Für den Abfuss in Gräben, Bächen und nicht günstiger und ein hervorragendes Mittel zur vollständig gefüllten Rohren gelten die all- Minderung der Abfussgeschwindigkeit stellen gemeine GMS-Formel (7 Gl. 5.5) und die Dammkulturen dar, bei denen die Damm- Weg-Zeit-Geschwindigkeitsgleichung (7 Gl. richtung von der Gefällerichtung abweicht, 5.3). Zur Bestimmung von Fließzeit und weil dann das Gefälle entlang der Fließstrecke -geschwindigkeit ist zunächst wieder der abnimmt. Je stärker die Abweichung von der Fließpfad zu bestimmen und in Abschnitte Gefällerichtung wird, umso besser; allerdings mit einheitlichen hydraulischen und geo- dürfen die Dämme nicht quer zum Hang metrischen Eigenschafen zu unterteilen. angelegt werden, sondern sollten mindestens Durchfossene Querschnittsfäche, benetzter noch eine Neigung der Fließstrecke von 1 % Umfang und hydraulischer Radius ergeben haben. Bei quer angelegten Dämmen besteht sich aus den Ansätzen in . Abb. 8.4. die Gefahr, dass sich das Wasser hinter dem Bei Verrohrungen sind der Verlauf und Damm staut, ihn an einer Stelle durchbricht die verwendeten Materialien of unbekannt. und dann auch alle unterhalb liegenden Zur Bestimmung der Fließpfadlänge wird Dämme durchbrochen werden. Dieses Risiko empfohlen, die Länge aus der direkten Ent- besteht insbesondere dann, wenn die Dämme fernung in Luflinie zwischen Rohrein- eine Hangmulde durchlaufen, weil sie dann in lass und Auslass zu verwenden. Daraus der Tiefenlinie zwangsweise quer zum Gefälle ergibt sich auch die mittlere Neigung. angeordnet sind. Wenn Hangmulden nicht Wenn der Leitungstyp nicht erkenn- 182 Kapitel 8 · Anhang https://www.

]). Zur Orientierung, welche 30 ]). Zur Orientierung, welche

8 Formeln zur Bestimmung von durchfossener Querschnittsfäche, benetztem Umfang und hydraulischem Radius (nach [ 28 – Abb. 8.4 Abb.

. ießgeschwindigkeit angegeben. Bei der Form zu einem hohen Hochwasserscheitel wegen einer Fließgeschwindigkeit führt, ist in der letzten Spalte eine relative Fl ießgeschwindigkeit angegeben. Bei Berechnung wurden typische Breiten und Böschungsneigungen sowie ein einheitliches Gefälle einheitliche Rauheitswerte (Ausna hme Rohr) angenommen die Wassertiefe so eingestellt, dass in allen Fällen die gleiche Wassermenge pro Zeiteinheit abgeleitet, also Entwässerung nich t beeinträchtigt wird. Für Ermittlung der genannten Parameter kann auch auf frei verfügbare, internetbasierte Hydraulikrechner zurückgegriffen werden, z. B. Gerinnehydraulik online berechnen. 7 peacesoftware.de/einigewerte/gerinnehydraulik.html 183 8 8.2 · Hydraulische Eigenschaften unterschiedlicher Abfusstypen und Fließpfade bar ist, können die Rauheitsbeiwerte von unmittelbare Erhöhung des Wasserspiegels zusammengesetzten Betonrohrleitungen verursacht, wodurch im selben Augenblick (z. B. für Rohrverbindungen unter Feld- die gleiche Wassermenge durch den Abfuss zufahrten oder bei Wasserführungen durch abgegeben wird. Die Fließzeit durch den Straßen), von (perforierten) PVC-Rohren Wasserkörper wird daher gleich null gesetzt. (neuere Drainagen) oder gebranntem Ton Bei der Bestimmung der Konzentrationszeit (alte Drainagen) angenommen werden. Die eines Einzugsgebietes können kleine Teiche Rauheitsbeiwerte typischer Rohre liegen und Weiher daher ignoriert und die Fließzeit daher zwischen 70 und 95, wodurch Rohre bis zum Zu- bzw. ab dem Ablauf nach der besonders glatt sind, und der Abfuss in Standardmethode mit der GMS-Gleichung Rohren besonders schnell werden kann. bestimmt werden. Typische Nennweiten (DN) für Wasser- Für große Wasserkörper wie Seen kann führungen betragen 300 bis 500 mm, die Fließzeit nach [22] mithilfe der Wellen- Drainagen sind meist kleiner als 200 mm. geschwindigkeitsgleichung (8.3) und der Methoden zur Bestimmung der Fließzeit Weg-Zeit-Geschwindigkeitsgleichung in kleinen Bächen und Flüssen sind in angenähert werden. der Literatur bereits gut und umfangreich beschrieben [24]. Für Gewässer existieren vw = g · Dm (8.3) zudem fortgeschrittene Verfahren zur Bestimmung von Rauheitsbeiwerten, wie mit 1 die Anpassungsverfahren nach Einstein/ vW - Wellengeschwindigkeit (m s− ) 12 Horton [25], Cowan [26] oder Sellin [27], g - Erdbeschleunigung (9,81 m s− ) die es ermöglichen, Rauheitsbeiwerte für Dm - Mittlere Tiefe des Wasserkörpers (m) gegliederte Gewässerbetten oder heterogene Fließabschnitte abzuschätzen. Fließgeschwindigkeiten nach der Wellen- geschwindigkeitsgleichung sind allgemein sehr hoch. Wirkt der See als Speicher oder 8.2.5 Fließzeit durch Rückhalteraum, weil der Wasserstand gezielt Wasserkörper und geändert wird, werden Speicherroutingver- Feuchtgebiete fahren notwendig, um den Einfuss auf eine Hochwasserwelle zu berechnen. Solche Seen Die Fließzeit durch Seen, Weiher und Teiche fnden sich aber normalerweise nicht in der ist relevant, wenn die Konzentrations- ländlichen Flur. Sie erfordern wegen der zeit eines Gebietes ermittelt werden muss Größe ihres Einzugsgebietes eine Betrachtung und der Fließpfad durch Wasserkörper ver- auf anderer Maßstabsebene. Die Wellen- läuf. Für Seen mit großem Volumen und geschwindigkeitsgleichung kann auch zur hoher Wassertiefe ist dazu die Rückhalte- Bestimmung der Fließzeit durch Feucht- wirkung (Retention) zu bestimmen. Für gebiete verwendet werden, wenn diese über kleine Weiher und Teiche ist diese of ver- große freie Wasserfächen verfügen. nachlässigbar und es kann angenommen werden, dass der Wassertransport durch den Wasserkörper augenblicklich erfolgt 8.2.6 Bestimmung des (Prinzip der kommunizierenden Röhre), hydraulischen Radius da die Fließstrecke kurz, der hydraulische Radius groß und die Rauheit gering sind. Es Zur Bestimmung des hydraulischen Radius wird dann vereinfachend davon ausgegangen, werden die Geometrie des Fließpfades und dass jede Erhöhung des Zufusses eine die Fließtiefe benötigt. Die Fließtiefe hängt 184 Kapitel 8 · Anhang

wiederum von der Geometrie des Fließpfades Die Verhältniszahl σ ist dimensionslos und und der Abfusshöhe ab. . Abb. 8.4 fasst für variiert zwischen 0 und 1. Trotz identischem typische Querschnittsformen die Gleichungen Wertebereich und identischer Dimension ent- zur Berechnung von Querschnittsfäche, spricht σ nicht dem volumetrischen Abfuss- benetztem Umfang und hydraulischem beiwert Ψ. Während der Abfussbeiwert die Radius zusammen. Abfussmenge relativ zur Niederschlagshöhe angibt, ergibt sich σ beim Umstellen von 7 Gl. 8.4 aus dem Verhältnis von Scheitel- 8.3 Das Verhältnisverfahren abfussrate zu Regenintensität multipliziert zur Bestimmung des mit überregneter Fläche. Konzeptionell Scheitelabfusses kann man sich die Verhältniszahl σ als den (undurchlässigen) Teil der Einzugsgebiets- Eines der ältesten und einfachsten Ver- fäche vorstellen, der Abfuss bildet. Nach [32] fahren zur Bestimmung des Scheitelabfusses kann σ entweder direkt durch Abschätzen des ist das Verhältnis- oder Zeitbeiwertver- relevanten Flächenanteils oder aus Literatur- fahren. Es ist im englischen Sprachraum als werten ermittelt werden (. Tab. 8.5). Letztere „rational method“ Ende des 19. Jahrhunderts gelten für den ungünstigsten Fall, bei dem die 8 bekannt geworden [32]. Variationen des Niederschlagsdauer mit der Konzentrations- Verfahrens sind weltweit verbreitet und zeit des Einzugsgebietes übereinstimmt. werden aufgrund ihrer einfachen Hand- Entsprechend der Defnition von σ ist die habung auch heute noch zur Ermittlung von Massenbilanz beim Verhältnisverfahren nicht Scheitelabfüssen verwendet, z. B. bei der geschlossen. Daher es ist nicht möglich, mit Dimensionierung von Kanalnetzen oder von der Methode auf das Wellenvolumen bzw. den Entwässerungsmaßnahmen an technischen volumetrischen Abfussbeiwert zu schließen. Bauwerken [33]. Dieser und weitere, mit dem Verhältnisver- Beim Verhältnisverfahren wird davon fahren verbundene Fallstricke, werden von ausgegangen, dass es hinreichend ist, die [34] erläutert. Niederschlagsintensität als konstant anzu- Das Verhältnisverfahren dient dazu, nehmen, und dass die Niederschlagsdauer den für ein bestimmtes Wiederkehrinter- der Konzentrationszeit des Einzugsgebietes vall höchstmöglichen Scheitelabfuss zu entspricht. Die (mittlere) Regenintensität bestimmen. Daher wird als kritische Regen- wird als kritische Regenintensität bezeichnet intensität die maximal zu erwartende (Erläuterung s. u.). Unter stationären Niederschlagsrate angesetzt, die bei einem Bedingungen ergibt sich der zu erwartende Regen aufreten kann, dessen Dauer (D) der Konzentrationszeit des Gebietes ent- (ungünstigste) Scheitelabfuss (qP) an einem defnierten Gerinnequerschnitt dann aus spricht. Diese Annahme berücksichtigt den dem Produkt von kritischer Regenintensität Umstand, dass die Niederschlagsintensität mit zunehmender Regendauer immer geringer (iD), Einzugsgebietsfäche (A) und einer land- nutzungsspezifschen Verhältniszahl (σ). wird. Zur Bestimmung der kritischen Regen- intensität muss daher die Konzentrationszeit qP = 2,78 · σ · iD · AEZG (8.4) (tC) bekannt sein. Dabei sollte tC nach der wobei Geschwindigkeitsmethode bestimmt werden, 1 qp - Scheitelabfuss (l s− ) die in 7 Abschn. 5.3.3 beschrieben ist. σ - Verhältniszahl (–) Mithilfe von tC kann die kritische Regen- 1 iD - Kritische Regenintensität (mm h− ) intensität aus KOSTRA-Daten [36] abgeleitet werden. Dazu wird für ein gewähltes Wieder- AEZG - Einzugsgebietsfäche (ha) 2,78 - Faktor zum Umrechnen der Einheiten kehrintervall und für die nächsthöhere 185 8 8.3 · Das Verhältnisverfahren zur Bestimmung des Scheitelabfusses

. Tab. 8.5 Verhältniszahlen (σ) ausgewählter Landnutzungstypen. Die angegebenen Werte wurden durch Optimierung ermittelt und gelten nur für den Fall, dass die Niederschlagsdauer der Konzentrations- zeit des Gebietes entspricht. Teilweise beziehen sich die Werte auf die hydrologische Bodengruppe (HBG) C (siehe 7 Abschn. 8.6). Für HBG A und B können Abschläge und für HBG D können Zuschläge gemacht werden (0,05 je Klasse). Für Ackerfächen sind jeweils zwei Werte angegeben, um abfussmindernde Anbaubedingungen (−), wie Querbearbeitung oder Direktsaatverfahren, von abfussfördernden Bedingungen (+) zu unterscheiden. Verhältniszahlen anderer Landnutzungstypen und HBGs können der Literatur entnommen werden z. B. [35]

Landnutzung Verhältniszahl (-)

Straßen und Parkplätze (Beton, Asphalt) 0,9 Stadtkerne mit dichter Versiegelung 0,7 − 0,9 Wohngebiete mit aufgelockerter Bebauung 0,3 − 0,7 Weideland (HBG C) 0,25

+ Reihenkulturen (HBG C) 0,65− | 0,70

+ Getreide (HBG C) 0,25− | 0,45 Wiesen (HBG C) 0,45 Wald (HBG C) 0,33 − 0,59

Dauerstufe von tC, sofern tC < 2 h ist, die deswegen auf, da Verluste und Gebietsrück- Regensumme ermittelt. Für tC > 2 h gilt die halt vernachlässigt werden und keine spezi- Dauerstufe, die tC am nächsten kommt. Der fsche Ermittlung des abfusswirksamen Quotient aus Regenmenge und Dauerstufe Niederschlags erfolgt. liefert die kritische Regenintensität. Ein Über- Die übliche Anwendung des Verfahrens blick über verschiedene, für weite Teile Süd- gliedert sich in folgende Arbeitsschritte: deutschlands typische Größenordnungen von 1. Bestimmung der Einzugsgebietsfäche Tab. 8.6 iD ist in . gegeben. AEZG Dem Verhältnisverfahren liegen die 2. Bestimmung der Konzentrationszeit tC Annahmen zugrunde, dass Verhältniszahl, 3. Prüfen, ob die zugrundeliegenden Niederschlagsintensität und Konzentrations- Annahmen der Verhältnismethode die zu zeit innerhalb des Einzugsgebietes konstant untersuchende Situation einschließen sind, weswegen sich der größte Abfuss- 4. Bestimmung der kritischen Nieder- scheitel bei dem Regen einstellt, dessen Dauer schlagsintensität iD der Konzentrationszeit entspricht. Praxis- 5. Auswahl der Verhältniszahl erfahrungen zeigen, dass diese Annahmen 6. Berechnung des Scheitelabfusses typischerweise nur in kleinen (<100 ha), einheitlich strukturierten Gebieten (z. B. gleichmäßige Verteilung versiegelter 8.3.1 Anwendungsbeispiel Fläche, homogene Fließpfadtopologie) mit Konzentrationszeiten zwischen 10 und Es soll der ungünstigste Scheitelabfuss 300 min zutrefen [35]. Hohe Unsicherheiten am Fuß einer 5 ha großen, quadratischen und Abweichungen in der Größe von 50 % Ackerfäche mit einem mittleren Gefälle und mehr gegenüber anderen Verfahren von 5 % für einen Starkregen mit einem treten beim Verhältnisverfahren mitunter 30-jährigen Wiederkehrintervall ermittelt 186 Kapitel 8 · Anhang

1 . Tab. 8.6 Kritische Regenintensitäten (iD) in mm h− für unterschiedliche Wiederkehrintervalle und Niederschlagsdauern im Bereich der für kleine Einzugsgebiete typischen Konzentrationszeiten; berechnet nach KOSTRA [36]. Die dargestellten Werte können näherungsweise für weite Teile Süddeutschlands verwendet werden. Davon ausgenommen sind Mittelgebirgslagen und Voralpenraum bzw. die Alpen, wo im Mittel etwa 10 % bzw. 17 % größere Werte anzusetzen sind

Niederschlagsdauer D (min) Wiederkehrintervall

10 a 20 a 30 a 50 a

10 116 135 146 160 20 70 81 87 95 30 55 63 68 75 60 35 41 44 48

werden. Anhand der Geschwindigkeits- Wiederkehrzeit von 30 Jahren eine Regen- methode wird die Konzentrationszeit ohne menge von 35 mm bzw. 42 mm. Diese abfussmindernde Maßnahmen auf 24 min Werte entsprechen mittleren Niederschlags- 8 1 geschätzt (Ermittlung nicht dargelegt). Mit intensitäten von 70 bzw. 42 mm h− . Aus abfussmindernden Maßnahmen (Mulch- . Tab. 8.5 ergibt sich im ersten Fall σ mit saat und Querbearbeitung) erhöht sich die 0,70, im zweiten Fall mit 0,65 beim Anbau Konzentrationszeit auf rund 54 min. von Reihenkulturen auf einem Standort der Für die Abschätzung des Scheitelabfusses hydrologischen Bodengruppe C. Im ersten wird anhand dieser Konzentrationszeiten die Fall resultiert ein Scheitelabfuss von 680 1 kritische Niederschlagsdauer für den ersten l s− (. Tab. 8.7). Im zweiten Fall beträgt 1 Fall mit 30, für den zweiten Fall mit 60 min der Scheitelabfuss 380 l s− , ist also durch angesetzt. Nach KOSTRA (vgl. . Tab. 4.3) Querbearbeitung und Mulchsaat etwa 50 % ergibt sich für diese Regendauern und eine niedriger.

. Tab. 8.7 Abschätzung des höchsten Scheitelabfusses unterhalb einer 5 ha großen Ackerfäche mithilfe der Verhältnismethode für den ersten der in . Abb. 3.1 genannten Fälle

Größe Einheit Wert Kommentar

Gebietsgröße A ha 5 Gegeben

Konzentrationszeit tC min 24 Über die Geschwindigkeitsmethode ermittelt KOSTRA-Niederschlagsdauerstufe D min 30 KOSTRA-Dauerstufe, die der ermittelten Konzentrationszeit am nächsten kommt; bei größeren Differenzen kann interpoliert werden

Bemessungsniederschlagshöhe NB mm 35 Aus KOSTRA-Daten für einen 30-jährlichen Regen

1 Kritische Niederschlagsintensität iD mm h− 70 Aus hN und D berechnet Verhältniszahl σ – 0,65 Wert aus . Tab. 8.5

1 Scheitelabfusswert qp l s− 680 Nach 7 Gl. 8.4 berechnet 187 8 8.3 · Das Verhältnisverfahren zur Bestimmung des Scheitelabfusses

8.3.2 Das erweiterte der Dauer D t als gleichschenkliges Drei- = C Verhältnisverfahren eck mit einer Basislänge von 2 · tC defniert wurde (. Abb. 8.5a). Die Scheitelanstiegs- und

Das erweiterte Verhältnisverfahren (engl. Wellenablaufzeit entsprechen also tC, wodurch „modifed rational method“) erlaubt die von einem sehr geringen Retentionsvermögen Konstruktion einfacher Ganglinien auch bei im Einzugsgebiet ausgegangen wird (zum Regen, deren Dauer von der Konzentrations- Vergleich, beim Dreiecksganglinienverfahren zeit abweichen, während das normale Verhält- werden, je nach Landnutzung, Wellenablauf- nisverfahren nur die maximale Scheitelhöhe zeiten in der Größenordnung von bis zu 2 tC schätzt. Der Ansatz wurde entwickelt, um das und damit eine asymmetrische Wellenform Verhältnisverfahren zur Dimensionierung unterstellt, siehe 7 Abschn. 3.2.1). von Rückhaltemaßnahmen in Siedlungs- Übersteigt die Regendauer D die gebieten verwenden zu können [35, 37]. Konzentrationszeit tC, resultiert eine trapez- Die Anwendung des Verfahrens auf 1400 förmige Ganglinie (. Abb. 8.5b). Ihr Abfussereignisse aus 80 verschiedenen Ein- Scheitelabfuss wird mit dem normalen Ver- zugsgebieten in den USA zeigte, dass der hältnisansatz (7 Gl. 8.4) bestimmt. Allerdings Ansatz gleichwertige Ergebnisse wie andere wird die kritische Niederschlagsintensi- Bemessungsansätze liefern kann, voraus- tät iD nun für einen Regen mit der Dauer D gesetzt, dass der abfusswirksame Niederschlag bestimmt, wobei D größer ist als tC. Dadurch für alle Ansätze gleich ermittelt wird [38]. wird die kritische Intensität und damit auch der Scheitelabfuss kleiner als bei D t . Die Modellvorstellung des erweiterten = C Verhältnisverfahrens beruht darauf, dass Die Scheitelanstiegszeit beträgt weiterhin tC. bei Niederschlägen, deren Dauer die Der Scheitel wird über eine Zeitspanne von Konzentrationszeit des Gebietes übersteigt, (D–tC) gehalten und fällt dann wieder über höhere Abfussvolumina, aber kleinere einen Zeitraum, der tC entspricht, auf null Wellenscheitel entstehen müssen. Dieser ab. Für den Fall, dass die Regendauer kleiner Zusammenhang ergibt sich daraus, dass die als Konzentrationszeit ist, resultiert ebenfalls Intensität eines Regen mit zunehmender eine trapezförmige Ganglinie (. Abb. 8.5c). Dauer zurückgeht. Umgesetzt wurde diese Durch das Auseinanderziehen der Welle, Vorstellung, indem die Ganglinie eines Regens das im Trapez zum Ausdruck kommt, ist

a b c

D=tC tC D tC

tC tC DD Wellenvolumen V=qPtC Niederschlag (Höhe) q P * qP qP Abussrate (Volumen/Zeit)

Zeit

. Abb. 8.5 Darstellung verschiedener Ganglinien (blaue Dreiecke und Trapeze), die aus dem modifzierten

Verhältnisansatz resultieren, wenn die Regendauer (D) der Konzentrationszeit (tC) des Gebietes entspricht (a), wenn D > tC (b) und für den Fall D < tC (c). Der Regen ist schematisiert durch die vertikalen Balken dargestellt 188 Kapitel 8 · Anhang

der Scheitelabfuss wie schon bei den langen Niederschlagsdaten zum Einsatz: Zur Regen relativ gering, obwohl bei kurzen Regen Rekonstruktion historischer Ereignisse hohe Intensitäten möglich sind. In diesem werden idealerweise Messdaten verwendet. Fall kommt es zu einem Auseinanderziehen, Die Dimensionierung von Maßnahmen weil zu keinem Zeitpunkt das gesamte Gebiet orientiert sich dagegen meist an gebiets- Abfuss liefert und die Lieferung je nach Ent- spezifschen Niederschlagsszenarien mit fernung des Liefergebietes zum Gewässer bestimmten statistischen Eigenschafen. Dafür zu unterschiedlichen Zeiten im Gewässer werden i. d. R. synthetische Modellregen ein- ankommt. Der ungünstigste Fall ist daher gesetzt, für die unterschiedliche Möglich- D t , weil der die höchste Intensität liefert, keiten der Ableitung existieren. = C bei dem zum Zeitpunkt D (genau am Regen- In den Unterkapiteln werden zunächst ende) auch das gesamte Gebiet liefert und so allgemeine Kenngrößen, Grundlagen und der höchste Scheitelabfuss entsteht. Defnitionen von Niederschlägen wiederholt. Im erweiterten Verhältnisverfahren wird Im Anschluss folgt die Ableitung von Gebiets- dieser Zusammenhang bei kurzen Regen niederschlägen aus (historischen) Messdaten.

umgesetzt, indem der Scheitelabfuss (qP*) Danach wird auf synthetische Modell- und um das Verhältnis von D/tC vermindert wird Bemessungsregen eingegangen. Am Ende sind 8 (7 Gl. 8.5), da zum Zeitpunkt D erst ein Teil einige Beispiele zur Erstellung von Gebiets- des Einzugsgebietes liefert. Dieser Anteil und Modellregen und zur statistischen Ein- entspricht D/t . Erst bei D t liefert das ordnung extremer Niederschläge aufgeführt. C = C gesamte Einzugsgebiet (D/tC wird dann 1). Wellenanstiegs- und -ablaufzeit entsprechen

bei kurzen Regen nicht mehr tC, sondern 8.4.1 Grundlagen, Kenngrößen sind auf die Regendauer D beschränkt. Die und Defnitionen Phase konstanter Lieferung ergibt sich aus der

Diferenz (tC – D). Dem liegt die Vorstellung Niederschlag ist ein Sammelbegrif für aus zugrunde, dass selbst nach Ablauf von D der Atmosphäre ausfallendes Wasser und (dem Regenende) das Einzugsgebiet weiter- umfasst neben Regen, Schnee und Hagel hin kontinuierlich liefert, weil der Abfuss auch Tau, Nebel und Reif. Für die Hoch- schon unterwegs ist. Wie lange er unter- wasserentstehung ist nur der Regen, bei plötz- Abb. 8.5 wegs ist, bestimmt tC. (. c). Weitere lichem Wetterumschwung im Winter unter Informationen sind den genannten Literatur- Umständen auch das schnelle Schmelzen stellen zu entnehmen. großer Schneemengen relevant. Die an einem Ort maximal mögliche Regenmenge ist durch ∗ = · σ · · · D qP 2,78 iD AEZG (8.5) die in der Lufmasse verfügbare Menge an tC Wasserdampf limitiert. Sie wiederum wird von der Temperatur bestimmt. Je wärmer 8.4 Ableitung von Gebiets- und die Lufmasse, umso mehr Wasser kann sie Bemessungsniederschlägen aufnehmen. Aus diesem Grund sind die Niederschlagshöhen extremer Starkregen im Niederschlagsdaten spielen für die Quanti- Sommer deutlich höher als die im Winter. fzierung von Wasserfüssen in der Land- Aus dem gleichen Grund muss im Zuge der schaf eine zentrale Rolle, z. B. wenn ein Klimaerwärmung auch mit einer Zunahme historisches Hochwasserereignis rekonstruiert hochwasserauslösender Niederschlagsereig- oder eine Maßnahme zum Wasserrückhalt nisse gerechnet werden (vgl. 7 Abschn. 8.4.6). dimensioniert werden soll. Je nach Frage- Die wichtigsten Kenngrößen zur stellung kommen dabei unterschiedliche Beschreibung von Starkregenereignissen sind 189 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen

Niederschlagshöhe und -dauer. Die Nieder- spanne. Eine typische Gebietsniederschlags- schlagshöhe beschreibt die Regenmenge, angabe kann zum Beispiel lauten: In einem gemessen in einer Volumeneinheit (z. B. Gebiet hat es von 10 bis 16 Uhr in Summe Liter) bezogen auf eine defnierte Fläche (z. B. 65 mm geregnet. 1 m2). Aus dem Quotienten einer Volumen- und einer Flächeneinheit ergibt sich eine Längeneinheit, weshalb die Niederschlags- 8.4.2 Bestimmung von höhe üblicherweise in mm oder seltener in Gebietsniederschlägen aus cm angegeben wird. Wird die Niederschlags- Messdaten höhe auf eine bestimmte Zeitspanne bezogen, ergibt sich die Regenintensität oder -stärke, Messdaten können als Punktmessungen 1 1 typischerweise in mm h− oder mm d− . (Stationsdaten), Radaraufzeichnungen von Prozesse wie Erosion oder Oberfächen- Niederschlagsfeldern oder als Kombinationen abfuss sind räumlich begrenzt und zeitlich daraus vorliegen. Die Art und Weise, wie an das Aufreten von Regenintensitätsspitzen Gebietsniederschläge aus Messdaten erzeugt gekoppelt. Ihre Betrachtung erfordert daher werden, hängt von der Fragestellung, dem relativ hoch aufgelöste Niederschlagsdaten Naturraum und dem verwendeten Datentyp mit Zeitintervallen 1 h. Für langfristige ≤ ab. Berücksichtigt werden hier nur Stations- Simulationen des Wasserhaushalts oder daten, die vor allem zur Rekonstruktion Klimaprojektionen genügen of Zeitintervalle historischer Ereignisse of die einzige ver- von 1 d. Neben der Niederschlagshöhe und ≥ fügbare Quelle darstellen, und der Einsatz -dauer sind in zweiter Instanz der zeitliche kombinierter Stations- und Radardaten. Beide Verlauf der Niederschlagsintensität sowie die Datentypen haben unterschiedliche Nach- räumliche Verteilung bedeutsam. Für spezi- teile und Vorzüge und können meist kosten- fsche Bemessungsfragen ist zusätzlich die frei über das Internet bezogen werden. Für statistische Wiederkehrzeit (Tn) relevant. Sie praktische Anwendungszwecke wird die gibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis Nutzung der Radardaten empfohlen, weil defnierter Stärke (Starkniederschlag, Hoch- sie fächen- und zeitdeckend vorliegen, hohe wasser) eintritt oder überschritten wird, als räumliche und zeitliche Aufösung haben durchschnittliche Zeitspanne in Jahren an. und weil sie bereits Gebietsniederschlage sind Dadurch kann anschaulich von zum Bei- (nämlich vom 1-km2-Rasterfächen). spiel 50- oder 100-jährlichen Ereignissen gesprochen werden. Wichtig ist, dass das nur im Durchschnitt gilt und über die wahre Zeit- 8.4.3 Radardaten spanne zwischen zwei z. B. 100-jährlichen Ereignissen keine Aussage gemacht werden Radardaten werden vom DWD in zwei kann. Produkten bereitgestellt. In einer sogenannten Der Niederschlag, wie er an Wetter- Radar-Online-Aneichung (RADOLAN) stationen gemessen wird, gilt nur für einen kombiniert der DWD seit 2005 punktuell Punkt. Will man den Niederschlag in einem erfasste Regenmengen an über 1000 Nieder- Einzugsgebiet wissen, braucht man den schlagsstationen mit Wetterradardaten [39, Gebietsniederschlag. Er beschreibt die über 40]. Stationsdaten können den zeitlichen Ver- eine defnierte Zeit summierte und über eine lauf und die Niederschlagshöhe an einem Ort bestimmte Fläche gemittelte Niederschlags- zwar präzise erfassen, nicht aber die räum- menge. Gebietsniederschläge beziehen sich lichen Muster zwischen einzelnen Stationen. daher immer auf eine konkrete Fläche, meist Für Wetterradar gilt das Gegenteil. Radar ein Einzugsgebiet und eine defnierte Zeit- kann den bodennahen Niederschlag nicht 190 Kapitel 8 · Anhang

direkt messen, dafür aber die räumliche Ver- 0,1 mm angegeben. D. h. ein Wert von 127 teilung von Wasser in der Atmosphäre sehr entspricht einer Niederschlagshöhe von gut bestimmen. Die Kombination beider 12,7 mm. Fehlwerte sind mit 1 kodiert, − Datenquellen verbindet daher die Vorteile negative Werte kommen nicht vor. Neben verschiedener Messtechniken. Die Aneichung den eigentlichen Daten ist auch eine Kurz- erfolgt stündlich, sodass die Daten fast einführung in das RADOLAN-Format sowie in Echtzeit zur Verfügung stehen und für eine Viewer-Sofware zum Betrachten der aktuelle Hochwasserprognosen verwendet Daten unter der angegebenen Internetadresse werden können. Anschließend werden die im Climate Data Center des DWD zu fnden. Daten weiteren aufwendigen Korrektur- Eine ofzielle Export- oder Abfragefunktion verfahren unterzogen und die Daten von des DWD, die beispielsweise Ganglinien des weiteren ca. 3000 Wetterstationen werden ein- (Gebiets-)Niederschlags für defnierte Gebiete gespeist. Diese Auswertungen dauern über ein direkt aus den Radardaten erzeugt, existiert Jahr, stehen also nicht aktuell zu Verfügung, gegenwärtig nicht. Als Alternative steht seit verbessern aber das Ergebnis signifkant. Juni 2018 jedoch die quellofene, auf Python Dieser Datensatz wird dann RADKLIM basierende ArcGIS Erweiterung „Radproc“ (Radar-Klimatologie) genannt [41] und stellt zur Verfügung [42]. Sie schließt diese Lücke 8 die beste, aktuell verfügbare Datenbasis in und erleichtert das Datenmanagement. Trotz- Deutschland bereit. dem ist die Handhabung der Radar-Daten Radardaten können zeitlich hochaufgelöst gegenwärtig noch aufwendiger als die von (5-min, 60-min oder 24 h), in einer Intensi- Stationsdaten. tätsaufösung von 0,1 mm und in einer räum- Um schließlich Gebietsniederschläge aus lichen Aufösung von 1 km2 kostenfrei und Radardaten und allgemein aus Rasterdaten fächendeckend für ganz Deutschland über abzuleiten, wird bei wasserwirtschaflichen das Internet1 bezogen werden. Zur Analyse Fragestellungen in Einzugsgebieten <5 km2 von Hochwasserereignissen sind Daten in empfohlen, den Gebietsniederschlag als wenigstens stündlicher Aufösung angeraten. arithmetisches Mittel der einzelnen Raster- Die Bereitstellung der Rasterdaten im Climate zellen zu bestimmen. Data Center des DWD im Internet erfolgt binär und im ASCII-GIS-Format. Bei stünd- lichen Werten existiert daher pro Stunde 8.4.4 Stationsdaten eine Rasterdatei mit Niederschlagswerten für ganz Deutschland bzw. 24 Dateien pro Tag Stationsdaten von Niederschlagsmessern, (bei 5-min Aufösung sind es entsprechend sogenannten Ombrometern, erfassen direkt 5 12 24 1440 Dateien pro Tag). Die den zeitlichen Verlauf und die Nieder- × × = Messwerte für einen bestimmten Ort können schlagshöhe an einem Ort. Die entstehenden am einfachsten in einem Geographischen Ganglinien sind einfach und intuitiv zu hand- Informationssystem (GIS) bestimmt werden, haben. Stationsdaten sind auch historisch indem die Radar-Rasterkacheln mit den von hoher Bedeutung. Für die Nach- Koordinaten des gewünschten Ortes über- rechnung abgelaufener Hochwasserereig- lagert werden. Die Koordinatenangaben der nisse und allgemein für Zeiträume vor der Rasterdaten beziehen sich dabei immer auf Jahrtausendwende sind Stationsdaten of den linken unteren Eckpunkt des Gebiets der einzig verfügbare Datentyp. Ein Nach- in „Radar-Projektion“. Messwerte sind in teil von Stationsdaten ist, dass es sich um Punktmessungen handelt, die nur mithilfe von Annahmen in die Fläche übertragen 1 Climate Data Center des DWD: ftp://ftp.dwd.de/ werden können. Hinzu kommt, dass Nieder- pub/CDC/grids_germany/hourly/radolan schlagsstationen teils nur Tagessummen 191 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen erfassen und die zeitliche Aufösung, z. B. für enorm, weil der Niederschlag am Rand der die Simulation von Hochwasserprozessen, Zelle praktisch auf null abfällt [44]. Dass sich in feinere Intervalle umgerechnet werden das Untersuchungsgebiet, die Konvektions- muss. Geeignete Ansätze, Datenquellen und zelle und die Messstation so ideal überdecken, Hinweise zum Umgang mit Unsicherheiten dass die Daten der Messstation repräsentativ werden im Folgenden kurz skizziert. Da ihre sind, ist also unwahrscheinlich. Daher werden Anwendung jedoch häufg fundierte Kennt- Regenmesserdaten of mit sogenannten nisse erfordert, wird nicht vertief darauf Flächenreduktionsfaktoren auf die Größe des eingegangen. Sofern möglich, sollten für Einzugsgebietes skaliert [45–47]. praktische Anwendungsfragen immer Radar- Ist das Gebiet größer als 10 km2 oder daten verwendet werden, auch wenn diese in ist keine Messstelle vorhanden, muss der der Handhabung of mühsamer sind. Gebietsniederschlag aus anderen, weiter ent- Wichtige Quellen für Niederschlags- fernten Messstellen geschätzt werden, wobei messdaten sind insbesondere das Climate mindestens drei Messstationen berück- Data Center des Deutschen Wetterdienstes sichtigt werden sollten. Einfache Ansätze (FTP-Server: ftp://ftp-cdc.dwd.de/pub/CDC/). umfassen beispielsweise die arithmetische Darüber hinaus unterhalten private Anbieter Mittelung, Isohyeten oder Tiessen-Polygone. z. B. Kachelmannwetter (7 www.kachelmann- In größeren Gebieten oder Regionen mit wetter.com), aber auch Behörden wie die ausgeprägten Höhenunterschieden sind auf- Wasserwirtschafs-, Umwelt- und Landwirt- wendigere Interpolationsmethoden, idealer- schafsverwaltungen (z. B. Agrarmeteoro- weise geostatistische Verfahren, z. B. multiple logische Messnetz in Bayern, 7 http://www. Regressionen, Rasterpunkt-Verfahren [48, wetter-by.de), Nationalparke und diverse 49] oder Kriging [50] angeraten. Durch die Kommunen und Zweckverbände der Wasser- Berücksichtigung der Höhenlage kann die versorgung und Abwasserbeseitigung weitere Interpolationsgüte im Allgemeinen deutlich (lokale) Messnetze. Auf Anfrage können diese verbessert werden. Das gilt bereits für Unter- Daten meist bereitgestellt werden. suchungsgebiete, die Höhenunterschiede von Für die Bestimmung von Gebietsnieder- einigen Hundert Metern aufweisen. Grund- schlägen aus Punktmessungen sind, abhängig lagen zu den Verfahren können auch den ein- von der Gebietsgröße, ggf. Daten von schlägigen Lehrbüchern entnommen werden mehreren Messstellen und Interpolationsver- (z. B. [51–55]). fahren erforderlich. Sie erlauben es, die an Neben einer räumlichen Schätzung Niederschlagsstationen gemessenen Werte in des Niederschlags ist in bestimmten Fällen die Fläche zu übertragen und damit Karten auch eine Veränderung der zeitlichen Auf- der räumlichen Niederschlagsverteilung oder lösung der vorhandenen Niederschlags- Ganglinien des mittleren Gebietsnieder- werte erforderlich. Das umfasst einerseits das schlags zu erstellen. In kleinen Gebieten Aggregieren, bei dem beispielsweise Stunden- (<10 km2) und einer Messstelle wird of ver- zu Tageswerten aufsummiert werden. einfachend angenommen, dass der Mess- Aggregieren geht immer mit einem Verlust wert der Punktmessung repräsentativ für an Information über die Variation in feineren das gesamte Gebiet und damit dem Gebiets- Zeiteinheiten (subskalige Variabilität) einher. niederschlag gleichzusetzen ist. Dies ist aber Der umgekehrte Schritt wird Disaggregation mehr Hofnung als Wissen, denn Radardaten genannt. Hier werden mithilfe bestimmter zeigen, dass die Ausdehnung konvektiver Annahmen zeitlich grob aufgelöste Daten Niederschlagszellen, die Sturzfuten auslösen in Werte feinerer Aufösung transformiert. können, in etwa 90 % der Fälle kleiner als Dadurch können Daten unterschiedlicher 10 km ist [43], und die Gradienten darin sind zeitlicher Aufösung kombiniert werden, 192 Kapitel 8 · Anhang

und die Schätzgüte des Gebietsniederschlags 60 konvektiver kann durch die Berücksichtigung zusätz- 50 licher Stationsdaten verbessert werden. Mög- Regen liche Ansätze werden u. a. von Gebner [56] 40 beschrieben. 30 Praxistaugliche Empfehlungen hinsichtlich der erforderlichen räumlichen und zeit- 20 advektiver

Schätzfehler (%) Regen lichen Aufösung von Niederschlagsmessdaten 10 hängen immer von der Untersuchungsfrage 0 ab und sind dadurch schwierig zu ver- 0,1 110100 allgemeinern. Obwohl bekannt ist, dass selbst Aufzeichnungsdauer (d) in Gebieten <1,5 km2 eine enorme, klein- räumige Niederschlagsvariation aufritt [57], . Abb. 8.6 Größenordnung typischer Messfehler liegen in der Praxis meist deutlich dünnere bei der Bestimmung der Gebietsniederschlagshöhe Messnetze aus Niederschlagsstationen aus einer Messstation für ein 1 km2 großes Gebiet in vor. Zur Schätzung von Gebietsnieder- Abhängigkeit von dem Niederschlagstyp und der Auf- zeichnungsdauer (Daten nach [54]) schlägen in Gebieten <200 km2 empfehlen 8 Schaake et al. [50], wenigstens drei meteorologische Stationen zu verwenden. Dabei wird durchzuführen. Ein Prüfen auf negative angenommen, dass die Daten einer Nieder- Werte, Folgen identischer Werte und eine schlagspunktmessung repräsentativ für eine Plausibilisierung des Niveaus der Extremwerte Fläche von ca. 70 km2 sind, was wesentlich lässt sich mit einfachen Mitteln umsetzen. unter der Aufösung von Radardaten liegt und Aufwendigere Prüfungen, z. B. auf zeitliche daher nur ein Notbehelf sein kann. Konsistenz (Gradienten zwischen den Zeit- Bedingt durch die Aufösung der Mess- schritten), innere Konsistenz (z. B. Vergleich geräte und der Genauigkeit der Schätz- und Luffeuchte mit Niederschlag) oder räum- Übertragungsmethoden ist die Bestimmung liche Konsistenz (Vergleich mit Nachbar- des (Gebiets-)Niederschlags generell mit stationen) sind für die meisten praktischen großen Unsicherheiten behafet. Im All- Anwendungen dagegen zu aufwendig. gemeinen sind diese bei konvektiven Nieder- schlägen (Gewitterzellen) deutlich größer als bei großfächigen Niederschlägen (Landregen) 8.4.5 Synthetische und bei kurzen Bezugszeiträumen (Stunden, Gebietsniederschläge Minuten) größer als bei langen. Messfehler des Niederschlags am Messpunkt des Nieder- Als synthetische Gebietsniederschläge schlags liegen üblicherweise im Bereich von (Modellregen) werden in der Praxis Daten 5–10 %. In Einzelfällen, z. B. bei starkem der koordinierten Starkniederschlags- Wind oder Schnee sind auch Messfehler regionalisierung (KOSTRA) des Deutschen von 20–30 % möglich [54]. Hinzu kommen Wetterdienstes verwendet. Grundlagen Unsicherheiten bei der Interpolation in die des Datensatzes und ausgewählte Karten Fläche, wodurch in Summe häufg Fehler in der Starkniederschlagshöhen für Deutsch- der Größenordnung von mindestens 20 % land sind im Hauptteil in 7 Abschn. 4.4.2 aufreten. Bei kurzen, lokal begrenzten Stark- beschrieben. regen ist der Fehler of noch deutlich größer Entscheidend für Bemessungsaufgaben (. Abb. 8.6) [55, 59]. Werden Stations- sind die Wahl von Jährlichkeit und Dauer- daten verwendet, wird generell empfohlen, stufe, da mit zunehmender Regendauer die eine zumindest grobe Plausibilitätsprüfung Niederschlagshöhe zu-, die Regenintensität 193 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen

. Tab. 8.8 Zeitliche Niederschlagsverteilung für Bemessungsniederschläge entsprechend DVWK [61]

Verteilung Statistische Kennzeichen

Blockregen Konstante Niederschlagsintensität während des gesamten Ereignisses Anfangsbetont in den ersten 20 % der Niederschlagsdauer fallen 50 % der Niederschlagssumme, in den nächsten 30 % der Niederschlagsdauer 20 % und im dritten und vierten Viertel der Niederschlagsdauer je 15 % der Niederschlagssumme Mittenbetont in den ersten 30 % der Niederschlagsdauer fallen 20 % der Niederschlagssumme, in den nächsten 20 % der Niederschlagsdauer 50 % und im dritten und vierten Viertel der Niederschlagsdauer je 15 % der Niederschlagssumme Endbetont im ersten und zweiten Viertel der Niederschlagsdauer fallen je 15 % der Niederschlags- summe, in den folgenden 30 % der Niederschlagsdauer 20 % und in den letzten 20 % der Niederschlagsdauer 50 % der Niederschlagssumme

aber abnimmt. Entsprechend nimmt bei 100 größeren Dauerstufen das Abfussvolumen 50 zu. Ebenso nimmt zunächst der Abfuss- 80 scheitel auch zu, bis die Regendauer D der 40 Konzentrationszeit t entspricht. Bei noch C 60 größeren Dauerstufen nimmt rechnerisch 30 der Scheitel wieder ab, weil die mittlere 40 Intensität abnimmt, während die Abfuss- 20 volumina mit zunehmender Dauerstufe weiter steigen. Für mittlere Bedingungen 10 20 und Planungsaufgaben kann aber auch ver- Relative Niederschlagsmenge (%)

0 0 Kumulative Niederschlagsmenge (% ) einfachend davon ausgegangen werden, dass 0305075 100 der Regen der nächstgrößeren Dauerstufe Relative Niederschlagsdauer (%) immer noch der gleiche Regen ist, der den größten Scheitel erzeugt hat, nur dass in den . Abb. 8.7 Empfohlene, mittenbetonte zeitliche hinzugekommenen Zeiten die Intensität deut- Niederschlagsverteilung für Bemessungsnieder- lich geringer ist. Unter diesen Umständen schläge; die blaue Fläche zeigt den relativen Nieder- schlag, die Linie die kumulative Niederschlagsmenge bleibt der Abfussscheitel derselbe und damit konstant. Diese Perspektive hat den Vor- teil, dass die maßgebende Niederschlags- lichen Praxis meist DVWK-Empfehlungen höhe unabhängig von Gebietseigenschafen [61, 62] verwendet werden. Sie unterscheiden defniert werden kann. Dieses Vorgehen anfangs-, mitten- und endbetonte Nieder- wurde beispielsweise im Leitfaden zum schlagsverteilungen sowie den Blockregen Kommunalen Starkregenrisikomanagement (. Tab. 8.8 und . Abb. 8.7). in Baden-Württemberg [60] aufgegrifen, In der Realität ist die zeitliche Nieder- wo Starkniederschläge einheitlich als Regen schlagsverteilung meist deutlich komplexer mit einer Dauerstufe von D 1 h defniert und mehrgipfige (sogenannte bi- und = wurden. multimodale) Verteilungen sind die Regel. Zusätzlich zu Jährlichkeit und Dauerstufe Entscheidend für die Praxis ist, dass die ist zur Bestimmung von Bemessungsregen die DVWK-Verteilungen unterschiedliche zeitliche (und ggf. auch räumliche) Verteilung Abfussscheitel verursachen. Dies ist wichtig, festzulegen. Dafür existieren unterschied- weil der Abfussscheitel meist die Höhe liche Ansätze, wobei in der wasserwirtschaf- des Schadens und die geschädigte Fläche 194 Kapitel 8 · Anhang

bestimmt. Die kleinsten Scheitelabfüsse in anderen Ländern, darunter den USA, ver- entstehen meist, wenn ein Blockregen breitet. Dort werden gebietstypische Nieder- angenommen wird. Eine konstante Nieder- schlagsverteilungen skaliert, sodass die schlagsintensität ist allerdings in der Regel Niederschlagshöhe einer defnierten Jähr- unrealistisch, gerade bei kurzen, konvektiven lichkeit erreicht wird [66]. Für Deutschland Starkregen. Die höchsten Scheitel treten liegen entsprechende Auswertungen nicht normalerweise bei endbetonten Regen auf, da fächendeckend vor. Um das Vorgehen nach- der Abfussbeiwert mit zunehmender Regen- zuahmen, kann die Methode auf Einzel- dauer zunimmt. Sofern für Bemessungs- ereignisse angewendet werden. Dazu wird aufgaben nicht vom ungünstigsten Fall ein historisches Ereignis ausgewählt, z. B. ausgegangen werden soll, ist die Verwendung das größte Ereignis der letzten 10 Jahre im eines mittenbetonten Niederschlags mit drei Untersuchungsgebiet, der zeitliche Verlauf verschiedenen Intensitätsstufen ein guter wird übernommen, und die Niederschlags- Kompromiss. Er wird daher, analog zu den höhe wird in jedem Intervall so skaliert, Empfehlungen in [61], als Standard zur dass sie einer defnierten Jährlichkeit, z. B. Abschätzung von Abfussscheiteln und für nach KOSTRA-DWD entspricht (s. Bsp. Dimensionierungsfragen empfohlen. in 7 Abschn. 8.4.7.2). Aktuelle Auswertung 8 Alternativ zur DVWK-Empfehlung bestätigen, dass mit derartigen Ansätzen der kann die zeitliche Verteilungen von Modell- Hochwasserwellenablauf und die Wellen- regen auch nach Euler (Typ 2) [63] oder überlagerung in größeren Einzugsgebieten anhand des statistischen Ansatzes von realistischer wiedergeben werden als durch Otter und Königer [64] festgelegt werden. Verwendung der DVWK-Verteilungen. Beide Verfahren werden in Deutschland Das gilt insbesondere für längere Regen unter anderem zur Bemessung von Ent- und Gebiete mit ausgeprägten Höhenunter- wässerungssystemen eingesetzt [33]. Bei schieden, wie Mittelgebirgslagen oder (vor) der Euler-Verteilung (Typ 2) tritt die größte alpine Landschafsräume. Dort weicht die Niederschlagsintensität bei 30 % der Regen- zeitliche Niederschlagsverteilung durch Stau- dauer auf. Die zeitliche Verteilung wird aus efekte und charakteristische atmosphärische KOSTRA-Niederschlagsdauern und -höhen Strömungsmuster häufg stark von den abgeleitet. Dabei wird angenommen, dass DVWK-Verteilungen ab [67]. z. B. der größte Tagesniederschlag auch Sind Jährlichkeit, Dauerstufe und zeit- den größten Stundenniederschlag und licher Verlauf defniert, müssen daraus Folgen den größten 10-min-Niederschlag eines mit gleichen (äquidistanten) Zeitintervallen bestimmten Wiederkehrintervalls enthält. erstellt werden. Die Wahl des Zeitschrittes Dadurch sind hohe Intensitäten, die für kleine orientiert sich wieder an der Fragestellung. Gebiete maßgebenden sind, ebenso enthalten, Prinzipiell gilt für Hochwasser: Je detaillierter wie Spitzenwerte größerer Dauer, die für die gewünschte Darstellung und je kleiner größere Gebiete maßgebend sind und hohe das Gebiet, desto feiner die erforderliche zeit- Abfussvolumina verursachen. liche Aufösung. Eine zu grobe Aufösung Otter und Königer leiten die zeitliche führt unweigerlich dazu, dass der Abfuss- Verteilung von Niederschlagsintensitäten scheitel zu niedrig ausfällt, da die Spitzen bei aus historischen Ganglinien ab. Dadurch einer zu starken Mittelung nicht aufgelöst können normierte, regionale Intensitäts- werden können. Bei Regendauern 10 h und ≥ verläufe für Modellregengruppen erstellt Fließzeiten >2 h genügen of stündliche Werte; werden [65]. Die Ableitung der Kenngrößen bei kürzeren Ereignissen und Fließzeiten sind ist allerdings aufwendig und langjährige Zeitintervalle von 5, 10 oder 20 min vorzu- Niederschlagsganglinien ( 20–30 a) sind ziehen. Beispiel: Angewendet auf einen 10-h, ≥ erforderlich. Ein solches Vorgehen ist auch mittenbetontem Modellregen (N 100 mm), = 195 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen bei dem 20 % des Niederschlags in den ersten 8.4.6 Veränderungen durch den 30 % der Niederschlagsdauer fallen, wären Klimawandel nach . Tab. 8.8 20 mm Niederschlag in 3 h anzusetzen. Verteilt auf stündliche Intervalle Eine Veränderung der Niederschlags- ergeben sich für die ersten drei Zeitschritte dynamik (Häufgkeit, Intensität) durch den der Ganglinie Niederschlagsintensitäten von Klimawandel ist omnipräsent [73], konkrete 1 20 mm/3 h 6,7 mm h− . In den nächsten Angaben über Ausmaß und die räumlichen = 1 zwei Intervallen wären es jeweils 25 mm h− , und zeitlichen Veränderungen sind jedoch usw. Bei der Aufeilung der Werte in feinere noch immer mit großen Unsicherheiten Zeitschritte wird üblicherweise angenommen, behafet. Auswertungen historischer Stations- dass die Regenintensität innerhalb der messdaten belegen eine starke Zunahme feineren Zeitschritte konstant ist. erosiver Starkregen in Deutschland in den Neben KOSTRA stehen weitere Daten- vergangenen Jahrzehnten [74–76]. Gleiche produkte zur Verfügung: Als Referenz zur Trends ergeben auch die Auswertungen von Abschätzung noch seltener Extremwerte Radardaten und Klimaprojektionen. Letztere eigenen sich beispielsweise die Maximierten legen nahe, dass sich die Niederschlagsmenge Gebietsniederschlagshöhen (MGN) [68] oder 10-jährlicher Starkregenereignisse zwischen für defnierte Wiederkehrzeiten (T 1000 a n = 2010 und 2040 um etwa 10 % erhöhen wird und T 10.000 a) der PEN-LAWA-Datensatz n = [77]. Ähnliche Ergebnisse sind auch für die (Praxisrelevante Extremwerte des Nieder- Veränderung typische Großwetterlagen, wie schlags in Deutschland) [69]. Um den Tief Mitteleuropa vorhanden, die in der Ver- kombinierten Einfuss von Schneeschmelze gangenheit mit dem Aufreten schwerer und Starkregen zu erfassen, wurde der Sturzfuten und Flussüberschwemmungen REWANUS-Datensatz (Regionalisierung der einhergegangen sind [78]. Die Autoren gehen Extremwerte der Wasserabgabe aus Nieder- davon aus, dass die Häufgkeit des Aufretens schlag und Schneedecke) entwickelt, der auf dieser Wetterlagen bei uns von 1950 bis 2100 Anfrage beim DWD bezogen werden kann. um 50 % zunehmen wird. Zeitreihen von Ein weiterer, zunehmend an Bedeutung Stationsniederschlagsmessungen und Radar- gewinnender Datensatz sind Extremwert- daten zeigten, dass die Erosivität seit den auswertungen von Radardaten [70, 71]. Ver- 1970er-Jahren bereits um 66 % zugenommen glichen mit den KOSTRA-Daten aus dem hat [79]. Diese Trends decken sich auch mit Bodenmessnetz unterscheiden sich die Radar- der Zunahme schwerer Gewitter und Hagel- daten vor allem im Raummuster bei kurzen stürme [80], die auf dem physikalischen Dauerstufen stark (. Abb. 8.8; vergleiche a Zusammenhang zwischen Luftemperatur und b). Die Radardaten zeigen insbesondere, und der in der Luf gespeicherten Wasser- dass kurze Starkregen (und damit Sturz- menge beruhen. Dabei ist der Anstieg bei futen) überall aufreten können. Die Flecken Starkregen etwa doppelt so stark, als man der Karte entstehen nur, weil 17 Jahre Radar- allein aufgrund der Clausius-Clapeyron- daten zu kurz sind, um an jedem Ort einen Gleichung oder ihrer Vereinfachung, der kurzen, hefigen Starkregen zu erfassen. Erst August-Roche-Magnus-Gleichung, erwarten mit zunehmender Dauerstufe gleichen sich kann [76]. Außerdem nehmen die Intensitäten die räumlichen Unterschiede zwischen Daten zu [81, 82]. Hinzu kommt, dass durch die aus dem Bodenmessnetz und denen aus dem Erderwärmung die Winde abgebremst werden Radar an (. Abb. 8.8; vergleiche c und d), [83], wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, und die Verteilung der Extremwerte wird im dass konvektive Regenzellen längere Zeit über Wesentlichen von der Topographie bestimmt einem Ort verweilen. Auch wenn die Regen- [72]. menge insgesamt nicht steigt, führt das doch 196 Kapitel 8 · Anhang

. Abb. 8.8 Vergleich der Extremwertauswertung einstündiger (obere Zeile) und 12-stündiger (untere Zeile), 20-jährlicher Niederschläge in Deutschland basierend auf dem Bodenmessnetz (1951–2010; linke Spalte) und den Radardaten (2001–2018; rechte Spalte). (Quelle: Deutscher Wetterdienst 2019) 197 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen dazu, dass in nächster Nachbarschaf Orte viel Ganglinie mit etwa 10 gleichlangen Inter- zu viel und viel zu wenig Regen bekommen. vallen. Es kann von mittleren Verhältnissen Das Simbach-Ereignis [84, 85] ist ein hervor- ausgegangen werden und eine mittenbetonte stechendes Beispiel dafür. Ein im Grunde Verteilung entsprechend [61] verwendet moderater Regen hat Schäden in Milliarden- werden. Hier wird beispielhaf die Ganglinie höhe und mehrere Tote hinterlassen, weil für einen Fall (D 3 h, T 10 a) erzeugt. = n = sich das konvektive Zell-Cluster innerhalb von zwei Tagen um weniger als 10 km bewegt z Erforderliche Daten und Hilfsmittel hat und dadurch über genau einem Einzugs- 5 Geographisches Informationssystem gebiet abgeregnet ist. Zusammenfassend 5 Koordinaten des Waginger Sees, alternativ muss daher davon ausgegangen werden, dass topographische Karte sich die Anzahl schwerer Starkregen in den 5 KOSTRA-DWD Datensatz (Version kommenden 30 Jahren (bis 2050) gegenüber 2010R) dem aktuellen Stand (2015) etwa verdoppeln wird. z Lösung 1. Bestimmung der Bemessungsnieder- schlagshöhen: Durch Überlagerung 8.4.7 Anwendungsbeispiele der KOSTRA-Rasterelemente mit dem zur Festlegung von Einzugsgebiet des Waginger Sees in Bemessungsniederschlägen einem Geographischen Informations- system werden relevante Zellen 8.4.7.1 Erstellung eines identifziert und mögliche Nieder- Modellregens aus KOSTRA- schlagsextreme für unterschiedliche Daten Dauerstufen und Wiederkehrintervalle ermittelt (. Tab. 8.9). Die kurzen Dauer- z Aufgabenstellung stufen geben Auskunf über mögliche Zum Wasserrückhalt in der Fläche sollen Niederschlagsmengen bei konvektiven im Einzugsgebiet des Waginger Sees im Ereignissen (Gewittern), die langen Rupertiwinkel im Landkreis Traunstein Dauerstufen über ergiebige Landregen. (Oberbayern) Kleinstrückhaltebecken 2. Ableitung einer Ganglinie für den Bemessungsniederschlag N 53 mm in der Landschaf installiert werden. Zur B = (D 3 h, T 10 a): Zunächst wird Abschätzung ihres Volumens werden unter- = n = ein mittenbetonter Modellregen ent- schiedliche Bemessungsniederschläge nach sprechend der DVWK-Verteilung KOSTRA benötigt. Es ist daher zu ermitteln, konstruiert. Für mittenbetonte Nieder- mit welchen Niederschlagshöhen in der schläge gilt nach . Tab. 8.8, dass in den Region zu rechnen ist, wenn es 1, 3, 12 oder ersten 30 % der Niederschlagsdauer 20 % 24 h (Dauerstufe D 1, 3, 12 und 24) regnet = der Niederschlagssumme fallen, in den und die statistische Wiederkehrhäufg- nächsten 20 % der Niederschlagsdauer keit dieser Regen 2, 10 oder 50 Jahren ent- 50 % und im dritten und vierten Viertel spricht (Jährlichkeit T 2, 10 und 50 a). Um n = konkrete Abfussganglinien für die Zufüsse der Niederschlagsdauer je 15 % der Schinderbach und Höllenbach zu erstellen, Niederschlagssumme. Für den konkreten ist es zudem erforderlich, die ermittelten Fall ergibt sich für das erste Intervall von 3 h 0,3 54 min eine Regenmenge von KOSTRA-Niederschlagshöhen in Modell- · = 53 0,2 11 mm, usw. regen zu überführen. Benötigt wird dafür eine · = 198 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.9 Niederschlagshöhen in mm für unterschiedliche Dauerstufen (D) und Wiederkehrintervalle

(Tn) entsprechend KOSTRA, Version 2010R im Untersuchungsgebiet

D = 1 h D = 3 h D = 12 h D = 24 h

Tn = 2 a 28 35 48 64

Tn = 10 a 42 53 73 96

Tn = 50 a 55 72 99 129

. Tab. 8.10 Konstruktion einer mitten- 50 50 betonten Ganglinie für einen Bemessungs-

niederschlag von 53 mm innerhalb von )

40 40 -1 180 min. Die Spalten 1 bis 5 sind der aufsummierte Zeitanteil, der Niederschlagsanteil

des Zeitschritts, die aufsummierte Zeit, der 30 30 (mm h Niederschlag des Zeitschritts, der aufsummierte Niederschlag 20 20 (1) (2) (3) (4) (5) 8 10 10 Regenintensi tät ∑t ∆ NB t (min) ∆ NB (mm) ∑ NB (mm)

0,3 0,2 54 11 11 Regenmenge je Zeitschritt (mm) 0 0 03672108 144180 0,5 0,5 90 27 37 Kumulierte Zeit (min) 0,75 0,15 135 8 45 . Abb. 8.9 Regenmenge je Zeitintervall und daraus 1 0,15 180 8 53 abgeleitete Regenintensität für einen mittenbetonten Bemessungsniederschlag von 53 mm innerhalb von 180 min. Die Gitterlinien trennen die vier vor- Eine einfache tabellarische Lösung für gegebenen Zeitintervalle für einen mittenbetonten beliebige Intervalle ist möglich, indem die Niederschlag relativen Zeit- und Niederschlagsanteile der gewählten Verteilung von . Tab. 8.8 in Um die Ganglinie für die Modellierung Spalte 1 und 2 von . Tab. 8.10 übernommen zu erzeugen, werden die Intervalle von werden. Durch Multiplikation der relativen . Tab. 8.10 in feinere und äquidistante Inter- Zeit mit der Regendauer D (min) und der valle aufgeteilt. In den meisten Fällen (und ∆ relativen Niederschlagsanteile ( NB) mit auch für die vorliegende Fragestellung) reicht der Bemessungsniederschlagshöhe (mm) es, den Regen in ca. 10 gleichlange Intervalle resultieren absolute Werte (Spalte 3 und 4 in aufzuteilen. In dem Fall wäre es besonders . Tab. 8.10). Zur Kontrolle kann Spalte fünf einfach, zehn Intervalle à 18 min zu bilden. erzeugt werden, in der die Werte aus Spalte Dann würde die erste Intensität für die ersten 4 aufsummiert werden. Der unterste Wert drei Zeitschritte gelten, die zweite Intensität muss mit der vorgegebenen Bemessungs- für die nächsten zwei Zeitschritte und die niederschlagshöhe (NB) übereinstimmen. letzten fünf Zeitschritte hätten die dritte bzw. Eine grafsche Darstellung (. Abb. 8.9) die gleich hohe vierte Intensität (vergleiche macht deutlich, dass im zweiten Intervall, die Markierungen auf der x-Achse von in dem am meisten Regen fällt, die Intensi- . Abb. 8.9, die 18-min-Intervalle abgrenzen). tät besonders hoch ist, weil die Dauer dieses Etwas schwieriger wird es, wenn man das Intervalls kürzer als das der anderen ist. Intervall z. B. auf ∆t 20 min festlegt. = 199 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen

14 min × 12 + 6 min × 45 = 22 mm h-1 . Tab. 8.11 Niederschlagsganglinie eines 20 min historischen Regens (N) und daraus abgeleitete 10 min × 45 + 10 min × 11 = 28 mm h-1 Ganglinie des Bemessungsregens (N ) 20 min B 50 50 (1) (2) (3)

) ) Zeit (h) Nh (mm) NB (mm) -1 40 40 -1 1 3 10,2 30 30 2 2 6,8 3 1 3,4 20 20 4 4 13,6

10 10 variabler Zeitschritt 5 5 16,9 feste 20-min-Zeitschrittr Regenintensität (mm h Regenintensität (mm h 6 3 10,2 0 0 02 04 06 0100 140180 Summe 18 61 Kumulierte Zeit (min)

. Abb. 8.10 Aufteilung (Disaggregierung) der werden, der statistisch alle 30 Jahre erreicht Ganglinie des Bemessungsniederschlags mit wenigen, oder überschritten wird (T 30 a). Um ungleich langen Zeitschritten aus . Abb. 8.9 (rote n = Linie) in neun gleichlange (äquidistante) Zeitintervalle lokale meteorologische Gegebenheiten zu von 20 min Länge (blaue Linie). Die Regenmenge je berücksichtigen, soll die Ganglinie dabei Zeitschritt ist ein Drittel (20 min/60 min) der dar- der Ganglinie eines historischen, im Gebiet gestellten Intensität bei festem 20-min-Zeitschritt erfassten Regens (Nh) entsprechen (Spalte 1 und 2 in . Tab. 8.11). Den Rechenweg im dritten und fünfen Zeitintervall, in denen bei konstantem z Erforderliche Daten und Hilfsmittel 20-min-Intervall die Regenintensität des 5 Geographisches Informationssystem mittenbetonen Modellregens wechselt, ver- 5 Einzugsgebietsgrenze des Untersuchungs- anschaulicht . Abb. 8.10. gebietes (auch aus DGM oder topographischer Karte ableitbar) 8.4.7.2 Skalierung eines 5 KOSTRA-DWD Datensatz (Version historischen Regens 2010R)

z Lösung z Aufgabenstellung 1. Bestimmung der Bemessungsnieder- Aus Gründen des Gewässerschutzes schlagshöhe (N ): In einem Geo- sollen der Nährstofeintrag und die B graphischen Informationssystem Abschwemmung von Bodenmaterial werden die Rasterelemente des in den Vilstal-Stausee in Niederbayern KOSTRA-Datensatzes (D 6 h, T 30 a) reduziert werden. Um die Stoffrachten in = n = mit dem Einzugsgebiet des Schwimm- dem wichtigsten Zufuss, dem Schwimm- bachs überlagert (. Abb. 8.11). Der bach, zu ermitteln und das Potenzial von nordwestliche Teil des Gebietes wird von Rückhaltemaßnahmen abzuschätzen zu Rasterelementen der Klasse 55–60 mm können, sollen Modellrechnungen durch- überdeckt, der übrige Teil von Raster- geführt werden. Dafür ist eine Nieder- elementen mit 60–70 mm. Unter der schlagsganglinie als Eingabegröße Annahme, dass ein einheitlicher Wert erforderlich. Es soll ein 6-stündiger das Gebiet hinreichend genau beschreibt, KOSTRA-Niederschlag (D 6 h) verwendet = 200 Kapitel 8 · Anhang

20 NB(mm) Nh(mm) 15

5 Niederschlag (mm)

0 0123456 Zeit (h)

. Abb. 8.12 Ableitung eines 6-h synthetischen

Bemessungsregen (NB) aus gemessenen historischen Daten (Nh) durch Multiplikation der stündlichen Mess- werte mit einem Faktor (C 3,39) s = . Abb. 8.11 Schematische Darstellung von Topographischer Karte (Hintergrund), Grenze des 8 Schwimmbacheinzugsgebietes bei Marklkofen in 8.4.7.3 Rekonstruktion und Niederbayern (rote Linie) und Starkregenhöhe nach Erstellung einer KOSTRA-DWD Version 2010R (grüne, halbtransparente Niederschlagsganglinie aus Polygone) (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungs- verwaltung) Radardaten

z Aufgabenstellung wird der Mittelwert gebildet und In der Nacht vom 08. auf den 09.06.2016 N 61 mm festgelegt. B = traten bei Günzburg, Wertingen und Augs- 2. Ermittlung des Skalierungsfaktors burg mehrere lokale Starkregen auf. Aus- (Cs) für das historische Ereignis. Der uferungen des Riemgrabens bei Günzburg Faktor ergibt sich aus dem Quotienten verursachten dabei unter anderem die der Bemessungsniederschlagshöhe Vollsperrung der Bundesstraße B16. Ein (N 61 mm) und der Höhe des B = Hauptproblem dieses Ereignisses war, dass gemessenen Niederschlags (N 18 mm): h = die hohen Fließgeschwindigkeiten große Schlammfrachten aus der Fläche in ein NB 61 CS = = = 3,39 (8.6) kleines Gewässer, den Riemgraben, und Nh 18 von dort bis in eine Unterführung der B16, den Mühlwegtunnel, transportierten. 3. Skalierung des historischen Regens: Im Tunnel verstopfe der mitgeführte Die Ganglinie des Bemessungsregens Schlamm die Straßenentwässerung und ver- wird abgeleitet, indem jeder Wert des hinderte so den Ablauf des Wassers über beobachteten Ereignisses (Spalte 2 die Kanalisation2, wodurch weiträumige in . Tab. 8.11) mit dem ermittelten Straßensperrungen erforderlich wurden. Skalierungsfaktor C 3,39 multipliziert s = Um die Abfussbildung zu untersuchen wird. Die resultierenden Werte zeigt Spalte 3 in . Tab. 8.11. Die unterschiedlichen Regensummen des historischen und des skalierten Modellregens bei 2 7 http://www.augsburger-allgemeine.de/ gleichem zeitlichem Verlauf sind in dillingen/Ueberfutungen-nach-Starkregen-Wo- . Abb. 8.12 dargestellt. droht-jetzt-Hochwasser-id38030907.html 201 8 8.4 · Ableitung von Gebiets- und Bemessungsniederschlägen und die Fließpfade im Einzugsgebiet des außer einem Werkzeug zur Koordinaten- Riemgrabens (A 5,6 km2) nachzuvoll- transformation keine weiteren speziellen EZG = ziehen, soll das Ereignis mithilfe einfacher Computerprogramme. Alternativ kann Modellrechnungen rekonstruiert werden. die Bestimmung der Rasterzellen und Als Modelleingabe ist unter anderem eine -werte visuell in einem Geographischen Niederschlagsganglinie erforderlich, die aus Informationssystem erfolgen. Die wesent- Radardaten rekonstruiert werden soll, da lichen Arbeitsschritte dieses Weges werden die umliegenden Niederschlagsstationen die im Folgenden skizziert; Details werden gewittrigen Schauer aufgrund der kleinen aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher räumlichen Ausdehnung nicht erfasst hatten. GIS-Programme und Versionen aber nicht beschrieben: z Erforderliche Daten und Hilfsmittel 1. Erforderliche RADOLAN-Daten 5 Geographisches Informationssystem herunterladen und zusammen mit 5 Koordinaten des Einzugsgebietes des den Geodaten im GIS visualisieren Riemgrabens bei Günzburg (z. B. WGN25 (Hinweise zum Umgang mit der Datensatz) oder topographische Karte RADOLAN-Projektion sind im Down- 5 Radardaten des 08. und 09.06.2016 loadbereich des DWD zu fnden). Ggf. in stündlicher Aufösung (z. B. im Anlegen und Laden einer Layer-Datei, ascii-Format, verfügbar im Climate um alle RADOLAN-Daten einheitlich Data Center des DWD, hier wird zur darzustellen. Illustration mit RADOLAN Daten 2. Identifzierung der relevanten Raster- gearbeitet, alternativ und teilweise besser zellen durch Überlagerung des geeignet ist der RADKLIM Datensatz) Untersuchungsgebietes mit den RADOLAN-Daten: Das Einzugsgebiet z Lösung des Riemgrabens wird durch zehn Um die Niederschlagsganglinie zu erzeugen, RADOLAN-Zellen abgedeckt. Für die müssen die relevanten Rasterzellen in den Bestimmung der Ganglinien des Gebiets- RADOLAN-Daten (Flächenabdeckung: ganz niederschlags eigenen sich Werkzeuge Deutschland, eine Datei pro Stunde) identi- wie „Zonale Statistik“, die im Standard- fziert werden. Die erforderliche Ganglinie umfang von GIS-Programmen enthalten ergibt sich, indem die Pixelwerte über den sind. Sie erlauben unter anderem, den Zeitraum des Regens aneinandergereiht Mittelwert der in dem Fall zehn Raster- werden. Ist lediglich eine RADOLAN-Kachel zellen zu ermitteln, die mithilfe eines relevant, können die Pixelwerte direkt aus- Polygons (Einzugsgebietsgrenze) identi- gelesen werden. Wird das Gebiet von fziert werden. Bei kurzen Regendauern mehreren Rasterzellen überdeckt, ergibt sich kann der Schritt von Hand für jede der Gebietsniederschlag aus dem Mittel der RADOLAN-Datei einzeln durchgeführt einzelnen Zellen. werden. Müssen viele Dateien verarbeitet Die Identifzierung der Pixel kann auf werden, bietet sich eine automatisierte unterschiedlichen Wegen erfolgen. Eine Abarbeitung an. Eine Visualisierung der Möglichkeit besteht darin, die Koordinaten Arbeitsschritte im GIS bietet den Vor- des Einzugsgebietes in das RADOLAN- teil, dass zeitliche und räumliche Muster Koordinatensystem zu übersetzen. Dadurch in den Regenmengen deutlich werden lassen sich die Zeilen- und Spaltenindizes (. Abb. 8.13, a und b). der relevanten Rasterkacheln ermitteln 3. Durch Aneinanderreihung der mittleren und die Niederschlagswerte können direkt Rasterwerte jeder Stunde ergibt sich für aus der Rasterdatei (ascii Format) ent- die Nacht vom 08. auf den 09.06.2016 ein nommen werden. Dieser Ansatz erfordert Gebietsniederschlag von rund 75 mm in 202 Kapitel 8 · Anhang

a b

15 80 c

) (mm) 8 -1 -1 (mm h ) 60 10

5 20 Stundenintensitat (mm h Niederschlagssumme (mm)

0 0 0 0 0 0 0 0 0 19:5 21:5 23:5 01:5 03:5 05:5 07:5

. Abb. 8.13 Räumliche Verteilung der Niederschlagsstundensummen (bunte Kacheln) um 4 Uhr (a) bzw. 8 Uhr morgens (b) am 09.06.2016 über dem Einzugsgebiet (schwarze Linie) des Riemgrabens (dünne blaue Linie) bei Günzburg (rosa Fläche). Der Riemgraben mündet in die Günz und diese in die Donau (dicke blaue Linien). Den RADOLAN-Daten nach (c) felen in der Nacht knapp 75 mm Niederschlag mit maximalen Stundenintensitäten von fast 15 mm h-1 (Geobasisdaten: Bayerische Vermessungsverwaltung)

14 h. Es handelte sich um einen zeit- und basiert auf Modellvorstellungen, die lich mitten- bis endbetonten Verlauf auch anderen Standardverfahren wie dem (. Abb. 8.13 c). Konzept koaxialer Graphiken [87, 88] oder dem CN-Verfahren [89] zugrunde liegen. Die Ableitung des Verfahrens und die Schätzung 8.5 Bestimmung der Abfusshöhe der Variablen beruht auf Auswertung von nach Lutz 961 Niederschlag-Abfuss-Ereignissen aus 75 Einzugsgebieten in verschiedenen Eine Alternative zum CN-Verfahren zur Regionen Deutschlands (Einzugsgebietsgröße Bestimmung der abfusswirksamen Nieder- 3–250 km2). Modifkationen des ursprüng- schlagshöhe ist das Verfahren von Lutz [86]. lichen Verfahrens und Vergleiche mit Es berücksichtigt wesentliche Mechanismen anderen Verfahren werden von [90] und 203 8 8.5 · Bestimmung der Abfusshöhe nach Lutz

[91] beschrieben. Da das Verfahren in der beiwert defniert (linker Term von 7 Gl. 8.8). operationellen wasserwirtschaflichen Praxis Der maximale Abfussbeiwert ist der pro- in Deutschland eine gewisse Bedeutung zentuale Anteil des Niederschlags, der bei erlangt hat [92], wird es hier beschrieben. einem unendlich langen und großen Regen Beim Lutz-Verfahren wird, wie beim abfießt. In diesem Aspekt ähneln sich Lutz- CN-Verfahren, von einem gewissen Rück- und CN-Verfahren stark, da die von Lutz ver- halt zu Beginn eines Regens ausgegangen. wendeten Abfussbeiwerte aus CN-Werten Erst wenn der Niederschlag die Anfangsver- abgeleitet wurden. Sie variieren in Abhängig- luste übersteigt, fießt ein Teil des folgenden keit von Landnutzung, hydrologischer Regens ab. Die resultierende, abfusswirksame Bodenklasse und der Bewirtschafungs- Niederschlagshöhe ergibt sich aus Stand- weise und können Nachschlagetabellen ort- und ereignisspezifschen Eigenschafen: (. Tab. 8.12) entnommen werden. Die zweite Berücksichtigt werden Anfangsverluste und Komponente des Modells (rechter Term von ein maximaler Abfussbeiwert, die beide von 7 Gl. 8.8) trägt dem Umstand Rechnung, der Landnutzung und hydrologischen Eigen- dass der Abfussanteil erst mit zunehmender schafen des Bodens abhängen, sowie ereignis- Sättigung der Speicherkapazität des Bodens spezifsche Kenngrößen (Niederschlagshöhe, steigt. Hier gehen ereignisspezifsche Vorfeuchte und Jahreszeit). Zudem verfügt Variablen und gebietsspezifsche Konstanten das Modell über drei Parameter, die üblicher- ein. Bei ungünstigen Bedingungen (z. B. weise als Kalibriergrößen verwendet werden. undurchlässige Böden mit geringem Speicher- Letztere stellen einen wesentlichen Unter- vermögen, spärliche Vegetationsbedeckung, schied zum CN-Verfahren dar, da sie eine hohe Vorfeuchte) wird der rechte Term Anpassung des Modells an gebietsspezifsche klein und der Abfuss strebt gegen den vom Bedingungen ermöglichen. Der Einsatz von linken Term defnierten, maximal möglichen Kalibriergrößen birgt jedoch auch Nachteile, Abfuss. Bei günstigen Bedingungen (z. B. da die ursächlichen Gründe, die die Modell- durchlässige Böden mit hohem Speicherver- anpassung erfordern, meist im Unklaren mögen, hohe Vegetationsbedeckung, geringe bleiben. Zusätzlich sind lange Messreihen Vorfeuchte) wird der rechte Term groß und erforderlich, um die Kalibriergrößen robust der resultierende Abfuss in Folge gering. zu bestimmen. Die Übertragung angepasster In bebauten Gebieten wird ein konstanter Modellparameter auf andere Gebiete, selbst Abfussbeiwert verwendet und davon aus- auf Teilgebiete oder die Anwendung des gegangen, dass nach Abdeckung des Anfangs- Modells im Extrapolationsbereich ist damit verlustes der komplette Niederschlag abfießt streng genommen unzulässig. (7 Gl. 8.9), wobei auch für diese Gleichung Konzeptionell ergibt sich die abfuss- Variationen beschrieben sind, um beispiels- wirksame Niederschlagshöhe beim weise den Versiegelungsgrad zu berück- Lutz-Verfahren aus der Summe des von sichtigen [93]. unbebauten (N ) und von bebauten ef,U S = N − Neff = N − Neff U + Neff S (8.7) Gebieten (N ) abfießenden Niederschlags , , ef,S (7 Gl. 8.7–8.9). Unbebaut ist dabei nicht land- Wobei wirtschaflich zu verstehen, sondern meint S - Gebietsrückhalt (mm) nicht-versiegelte Flächen. Auf unbebauten N - Gebietsniederschlag (mm)

Flächen wird der abfießende Niederschlag Nef - Abfießender Teil des Niederschlags (mm) aus zwei Komponenten ermittelt: Die erste ist Nef,U - Abfuss von unversiegelten Flächen (mm) statisch und durch den maximalen Abfuss- Nef,S - Abfuss von versiegelten Flächen (mm) 204 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.12 Maximale Abfussbeiwerte (Ψmax) (–) für unterschiedliche hydrologische Bodengruppen und Landnutzungstypen (verändert nach [86]). Um ackerbauliche Bewirtschaftungspraktiken wie nicht-

wendende Bodenbearbeitung (NW), Mulchsaat (MS5–30 %), Mulchdirektsaat (MS>30 %) und höhenlinien- parallelen Anbau (HP) zu berücksichtigen, sind die jeweiligen maximalen Abfussbeiwerte um die unten angegebenen Faktoren zu reduzieren. Letztere wurden mithilfe linearer Regressionen aus CN-Werten

abgeleitet. Dabei wurde angenommen, dass die von Lutz in den 1980er-Jahren defnierten Ψmax-Werte den CN-Werten für „poor conditions“ entsprechen und infltrationsfördernde Bedingungen („good conditions“) z. B. durch Fruchtfolgen mit Kleegras und Leguminosen, hohe durchgehende Bedeckung, gute Bodenstruktur und ausgeprägte Bodenfauna den Effekten einer nicht-wendenden Bodenbe- arbeitung gleichgesetzt werden können

Ackera Grünland Sonstige Wald

Hydrologische Reihen- Getreide- Kleegras, Weide- Dauer- Haine, Wald Bodengruppeb kulturen anbau Luzerne, land wiese Obstanlagen, etc. u. Ä.

A 0,62 0,54 0,51 0,34 0,10 0,17 0,17 B 0,75 0,70 0,68 0,60 0,46 0,48 0,48 C 0,84 0,80 0,79 0,74 0,63 0,66 0,62 8 D 0,88 0,85 0,84 0,80 0,72 0,77 0,70 Bewirtschaftung Reduktionsfaktoren NW 6 % 3 % – – – – –

MS5-30% 4 % 2 % – – – – –

MS>30% 15 % 8 % – – – – – HP 5 % 4 % – – – – – HP + NW 11 % 7 % – – – – –

HP + MS5-30% 9 % 8 % – – – – –

HP + MS>30% 16 % 10 % – – – – –

HP + NW + MS>30% 17 % 13 % – – – – –

aSonderkulturen wie Spargel, Hopfen, Gemüse oder Wein sind wie Reihenkulturen (z. B. Kartoffeln, Mais, Zuckerrübe und Sonnenblumen) zu behandeln bKurzbeschreibung der hydrologischen Bodengruppen: A: Schotter, Kies, Sand (sehr durchlässig, kleinster Abfuss) B: Feinsand, Löss, leicht tonige Sande (durchlässig, mäßiger Abfuss) C: Bindige Böden mit Sand, Mischböden: lehmiger Sand, sandiger Lehm, tonig-lehmiger Sand (mäßig durchlässig, mittlerer Abfuss) D: Tone, Lehm, dichter Fels, stauender Untergrund (relativ undurchlässig, großer Abfuss) 205 8 8.5 · Bestimmung der Abfusshöhe nach Lutz und 300 a=0,02, max=0,4 a=0,02, =0,6 Neff ,U = N − AV,U · Ψmax 250 max a=0,02, max=0,8 Ψmax − ·( − ) a=0,003, =0,7 − · 1 − e a N AV,U 200 max a=0,01, =0,7 a max − a=0,1, max=0,7 · AEZG AS 150 AEZG 100

(8.8) Retention S (mm) 50 AS Neff ,S = N − AV,S · Ψs · (8.9) AEZG 0 050 100 150 200 250 300 Hier sind: Niederschlag (mm) AV,U - Anfangsverlust unversiegelter Flächen (mm) . Abb. 8.14 Einfüsse von maximalem AV,S - Anfangsverlust versiegelter Flächen (mm) Abfussbeiwert (Ψ ) und Proportionalitätsfaktor (a) Ψ - Maximaler Abfussbeiwert unversiegelter max max auf den Gebietsrückhalt (S) beim Lutz-Verfahren [86] Flächen bei unendlich großen Regen (–) a - Proportionalitätsfaktor (1/mm) 2 AEZG - Einzugsgebietsfäche (km ) von Bemessungs- oder die Bestimmung von 2 AS - versiegelte Einzugsgebietsfäche (km ) Gebietsniederschlägen ist in 7 Abschn. 4.4

ΨS - Abfussbeiwert versiegelter Flächen (–) und 8.4 beschrieben. Maximale Abfussbei- werte können in Abhängigkeit von der hydro- Den größten Einfuss im ländlichen Raum logischen Bodengruppe (vgl. 7 Abschn. 8.6) Ψ . Tab. 8.12 haben der maximale Abfussbeiwert ( max) und der Landnutzung aus und der Proportionalitätsfaktor (a). Bei geschätzt werden. Anfangsverluste sind in großem Faktor a strebt der zweite Term in . Tab. 8.13 zusammengestellt. Treten in der Klammer von 7 Gl. 8.8 gegen null und einem Gebiet unterschiedliche Bodengruppen der Abfuss wird durch den maximalen und Landnutzungen auf, sind einheit- Abfussbeiwert bestimmt. Ein kleiner Faktor liche Teilgebiete abzugrenzen. Die abfuss- a reduziert dagegen den Abfuss bzw. erhöht wirksame Niederschlagshöhe ist für diese Ψ den Rückhalt. Die Parameter a und max sind Teilgebiete getrennt zu ermitteln. Werden gleichermaßen sensitiv und in ihrer Wirkung versiegelte Flächen berücksichtigt, wird der ähnlich wenn auch reziprok. Sie können sich maximale Abfussbeiwert dort konstant mit zum Teil gegenseitig ersetzen (. Abb. 8.14). Ψ 1 angesetzt. Gleiches gilt für Wasser- S = In ländlichen Einzugsgebieten ohne fächen, die analog zu versiegelten Gebieten nennenswerte Bebauung und Straßen gilt behandelt werden. Um weitere, für spezielle N 0 und A 0, wodurch 7 Gl. 8.9 entfällt Bedingungen maximale Abfussbeiwerte aus ef,S = S = und 7 Gl. 8.8 vereinfacht werden kann: CN-Werten abzuleiten, kann die Gleichung in der Klammer (Ψ 0,0118 CN – 0,214) max = · Neff = N − AV,U · Ψmax verwendet werden. Dies erfordert allerdings Ψ − · − (8.10) Umsicht, da das Lutz-Verfahren im Jahres- − max · − a (N AV,U ) 1 e verlauf wechselnde Abfussbedingungen a (z. B. der Wechsel zwischen Brache und einer Die wesentlichen Einfussgrößen in dieser wachsenden Kultur und den wechselnden Gleichung sind der Gebietsniederschlag (N), Abfussbedingungen innerhalb einer Kultur) Ψ der maximale Abfussbeiwert ( max) sowie nicht im maximalen Abfussbeiwert berück- der Proportionalitätsfaktor (a). Die Festlegung sichtigt, sondern in einer Wochenzahl, die für 206 Kapitel 8 · Anhang

Gl. 8.11 . Tab. 8.13 Anfangsverluste für unter- in 7 bildet saisonale Efekte ab. Sie schiedliche hydrologische Bodengruppen und ist dreiecksförmig defniert und im Sommer, Landnutzungen nach Lutz; weiterführende bei größter biotischer Aktivität, am kleinsten Informationen zur hydrologischen Boden- (. Tab. 8.14). Je kleiner die Wochenzahl ist, gruppen können 7 Abschn. 8.6, eine Kurz- desto kleiner wird a und desto kleiner der beschreibung . Tab. 8.12 entnommen werden resultierende Abfuss. Umgekehrt resultieren Anfangsverluste in mm außerhalb der Vegetationsperiode und ins- Hydrologische A B C D besondere im Winter höhere Abfüsse, da WZ Bodengruppe steigt und in Folge a größer wird. Ein Nachteil der Wochenzahl besteht darin, dass sie eine Landwirtschaftliche 7,0 4,0 2,0 1,5 Flächen Vielzahl möglicher Einfüsse zusammenfasst und nur die mittlere (historische) Situation Bewaldete Flächen 8,0 5,0 3,0 2,5 der Einzugsgebiete von Lutz [86] abbildet. Versiegelte Flächen 1 Unterschiedliche Kulturen oder die Ver- änderungen von Klima (z. B. erfolgt die Ein- saat von Mais heute etwa 3 Wochen früher alle Landnutzungen einheitlich gilt. Würde als in den 1960er-Jahren, aus denen die Daten 8 man im Jahresverlauf wechselnde CN-Werte von Lutz stammen) können damit nicht zur Ableitung des maximalen Abfussbeiwerts abgebildet werden. Ψ max verwenden, würde der Jahresgang quasi Die Vorfeuchte eines Einzugsgebietes doppelt berücksichtigt werden. beeinfusst sein Abfussverhalten ebenfalls, da sie die relative Sättigung der Speicher- kapazität des Bodens bestimmt. Verbreitete 8.5.1 Bestimmung des Hilfsgrößen zur Abschätzung der relativen Proportionalitätsfaktors a Sättigung stützen sich auf Vorregenindizes oder den Gewässerabfuss bzw. die Abfuss- Zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors spende vor Regenbeginn z. B. [94]. Das gilt a werden die von Lutz [86] empfohlene auch für das Lutz-Verfahren, das die Abfuss- Variante sowie zwei weitere, neu abgeleitete spende eines Gewässers vor Regenbeginn als Alternativen beschrieben: Lutz berück- Schätzgröße verwendet. Daher kann ohne sichtigt bei der Bestimmung von a zwei ereig- Kenntnis der Abfusssituation vor einem nisspezifsche Variablen (WZ und qB) und Ereignis der Parameter a nicht bestimmt drei gebietsspezifschen Konstanten (C1… werden. Um den Faktor a trotzdem nach C3). Dieses Vorgehen ist geeignet, wenn die 7 Gl. 8.11 bestimmen zu können, wurden drei Konstanten mit Messdaten kalibriert werden Vorfeuchteklassen gebildet (trocken, mittel, können. Der Faktor a ergibt sich dann aus: nass) und ihnen durch Auswertung von Ereig-

−C2/WZ −C3/qB nisabfüssen mit Daten aus dem Donauein- a = C1 · e · e (8.11) zugsgebiet [95] eine mittlere Abfussspende Wobei zugewiesen (. Tab. 8.15). Für Planungsfälle ist WZ - Wochenzahl (–) die Näherung hinreichend genau. Sind Mess- q - Basisabfussspende zum Ereignisbeginn (l s 1 B − werte der Abfussspende für konkrete Ereig- km 2) − nisse verfügbar, sind diese den Klassenmitteln C …C - Gebietsspezifsche Konstanten mit den Ein- 1 3 vorzuziehen. heiten C (mm 1), C (–) und C (l s 1 km 2) 1 − 2 3 − − Die zweite Möglichkeit, den Faktor a zu bestimmen, nutzt in Anlehnung an das Die Ermittlung der gebietsspezi- CN-Verfahren anstelle der Wochenzahl die fschen Konstanten (C , C und C ) ist in 1 2 3 Bodenbedeckung, um die jahreszeitliche 7 Abschn. 8.5.2 beschrieben. Die Wochenzahl 207 8 8.5 · Bestimmung der Abfusshöhe nach Lutz

. Tab. 8.14 Zuordnung von Wochenzahlen für die Monate des Jahres

Monat 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Wochenzahl 23 21 18 15 11 8 5 8 11 15 18 21

. Tab. 8.15 Mittlere Abfussspende für das Lutz-Verfahren je nach Vorfeuchteklasse

Vorfeuchteklasse Trocken Mittel Nass

Typische Situation Im Sommer und Spätsommer Normalfall Im Winter und Frühjahr, wenn nach längeren Perioden, in denen der Bodenspeicher wieder die Verdunstung größer als der aufgefüllt ist; im Sommer nach Niederschlag war (der Deutsche ergiebigen vorausgegangenen Wetterdienst weist typischer- Regen (der Deutsche Wetter- weise auf Lehmböden einen dienst weist typischerweise auf nutzbaren Wasservorrat von Lehmböden einen nutzbaren weniger als 50 % der nutzbaren Wasservorrat nahe der nutz- Feldkapazität aus) baren Feldkapazität aus) Abfussspende 10 30 70 1 2 (l s− km− )

Veränderungen der Bedeckung und Ver- C 4,62 und C 2 ausgegangen. Weiter 2 = 3 = schlämmung abzubilden [3, 96]: wird eine mittlere Feuchte angenommen. σ 0,24 Entsprechend . Tab. 8.15 gilt für die Abfuss- −C3/qB 1 2 a = C · 0,83 1 − · e (8.12) spende dann ein Wert von 30 (l s− km− ) 1 100 und 7 Gl. 8.11 vereinfacht sich zu: mit − 4,62 σ - Bodenbedeckung (%) a = C1 · e WZ · 0,94 (8.13)

Dadurch wird der zeitlichen Dynamik 8.5.2 Bestimmung der landwirtschaflicher Fruchtfolgen besser Gebietskonstanten C1, C2 Rechnung getragen. Die Bedeckung kann im und C3 Gelände erhoben werden; alternativ kann der typische Jahresgang der Bedeckung Die Gebietskonstanten beeinfussen den wichtiger landwirtschaflicher Kulturen aus Faktor a und damit den geschätzten Abfuss

[97] oder [98] verwendet werden. Vor allem stark. Dabei ist C1 ein komplexer Parameter für konkrete Niederschlags-Abfuss-Ereignisse zur Beschreibung von Gebietseigenschafen, und für einzelne Schläge wird dieses Vorgehen während C2 und C3 dazu dienen, die Ein- empfohlen. Werden größere Einzugsgebiete füsse von Jahreszeit bzw. Bedeckung und betrachtet, ist die Bedeckung entweder als Vorfeuchte unterschiedlich zu gewichten. fächengewichtetes Mittel zu bestimmen oder Verglichen mit C2 und C3 ist C1 sehr sensitiv. 7 Gl. 8.11 der Vorzug zu geben. Im Rahmen Nach Lutz [86] sind idealerweise alle Gebiets- der Messgenauigkeit und bei Verwendung konstanten, insbesondere aber C1, gebiets- einheitlicher Parameter C1, C2 und C3 liefern spezifsch zu bestimmen. Da dies häufg beide Gleichungen identische Ergebnisse. nicht möglich ist, empfehlt er Standard- Die dritte Möglichkeit, den Proportionali- werte aus einer Regionalisierungsstudie, in tätsfaktor a zu bestimmen, ist die gröbste, aber der C 0,02, C 4,62 und C 2 festgelegt 1 = 2 = 3 = einfachste. Hier wird von Standardwerten für wurden. 208 Kapitel 8 · Anhang

Eine Überprüfung und Anpassung von Gegenwärtig kommen daher nur drei

C1, C2 und C3 an einen größeren, aktuelleren Möglichkeiten zur Bestimmung von C1 in Datensatz existiert nicht. Auch eine Schätz- Betracht: Möglichkeit 1 ist die Verwendung

gleichung, über die C1 aus Gebietseigen- der oben genannten Standardparameter, schafen robust abgeleitet werden kann, ist trotz der hohen damit verbunden Unsicher- nicht bekannt. Einzelne Studien aus den heit. Möglichkeit 2 ist die Übertragung von

1990er-Jahren sind lediglich aus Bayern C1-Werten aus ähnlichen Gebieten, für die bekannt, wo der Standardwert für C1 der C1-Wert bekannt ist. Dies ist gegenwärtig mit 0,05 für Südbayern bzw. 0,01 für den jedoch allenfalls in Gebieten >50 km2 der Alpenraum defniert wurde [90, 93]. Eine Fall, wo das Verfahren häufg angewendet

naturräumliche Variation von C1 liegt wird. Schwierig bleibt dabei allerdings, woran daher nahe. Eigene (unveröfentlichte) eine Ähnlichkeit zwischen zwei Gebieten Anwendungen des Verfahrens auf einen festgemacht werden kann. Die Möglichkeit Datensatz aus dem Donaueinzugsgebiet 3 besteht in der Optimierung der gebiets- (22 Einzugsgebiete mit 15–150 km2, 1174 spezifschen Konstanten an gemessenen Niederschlag-Abfuss-Ereignisse) von [95] Niederschlags- und Direktabfusssummen

bestätigten die für C2 und C3 empfohlenen historischer Ereignisse. Dieses Vorgehen Standardwerte von [86]. Gleichzeitig ver- ist aufwendig, aber am genausten, um C 8 1 deutlichte sie auch die hohe Sensitivi- und ggf. auch C2 und C3 zu bestimmen. Die tät von C1. Veränderungen im niedrigen, Genauigkeit hängt dabei vom Umfang der einstelligen Prozentbereich von C1 wirken verfügbaren Niederschlag-Abfuss-Daten ab. sich bereits deutlich auf das Ergebnis aus. Es sollten wenigstens 20 unterschiedlich große Eine Anwendung des Verfahrens auf einen Ereignisse aus verschiedenen Jahreszeiten vor- Datensatz künstlich beregneter Parzellen liegen. Auch ein geeigneter Optimierungs- (336 Beregnungsversuche, Parzellengrößen algorithmus bzw. dessen adäquate 2 6–44 m ) aus [99, 100] zeigte, dass das Lutz- Parametrisierung sind wichtig, da C1, C2 und Verfahren durch Variation von C1 auch C3 unterschiedliche Wertebereiche umfassen an Niederschlag-Abfuss-Ereignisse auf und sich in ihrer Sensitivität stark unter- dieser Raumskala angepasst werden kann. scheiden. Korrelationen zwischen den Para- Dieses Ergebnis ist aus zweierlei Gründen metern sind vorhanden (vor allem zwischen

bedeutsam: Einerseits, weil dabei sehr gute C1 und C2), aber schwach, sodass eine ein- Ergebnisse erzielt wurden, obwohl die im fache hierarchische Optimierung, beginnend

Lutz-Verfahren empfohlenen Anfangsver- mit C1, danach C2 und C3 ausreicht, um die luste verwendet worden waren, während im gebietsspezifschen Konstanten hinreichend genannten Datensatz die Anfangsverluste teil- genau festzulegen. weise 15–20 mm erreichten [101] und damit 5- bis 10-fach größer waren als die von Lutz angesetzten Werte in . Tab. 8.13. Andererseits 8.6 Hydrologische Bodengruppe

ergab die Optimierung des C1-Parameters für die Parzellenversuche Werte, die im Mittel Die hydrologische Bodengruppe ist ein um eine Zehnerpotenz größer waren als die wichtiger Parameter zur Bestimmung des 2 C1-Werte, die in 15–150 km großen Gebieten abfusswirksamen Niederschlags in ver- ermittelt worden waren. Dadurch liegt eine breiteten Modellansätzen wie dem CN- Skalenabhängigkeit der Werte nahe. Im Hin- oder dem Lutz-Verfahren. Das Konzept der

blick auf die Festlegung und Wirkung von C1 hydrologischen Bodengruppe stammt aus besteht daher noch Forschungsbedarf. den USA. In der Primärliteratur werden 209 8 8.6 · Hydrologische Bodengruppe hydrologische Bodengruppen anhand ihres Für Deutschland existiert bisher keine einheit- Versickerungsvermögens und ihrer Neigung liche Karte der hydrologischen Bodengruppe, zur Abfussbildung unterschieden [102, obwohl das CN- und das Lutz-Verfahren 103]. Dort werden Standorte entsprechend bereits seit den 1980er-Jahren weit verbreitet ihrer Wasserleitfähigkeit und dem Aufreten sind [61, 92]. Mögliche Ursachen sind, dass stauender Horizonte einer von vier Gruppen die bodenkundliche Datenbasis zwischen den zugewiesen: Bundesländern variiert und auch, dass das Gruppe A: Böden, die selbst bei nassen aus den USA stammende Klassifzierungs- Bedingungen ein geringes Potenzial system nicht direkt übertragen werden kann. haben, Oberfächenabfuss zu bilden. Sie Zur Anwendung beider Verfahren muss die umfassen im Wesentlichen gut bis sehr hydrologische Bodengruppe daher aus ver- gut drainierte, sandige oder kiesige Böden fügbaren Bodeneigenschafen geschätzt oder mit einer gesättigten Wasserleitfähig- aus Korngrößenanalysen ermittelt werden. 1 1 keit > 8 mm h− (≙ 19,2 cm d− ). Wegen des Fehlens einer deutschlandweiten Gruppe B: Böden, die bei nassen Bedingungen Karte existieren heute unterschiedliche mittlere Infltrationsraten aufweisen. regionale Ableitungsverfahren und Karten der Sie umfassen vor allem mittel- bis tief- hydrologischen Bodengruppe – wenigstens gründige, mittel bis gut drainierte für Reinland-Pfalz, Baden-Württemberg Böden mittlerer bis grobkörniger Textur. und Bayern –, die i. d. R. auf Anfrage über Gruppe-B-Böden haben eine gesättigte die jeweiligen Landesumweltämter verfüg- 1 Wasserleitfähigkeit von 4 bis 8 mm h− (≙ bar sind. Die aktuell in Bayern verfügbare 1 9,6–19,2 cm d− ). Version (Stand 2019) basiert beispielsweise Gruppe C: Böden, die bei nassen Bedingungen auf der Übersichtsbodenkarte 1:25.000. Sie geringe Infltrationsraten haben. Sie ging aus einer Expertenschätzung hervor, umfassen Böden mit einem infltrations- bei der die Bodenart zunächst anhand einer hemmenden Horizont und Böden mit Zuordnungstabelle aus [104] einer einzelnen lehmiger Textur. Böden der Gruppe C hydrologischen Bodengruppen zugeordnet haben eine gesättigte Wasserleitfähigkeit wurden (die Bodenart erlaubt Rückschlüsse 1 1 von 1 bis 4 mm h− h (≙ 2,4–9,6 cm d− ). auf die Korngrößenverteilung und damit auf Von allen Gruppen treten Böden der die Wasserleitfähigkeit). Darauf aufauend Gruppe C am häufgsten auf. folgten weitere Klassifzierungsschritte, die Gruppe D: Böden mit einem hohen Potenzial Legendeneinträge und Angaben zu Ober- zur Bildung von Oberfächenabfuss. Bei boden und Deckschicht, Hydromorphologie, nassen Bedingungen weisen sie geringe Relief, Rohbodenstandorten sowie die Lage Infltrationsraten auf. Sie umfassen von besiedelten Flächen und Gewässern, aber vorwiegend Böden mit hohem Ton- auch Spezialwissen aus einzelnen Regionen gehalt (smectitreich), Böden mit hoch berücksichtigten. anstehendem Grundwasserstand und Liegen keine Karten vor, lässt sich die fachgründige Böden über Festgestein. hydrologische Bodengruppe auch aus Die Böden haben eine geringe gesättigte einer Korngrößenanalyse oder der Reichs- 1 Wasserleitfähigkeit von unter 1 mm h− bodenschätzung ableiten. Dazu werden im 1 (≙ 2,4 cm d− ). Auch undrainierte Folgenden zwei Ansätze vorgeschlagen. Ein Niederungsstandorte, die in drainiertem systematischer Vergleich und ihre Weiter- Zustand auch einer anderen Gruppe entwicklung hin zu einem einheitlich anwend- zugeordnet werden könnten, fallen in baren und akzeptierten Verfahren sind diese Gruppe. anzustreben. 210 Kapitel 8 · Anhang

8.6.1 Bestimmung der Der mediane Korndurchmesser dg in mm hydrologischen ergibt sich aus: Bodengruppe aus einer dg = exp ag (8.14) Korngrößenanalyse wobei Da Steine wesentlich zur Durchlässigkeit n eines Standortes beitragen und das gesamte ag = fi · ln (Mi) (8.15) Bodenprofl zu betrachten ist, ist eine i=1 Zuordnung nach der Bodentextur einzelner Horizonte unzureichend. Daher wurde wobei f - Massenanteil der Fraktion i am Gesamtboden in . Tab. 8.16 ein Zuweisungsschlüssel i ln(Mi) - Mittelwert der natürlichen Logarithmen von basierend auf dem mittleren Tongehalt im Ober- und Untergrenze der Fraktion i (mm) obersten Meter (Gesamtboden incl. Steine) n - Zahl der vorhandenen Körnungsfraktionen und dem medianen Korndurchmesser im Oberboden (incl. Steine) entwickelt. Der Ton- Für die Schluffraktion (2 µm bis 63 µm) ist gehalt des Gesamtbodens ist dabei ein Maß ln(Mi) (ln(0,002) + ln(0,063))/2 4,49. Je für die Durchlässigkeit des Bodens. Dadurch, = =− mehr Körnungsfraktionen vorhanden sind, dass die Summe über die Gesamtboden- 8 umso besser. Es müssen aber auf alle Fälle tiefe angegeben wird, ist dieser Parameter Steinfraktionen mitberücksichtigt werden, unabhängig von der Horizontierung einzel- sofern Steine vorkommen. Für die kleinste ner Böden. Damit können auch Böden mit Fraktion, d. h. meist die Tonfraktion (< 2 µm), unterschiedlichen Horizontmächtigkeiten wird als Untergrenze für die Berechnung von verglichen werden. Der mediane Korndurch- ln(Mi) der Wert 0,04 µm angenommen. Für messer [105] im Oberboden ist auch ein Maß die obere Grenze der größten Steinklasse wird dafür, ob grobe Primärteilchen (Sand, Steine) der Durchmesser des größten gefundenen im Oberboden vorhanden sind, die ein Ver- Steines angenommen [105]. Der Vorteil des schlämmen der Bodenoberfäche verzögern. medianen Korndurchmessers ist, dass er unabhängig von der gewählten Einteilung . Tab. 8.16 Hydrologische Bodengruppe der Kornfraktionen ist. Diese Einteilungen A bis D in Abhängigkeit vom Tongehalt im können sich je nach Datenquelle stark unter- obersten Meter (Gesamtboden incl. Steine) scheiden, besonders bei den Sand- und Stein- und dem medianen Korndurchmesser im fraktionen. Sofern keine Steine vorhanden Oberboden (incl. Steine). Böden mit hoch- anstehendem Grundwasser oder fachgründige sind, liegt der mediane Korndurchmesser nur Böden über Festgestein sollten eine Boden- bei den vier Bodenarten Sand (Ss), schwach gruppe tiefer eingestuft werden (also z. B. D toniger (St2), schwach lehmiger (Sl2) oder statt C) schwach schlufger Sand (Su2) über 0,10 mm, Ton (%) Medianer Korndurchmesser sofern es sich nicht um ausgesprochen grob- (mm) sandige Böden handelt (Bezeichnung und Abkürzung der Bodenarten nach [106]). Bei 0–100 cm > 0,10 0,001–0,10 grobsandigem Sand kommen auch noch die 0–20 A B tonigen (St3), lehmigen (Sl3) oder schwach 20–25 C C schlufgen Sande (Su3) hinzu, während bei 25–30 C C feinsandigem Sand nur der Sand (Ss) und der schwach schlufge Sand (Su2) einen 30–35 C D medianen Korndurchmesser über 0,10 mm >35 D D haben. 211 8 8.7 · Wegebau und Wasserführung

8.6.2 Bestimmung der . Tab. 8.17 Zuordnung hydrologischer hydrologischen Bodengruppen zu den Ackerbeschrieben der Bodengruppe aus der Bodenschätzung. Zur Defnition der Begriffe und Abkürzungen der Bodenschätzung, die Bodenschätzung sich trotz ähnlicher Namen und Abkürzungen von den bodenkundlichen Defnitionen unter- Falls keine Daten aus einer scheiden, siehe [106, 107] Korngrößenanalyse zur Verfügung stehen, Bodenart S Sl lS SL sL L LT T kann die hydrologische Bodengruppe Entstehung alternativ auch aus der (Reichs-)Boden- schätzung ermittelt werden. Bei der Boden- Alg/ Dg/ Vg A A A A A B B C schätzung wurden beginnend Ende der V A A B B C C D D 1930er-Jahre alle Flurstücke in sehr hoher Al, D A A B B C C D D Aufösung (mindestens 50 m) mit einem defnierten Kartierschlüssel erfasst. Dieser Lö – – C C C C – – Schlüssel basiert auf der Bodenart (mittlere Korngrößenverteilung der oberen 60 cm); bei Ackerstandorten wurden zusätzlich eine . Tab. 8.18 Defnition hydrologischer Boden- gruppen für Grünlandbeschriebe und Moor- Zustandsstufe, die die Bodenentwicklung standorte der Bodenschätzung. Moore (Mo) charakterisiert, und eine Klassifkation des lassen sich nicht allgemein zuordnen, da ihre geologischen Ausgangsmaterials verwendet; Wirkung von der Entwässerung abhängt. Nicht- bei Grünlandstandorten sind neben der entwässerte Moore haben kaum noch zusätz- weniger stark diferenzierenden Bodenart liche Speichermöglichkeiten und auch stark entwässerte Moore nehmen Wasser kaum auf. die Wasserverhältnisse und das Klima klassi- In beiden Fällen ist D angemessen, während fziert. Aus diesen Angaben werden dann geringfügig entwässerte Moore je nach noch Wertzahlen abgeleitet, die die Ertragsfähig- verfügbarer Wasseraufnahmefähigkeit in A bis keit kennzeichnen. Der Vorteil des Daten- C fallen können satzes liegt darin, dass die Kartierung auf dem Wasserstufe Bodenart kompletten deutschen (und weitgehend auch österreichischen) Staatsgebiet durchgeführt S lS L T Mo wurde und somit für alle Grünland- und 1 A B C D (D) Ackerstandorte konsistente und einheitliche 2 B C C D (D) Klassifkationen vorliegen. Nur Waldfächen wurden nicht kartiert. 3 C C D D (D) Die Ableitung hydrologischer Boden- 4 C C D D (D) gruppen aus der Bodenschätzung unter- 5 D D D D (D) scheidet sich dementsprechend zwischen Acker- und Grünlandstandorten. Auf Acker- standorten erfolgt die Gruppeneinteilung 8.7 Wegebau und Wasserführung anhand von Bodenart und Entstehung (. Tab. 8.17). Auf Grünlandstandorten Der Verlauf von Wegen und Wegseiten- nach Bodenart und Wasserverhältnissen gräben beeinfusst die Entwässerung kleiner (. Tab. 8.18). Weitere, bei der Boden- Einzugsgebiete maßgeblich. Die Probleme schätzung erhobene Daten wie Zustandsstufe, und Ansatzpunkte sind dabei besonders viel- Klima oder Wertzahlen sind für die Ableitung fältig und variieren in Abhängigkeit vom der hydrologischen Bodengruppe nicht not- Wegeverlauf, der Topographie und der wendig und bleiben unberücksichtigt. konstruktiven Bauausführung von Weg und 212 Kapitel 8 · Anhang

Wegseitengraben. Sie werden hier nur schlag- lichtartig beleuchtet. Talwegnah Hinsichtlich des Wegverlaufs können grundsätzlich vier Fälle unterschieden werden Schräg zum Gefälle (. Abb. 8.15), die sich hydraulisch und hydro- Höhenlini logisch unterschiedlich auswirken: Verläufe enparallel im oder nahe des Talwegs (1), höhenlinien-

parallele Wege (2), Wege auf dem Höhen- enrücken rücken (3) und Wege mit einem Verlauf Auf Höh schräg zum Gefälle (4). Diese Diferenzierung ist hilfreich, da sich die Größen der Wegein- zugsgebiete in Abhängigkeit vom Wegverlauf . Abb. 8.15 Schematische Darstellung unterschied- unterscheiden und da Abfussgeschwindig- licher Wegverläufe in Abhängigkeit von der Topo- keit und Bündelungswirkung mit dem Gefälle graphie. Die Höhenlinien sind grau dargestellt zunehmen. Wie auf alten Flurkarten oder noch besser in Bodenschätzungsurkarten zu erkennen, lag (. Abb. 8.16). Entlang der Höhenrücken 8 wurden früher die Wege häufg entlang sammelten die Wege wenig Wasser, brauchten der Höhenrücken geführt, während in den deswegen nicht befestigt werden und feuchten Talmulden of schmales Grünland erforderten wenig Unterhalt. Im Rahmen von

. Abb. 8.16 Veränderung der Führung überwiegend landwirtschaftlich genutzter Wege zwischen 1950 und 2020. Hintergrund ist die Bodenschätzungsübersichtskarte (Blatt 7536, Freising Nord von 1958, verändert), in der das Grünland grün dargestellt ist, weiß sind Wälder und Gelbtöne sind Ackerfächen. Um 1950 (linke Tafel) verliefen die wenigen Wege (dicke blaue Linien) überwiegend auf Höhenrücken und Schultern, damit die Wege nicht ausgespült wurden. Um 2020 (rechte Tafel) sind diese Wege weitgehend verschwunden und durch eine Vielzahl von Wegen ersetzt, die nun in den Talmulden laufen, wo der Oberfächenabfuss sich sammelt. Sie haben dort die Grünlandstreifen ersetzt. Anmerkung: Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Wege markiert. Die größeren Ortsverbindungswege, die leicht schräg in Nord-Süd-Richtung in den größeren Tälern und auf dem dazwischenliegenden Haupthöhenzug verlaufen, waren bereits 1950 vorhanden und verlaufen 2020 immer noch dort. Geändert haben sich im Wesentlichen die Felderschließungswege. Sie haben sich mehr als verdoppelt (+160 %) 213 8 8.7 · Wegebau und Wasserführung privaten oder staatlichen Flurneuordnungen wurden dann die Wege häufg in die Tal- mulden gelegt und ersetzten dort das Grün- land. Um die teuren Bauwerke zu schützen, wurden nun Wegseitengräben zur Wasser- führung und Wegsicherung notwendig. Die stark abfussbremsende, weil hydraulisch raue und fach ausgeformte Talmulde wurde also verbreitet durch einen hydraulisch efzienten Graben ersetzt. Gleichzeitig liefert der befestigte Weg selbst auch mehr Abfuss, als es ein Spurweg mit wassergebundenen Spuren vorher getan hat. Die Umorganisation der Wege im ländlichen Raum und die damit geschafenen Netze aus Wegseitengräben sind daher vielerorts ein wesentlicher Grund für das beschleunigte Abfussverhalten. . Abb. 8.17 Gefrierender Zwischenabfuss an einem Im steilen Gelände, also besonders in Forststraßenanschnitt. In dem Fall hätte wegen des forstlich genutzten Bereichen, erfordert die anstehenden Festgesteins bereits ein Anschnitt des Anlage von Wegen of tiefe Einschnitte in die Hanges von einem halben Meter gereicht, um eine Geländeoberfäche. Dies ist besonders dann vollständige Exfltration des Zwischenabfusses zu erzwingen (Bildquelle: Karl Auerswald) der Fall, wenn – um die Befahrbarkeit zu verbessern – trotz steiler Neigung die Steigung des Weges gering sein soll. Durch den Ein- agrarisch genutzten Gebiete, sodass sich beide schnitt werden unterirdische Abfussbahnen Wellen ungünstig überlagern und sich die (Zwischenabfuss) angeschnitten [108]. Die Scheitel addieren. Gerade in Wäldern kann abfussmindernde Wirkung des Waldes beruht der Wegebau daher enormen Einfuss auf wesentlich darauf, dass bei ihm wenig Ober- die Gebietsentwässerung haben, was durch fächenabfuss, dafür aber viel Zwischen- Messdaten aus dem Einzugsgebiet der Nahe abfuss aufritt [54]. Der Zwischenabfuss in Rheinlandpfalz dokumentiert ist [110]. fießt viel langsamer als der Oberfächen- Ansätze zur Modellierung des Efektes sind abfuss, was die Hochwasserwelle streckt und von [108] und [111] beschrieben. so den Scheitel mindert. Auf langen Hängen Beide Beispiele aus dem agrarischen trägt meist nur der Zwischenabfuss des bzw. dem forstlichen Raum zeigen, dass der unteren Hangteils zum Hochwasserabfuss Wegebau das Hochwassergeschehen im länd- bei, weil der Zwischenabfuss aus dem Ober- lichen Raum stark beeinfussen kann und hang an durchlässigeren Stellen in tiefere stark beeinfusst hat. Hier besteht eine Ver- Schichten versickern kann [109]. Wird der antwortung, aber auch Potenzial, um den Bodenhorizont, in dem der Zwischenabfuss Abfuss zu verlangsamen. fießt, dagegen angeschnitten, so tritt der Wenn Wege in den ehemals begrünten Zwischenabfuss in den Wegseitengraben Tiefenlinien geführt werden, ist die Funktion über und wird rasch abgeleitet (. Abb. 8.17). der begrünten Tiefenlinien so gut wie mög- Die hochwassermindernde Wirkung eines lich wiederherzustellen. Dazu sollte der Weg- Waldes kann reduziert oder durch das steile seitengraben als breite, verkrautete Mulde Terrain sogar umgekehrt werden, da die ausgeführt werden und wichtiger noch, es Abfusswelle ähnlich schnell wird wie die der sollten in regelmäßigen Abständen Ver- 214 Kapitel 8 · Anhang

a Begrünte Hangmulde/ verkrauteter Quellbach Pu erstreifen Acker Pu erstreifen Weg Acker

Rohrleitung

b Begrünte Hangmulde/ verkrauteter Quellbach Pu erstreifen Acker Pu erstreifen Weg Acker

Planum- 8 sickerschicht

. Abb. 8.18 Schematische Darstellung zur Herstellung durchgängiger Wasserwege von der Berg- auf die Tal- seite durch Rohre (a) oder Planumssickerschichten (b) in eine talseitige Abfussmulde (verändert nach [112])

bindungsleitungen (z. B. tragfähige Rohre oder Sickerschichten durch das Planum, wenn wenig Feststofransport zu erwarten ist) von der Berg- auf die Talseite installiert werden, um eine Durchgängigkeit in die Tiefenlinie zu gewährleisten (. Abb. 8.18). Wegabschnitte, die (quasi) parallel zum Hang verlaufen, verkürzen die efektive Hanglänge. Da unterhalb wieder fächen- hafes und damit besonders langsames Fließen beginnt, wird dort der Abfuss stark verlangsamt, was sich günstig auswirken . Abb. 8.19 Installation von Kleinstrückhaltebecken kann. Entscheidend für ihre Wirkung ist in Muldenzügen durch Wegehöherlegung. Verlaufen aber, wie ihre Entwässerung gestaltet wird. mehrere Wege parallel zueinander, können Becken- Problematisch ist vor allem, wenn wegen der kaskaden entstehen. Die Drosselung des Abfusses erfolgte hier durch ein schmales Rohr im Dammkörper. Steilheit des Geländes ein tiefer Einschnitt Als Notentlastung dienen zwei gemuldete und befestigte erforderlich wird und damit Zwischenabfuss Überläufe (Bildquelle: H&S Ingenieure Freising) exfltrieren kann, oder wenn das vom Ober- hang gesammelte Wasser gebündelt und damit schnell abgeleitet wird. Verlaufen hang- (. Abb. 8.19), die dieses Problem mindern parallele Wege durch Tiefenlinien, lassen sich oder lösen (siehe 7 Abschn. 6.4). Ideal ist, dort durch Wegehöherlegungen mit geringem wenn eine Weiterleitung dann in einer Aufwand kleine Rückhaltebecken anlegen begrünten Abfussmulde erfolgt. 215 8 8.8 · Kartierung von Fließwegen im Gelände

8.8 Kartierung von Fließwegen im Bearbeitung typischer hydrologischer Frage- Gelände stellungen hilfreich sind, kann 7 Abschn. 8.9 entnommen werden. Dieses Kapitel gibt praktische Hinweise und Eine Kartierung sollte alle Elemente Empfehlungen zur Erfassung von Fließwegen erfassen, die den Wasserfuss in der Fläche im Gelände, besonders in landwirtschaflich lenken oder beeinfussen können. Ein geprägten Gebieten bis zu einer Größe von strukturiertes Vorgehen und die Verwendung etwa 5 maximal 10 km2. eines an die örtlichen Gegebenheiten Als Grundlage werden idealerweise Luf- angepassten Kartierschlüssels (. Abb. 8.20) bilder mit überlagerten Höhenlinien, Ein- sind hilfreich. Wichtige Elemente und zugsgebietsgrenzen, Gewässernetz und Strukturen werden im Folgenden ent- Flurstückgrenzen (im Maßstab 1:10.000) ver- sprechend ihrer Geometrie aufgeführt: wendet. Topographische Karten sind ebenfalls 5 Lineare Strukturen: Reliefedingte geeignet; die Verortung und Dokumentation Hangmulden, Erosionsrinnen, Weg- von Strukturen wie Gräben oder Rohren ist in seitengräben, Rohrleitungen, Drainagen, Lufbildern aber meist einfacher. Ein weiterer befestigte Wege, die in Tiefenlinien ver- Vorteil von Lufbildern besteht darin, dass laufen, Fließgewässer, Kleinstrukturen, wie durch die Überlagerung mit den Flurstücken Feldraine, sofern sie eine hydrologische die Schläge schnell und einfach abgegrenzt z. B. wasserableitende Funktion haben, und die Flächennutzungen abgeglichen begrünte Abfussbahnen, vorhandene oder werden können. Eine Darstellung der topo- fehlende Puferstreifen, usw. graphischen Wasserscheiden und ggf. auch 5 Punktuelle Elemente: Entwässerungs- und digital abgeleiteter Fließwege erleichtert die Sickerschächte, Bauwerke wie Rechen Abgrenzung hydrologischer Einheiten im oder Rohreinlässe, wenn sie anfällig für Feld, wobei die Gültigkeit der Wasserscheiden Verklausungen sind, Mulden oder Ver- und Fließwege vor Ort zu prüfen ist, da Wege tiefungen, die potenziell als Standorte für und Entwässerungsgräben oder Drainagen Rückhaltebecken dienen könnten, größere diese leicht verändern können. Weitere hilf- befestigte Flächen, die bei Starkregen reiche Datenquellen sind Drainagepläne, hohe Abfussmengen erzeugen können, soweit am zuständigen Wasserwirtschafs- Dolinen und alle weiteren Strukturen und amt oder dem örtlichen Vermessungsamt Elemente, die Einfuss auf den Wasser- vorhanden, die Bodenurschätzung3 aus den und Stofaushalt haben können, wie 1940er- und 1950er-Jahren, die Auskunf über Lagerplätze für Wirtschafsdünger. (historische) Grünländer und (an)moorige 5 Flächige Elemente: Überschwemmungs- Standortbedingungen gibt, sowie Auskünfe gefährdete Gebiete, erosionsgefährdete der Akteure vor Ort, wie Landwirte oder Flächen, Bereiche, bei denen mit fächigem Mitarbeiter des örtlichen Bauhofs. Gerade Stofeintrags in ein Gewässer zu rechnen Letztere sind durch den regelmäßigen Unter- ist, z. B. Hangfüße, die ohne Puferstreifen halt der Wege und Gräben meist gut mit an ein Gewässer oder Graben grenzen, den örtlichen Gegebenheiten vertraut. Eine Flurstücke mit mehreren Zufahrten Zusammenstellung von Geodaten, die zur (Übererschließung), usw.

Für die Erfassung bietet sich an, das Gebiet in Teileinzugsgebiete zu untergliedern und von 3 Online für Bayern z. B.: 7 https://www.lfu.bayern. der Wasserscheide zum Gewässernetz oder in de/boden/boden_karten_daten/bsk25/index.htm umgekehrter Richtung vorzugehen, um alle (Stand Januar 2019) wesentlichen Entwässerungswege lückenlos 216 Kapitel 8 · Anhang

8 . Abb. 8.20 Beispiel eines möglichen Kartierschlüssels (verändert nach [112])

zu erfassen. Wegseitengräben und Ent- Daten und Analyseschritte richten sich wässerungssysteme wie Rohre und Drainagen nach der Aufgabenstellung. Eine Übersicht (soweit ersichtlich) erfordern besondere Auf- typischer Datensätze und deren Bedeutung merksamkeit, da sie Fließwege verkürzen für hydrologische Fragestellungen fasst können. Der beste Zeitraum für Gelände- . Tab. 8.19 zusammen. Auf eine Angabe aufnahme ist außerhalb der Vegetations- der Bezugsquelle wurde verzichtet, da diese periode zwischen Oktober und April, wobei länderspezifsch variiert. die Fließwege und -prozesse besonders bei der Zur Visualisierung und Bearbeitung Schneeschmelze oder nach stärkeren Regen- von Geodaten sind hydrologische Ana- ereignissen am besten erkennbar sind. lysewerkzeuge erforderlich. Geeignete, Aufauend auf den im Feld erfassten nicht-kommerzielle Geographische Strukturen lassen sich Karten des aktuellen Informationssystem (GIS) sind beispielweise Zustands visualisieren. Sie stellen gleich- QGIS4 (mit GRASS GIS Integration), SAGA zeitig eine sehr gute Basis zur Ableitung von GIS5 oder die Whitebox Geospatial Analysis Maßnahmen dar (. Abb. 8.21). Idealerweise Tools (GAT)6 [114]. Hervorhebenswert sind wird jedem im Gelände erfassten Element vor allem Letztere, da sie nicht nur kompakt, eine konkrete Maßnahmen- oder Handlungs- plattformunabhängig und quellofen sind, empfehlung zugeordnet. sie verfügen aktuell auch über die umfang- reichsten Werkzeuge und Methoden zur Bearbeitung von Rasterdaten. Dadurch sind 8.9 Geodaten und sie gerade für hydrologische Fragestellungen Geodatenanalyse

Geodaten stellen wichtige Informationen wie Eigenschafen und Verlauf von 4 7 www.qgis.org Fließpfaden oder Wasserscheiden und 5 7 http://www.saga-gis.org/ Einzugsgebietsgrößen bereit. Die relevanten 6 7 http://www.uoguelph.ca/~hydrogeo/Whitebox 217 8 8.10 · Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen …

. Abb. 8.21 Auszug der Bestandskarte erfasster hydrologischer Strukturen, Prozesse und Fließwege im Gebiet Wallerfng (a). Die verwendeten Symbole entstammen der Legende in . Abb. 8.20. Die rechte Tafel (b) zeigt die im zweiten Schritt abgeleitete Maßnahmenkarte, in der jedem Element der Bestandskarte eine Maßnahme zugeordnet ist (Codierung mit Großbuchstaben oder Kombinationen aus Buchstaben und Zahlen z. B. P29) (aus [113]) vielen kommerziellen GIS Produkten über- Oberfächenabfuss aufritt. In Beregnungs- legen (Stand 2019). versuchen wählt man daher üblicherweise große Regenhöhen und große Regenintensi- täten. Die Beregnungen, mit denen der 8.10 Einfuss der Einfuss der Bedeckung auf die CN-Werte Bodenbedeckung auf ermittelt worden war (vgl. . Abb. 4.3), hatten CN-Werte bei kleinen Regen, daher überwiegend eine Regenintensität 1 bei Vorverschlämmung, von etwa 65 mm h− , die eine Stunde lang bei natürlichen Regen und appliziert worden war. Es stellt sich daher bei aufeinanderfolgenden die Frage, ob so ermittelte CN-Werte auch Regen bei weniger extremen, eher realistischen Regen gültig sind. Von Wolfgarten [115] wurden Beregungsversuche bei unterschied- CN-Werte lassen sich durch natürliche licher Bodenbedeckung gemacht, die es Regen oder künstliche Beregnungsver- erlauben, diese Frage zu prüfen. Im Speziellen suche nur ermitteln, wenn dabei auch 218 Kapitel 8 · Anhang

. Tab. 8.19 Übersicht hilfreicher Datensätze zur Kartierung von Fließwegen und zur Bestimmung hydraulischer Eigenschaften

Datensatz Maßstab/Aufösung Bemerkung

Digitales Geländemodell (DGM) 1–5 m Vorzugsweise ein DGM mit 1–2 m Auf- lösung verwenden, da z. B. der Verlauf von Gräben bei gröberer Rasterweite bereits nicht mehr ersichtlich ist. Drainagepläne Diverse Bedeutsam, besonders wenn unterirdische Fließpfade (gelöste Stoffe) relevant sind. Flurkarte 1:5000 – Kommunale Flächen Nach Bedarf Ermöglicht die Visualisierung potenziell leicht verfügbarer Flächen, z. B. zur Identi- fzierung von Maßnahmenstandorten oder für einen Flächentausch. Ländliche Wege (ATKIS-Basis-DLM) 1:25.000 Auszug aus dem amtlichen digitalen Basis- Landschaftsmodell Luftbilder – Frei verfügbare Luftbilder lassen sich meist 8 problemlos in Geographische Informations- systeme einbinden. Mündliche Mitteilungen, Fotos – Oft wertvoll, wenn auch meist subjektiv oder Videos, z. B. von Anwohnern, und räumlich begrenzt. Flächennutzern, Gemeinde- oder Bauhofmitarbeitern, etc. Bodenschätzungsurkarten aus den 1:25.000 Kennzeichnet die Lagen historisch (an-) 1950er-Jahren mooriger Standorte und Grünlandfächen Topographische Karten 1:10.000 - 1:25.000 Zentrale Grundlage, da das Relief die Fließrichtung des Oberfächenabfusses vorgibt Überschwemmungsgebiete 1:1000 Amtliche festgesetzte Gebiete nach §76 des Wasserhaushaltsgesetz bzw. der Länder- gesetze Wasserwirtschaftliches 1:25.000 Fließgewässernetz und Einzugsgebiets- Gewässernetz grenzen

applizierte er Regen mit einer Höhe von nur CN-Werte, die am oberen Ende der Streu- 12,5 mm in einer Viertelstunde, zwei Regen breite lagen, aber der Unterschied war relativ von 12,5 mm in jeweils einer Viertelstunde, gering. Im Mittel waren die CN-Werte bei die von einer fünfminütigen Pause unter- Vorverschlämmung um 3 höher. Bei sieben brochen waren (Gesamthöhe also 25 mm) Beregnungen trat kein Oberfächenabfuss und Regen, die auf stark verschlämmte auf. Bei einer Regenhöhe von 12,5 mm Bodenoberfächen durch vorangegangene ist das dann der Fall, wenn der CN-Wert Regen appliziert wurden. Trotz dieser unter 80 liegt. Daher treten in . Abb. 8.22 besonderen Situationen folgten die aus seinen für diese Regenhöhe keine kleineren CN- Daten ermittelten CN-Werte weitgehend Werte auf, obwohl sie vorkamen, aber eben den Erwartungen von 7 Gl. 4.4 (. Abb. 8.22). mangels Abfuss nicht bestimmt werden Die stark vorverschlämmten Flächen hatten konnten. Dies erklärt auch, warum unter 219 8 8.10 · Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen …

100 CN = 85 --- 0,47 Bedeckung

Entwicklungs- 80 datensatz

12,5 mm, vorverschlämmt 60 CN-Wert 2x 12,5 mm, 5 min Pause, vorverschlämmt

2x 12,5 mm, 40 5 min Pause

020406080100 Bedeckung (%)

. Abb. 8.22 CN-Werte, berechnet aus den Abfussmessungen von Wolfgarten [115], der geringe Regenhöhen (12,5 und 25 mm), Regen mit einer Regenpause von 5 min und teilweise stark vorverschlämmte Bodenober- fächen gewählt hatte. Die hier empfohlene Gleichung zur Berechnung des CN-Wertes aus der Bodenbedeckung und der ihr zugrundliegende Entwicklungsdatensatz sind zum Vergleich mit eingezeichnet. Die x-Achse ist wurzelskaliert, um die Aufösung bei geringer Bodenbedeckung zu verbessern, da dort viele Werte vorliegen. Deswegen erscheint die lineare Gleichung zu Prognose des CN-Wertes gekrümmt diesen Bedingungen nur CN-Werte oberhalb, hatte 2,6 mm (im März). Die beiden größten aber nicht unterhalb von 7 Gl. 4.4 ermittelt Abfüsse, die keinen Abfuss erzeugten, hatten werden konnten. Mit einer Regenhöhe von 49 mm. Sie traten einmal im Juni und ein- 25 mm lassen sich keine CN-Werte unter 67 mal im Juli auf, weswegen in diesen beiden ermitteln und traten daher auch nicht auf. Monaten kein CN-Wert errechnet werden Insgesamt ist 7 Gl. 4.4 aber ofensichtlich in kann. Für diese beiden Monate kann daher der Lage, CN-Werte für eine große Vielfalt an nur der CN-Wert berechnet werden, der Bedingungen zu prognostizieren. mindestens unterschritten wird. Aus den Bei natürlichen Regen ist eine Validierung Abfüssen wurden CN-Werte berechnete der CN-Werte noch schwieriger. Zum einen und zu Monatsmitteln zusammengefasst. sind die Regen nicht standardisiert, lassen Zusätzlich wurden nach dem in 7 Kap. 4 sich also nur schwer vergleichen. Zum beschriebenen Verfahren die monatlichen anderen sind sie häufg klein, wodurch sich CN-Werte aus der Bedeckung vorhergesagt. kleine CN-Werte nicht oder nur unsicher Es wurde dazu der mittlere Jahresgang der berechnen lassen, da kein oder nur wenig Bodenbedeckung von Wintergerste nach [97] Abfuss aufritt. In Folge wirken sich Fehler in zugrunde gelegt. Analog zu 7 Kap. 4 wurde der Niederschlags- und Abfussmessung oder in den Monaten November bis März eine Besonderheiten wie lokale Verdichtungen Bodenfeuchte nahe der Feldkapazität, in den stark aus. Dennoch soll eine Validierung an Monaten ab Mai eine Bodenfeuchte nahe 50 % einem kleinen Datensatz gezeigt werden, der Feldkapazität und im April ein dazwischen- Dikau [116] entnommen wurde. liegender Wert angenommen. Vergleicht Der Datensatz stammt von einer 720 m2 man die aus Abfussmessungen berechneten großen, 60 m langen, 21 % geneigten Parzelle, CN-Werte mit den aus der Bedeckung vor- auf der Wintergerste wuchs. Während der hergesagten, so zeigt sich eine bemerkens- Vegetationsperiode lösten 25 Regen Abfuss werte Übereinstimmung im Jahresgang aus. Der kleinste Regen, der Abfuss auslöste, (. Abb. 8.23). Die vorhergesagten Werte 220 Kapitel 8 · Anhang

100 Infltration durch [117], dass die Bedeckung einen dominanten Einfuss auf die Abfuss- 80 bildung hat und daher zur Prognose der CN-Werte verwendet werden kann. Die aus der Bedeckung vorhergesagten 60 CN-Werte, die mit den Messwerten gut

CN-Wert übereinstimmen, legen eine verschlämmungs- 40 gesteuerte Infltration nahe. Dies deckt sich mit einer umfangreichen mechanistischen Modellierung des Oberfächenabfusses aller 20 r

v Datensätze von Dikau [116], bei der die durch b Jul Ap r Ma i Jun Ja n Fe Mä No Dez die Bedeckung gesteuerte Verschlämmung wesentlich für die Abfussentstehung war . Abb. 8.23 Mit 7 Gl. 4.4 aus dem typischen Jahres- gang der Bedeckung nach [97] vorhergesagte CN- [117]. Dazu wurde das die Verschlämmung Werte von Wintergerste (orange Symbole und Linien) abbildende Modell HKIN [118, 119] ver- und aus Abfussmessungen von [116] berechnete CN- wendet, aber auch andere Modelle, denen Werte für Wintergerste (blaue Symbole und Linien; die andere Modellvorstellungen zugrunde liegen, Symbolgröße variiert in Abhängigkeit vom größten wie das mit Sättigungsfächen arbeitende 8 Niederschlag des Monats zwischen 2,4 mm im März und 49 mm im Juni und Juli; die gefüllten Symbole TOPMODEL [120] oder das Modell NASIM zeigen Monate, in denen Abfuss auftrat und daher [121], das die Infltration bodenfeuchte- ein CN-Wert berechnet werden konnte; die offenen abhängig berechnet. Eine verschlämmungs- Symbole zeigen Monate, in denen kein Abfuss auftrat gesteuerte Infltration erklärte bei diesen und bei denen daher nur der CN-Wert berechnet Modellierungen die Messwerte gut, auch werden konnte, unterhalb dessen der wahre CN-Wert liegen muss; traten mehrere Abfüsse in einem Monat wenn in einzelnen Fällen Schneeschmelze, auf, wurden die CN-Werte entsprechend der Regen- Zwischenabfuss und Makroporenfuss eben- höhe gewichtet gemittelt, um große Ereignisse stärker falls eine Rolle spielten [117]. zu berücksichtigen, da sie wichtiger sind und da bei In . Tab. 4.2, in der die Jahresgänge der ihnen die Berechnung des CN-Wertes genauer ist; die CN-Werte verschiedener Landnutzungen Fehlerbalken zeigen den 95 %-Vertrauensbereich des arithmetischen Mittels) zusammengestellt sind, fällt auf, dass der Jahresgang für Wald deutlich weniger aus- geprägt ist als bei Ackerkulturen. Dies ver- liegen etwas unter den gemessenen. Dies ist wundert nicht, nachdem bei Wald – besonders darauf zurückzuführen, dass die Regen zu bei hohem Nadelbaumanteil – die jahreszeit- klein waren, um kleinere CN-Werte ermitteln liche Variation der Abfussdisposition fast zu können. Nur bei Regen, bei denen auf- nur durch den Jahresgang der Bodenfeuchte grund besonderer Umstände, z. B. einer bedingt wird, da selbst bei Laubbäumen im hohen Intensität, Oberfächenabfuss aufrat, unbelaubten Zustand eine Bodenbedeckung gingen in die Berechnung ein. Teilweise gab durch Streu gegeben ist. In . Tab. 4.2 ist daher es wesentlich größere Regen, bei denen kein nur ein mittlerer Jahresgang der Bodenfeuchte Abfuss aufrat. Da bei diesen Regen kein berücksichtigt. Wenig überraschend ist der CN-Wert errechnet werden kann, können Wald deutlich abfussmindernder als Acker- diese Regen auch nicht in die Mittelwert- fächen, wenn die Ackerfächen wenig bedeckt bildung aufgenommen werden. Dies ver- sind. Allerdings dreht sich das Bild in Zeiten, schiebt den Mittelwert fälschlich nach oben. in denen Ackerfächen sehr gut bedeckt sind, Ungeachtet dieser typischen Schwierigkeit bei wegen des wenig ausgeprägten Jahresgangs der Auswertung natürlicher Regen zeigt sich von Wald um. Es gibt wenig Datensätze, die aber, wie auch schon in der Modellierung der diese etwas überraschende Einstufung unter 221 8 8.10 · Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen … deutschen Bedingungen überprüfen lassen. 100 Tempel [110] hat mehrjährig zwei Wald- HBG C einzugsgebiete im Hunsrück gemessen und HBG B die Messwerte auch mit einem physikalisch 80 basierten Modell (MMS/PRMS, [122–124]) HBG A nachvollzogen. Diese Modellierung hat den 60 Vorteil, dass sie es erlaubt, zwischen echtem Oberfächenabfuss und exfltrierendem CN-Wert Zwischenabfuss zu trennen. Von Tempel 40 [110] werden die Messwerte nicht und auch die Modellierungsergebnisse nur als Monats- summen mitgeteilt. Berechnet man CN-Werte 20 v g Jul Okt Ap r Ja n aus Monatssummen statt aus Ereigniswerten, Ma i Jun Fe b Mär Au Sep No Dez führt dies zu CN-Werten, die wesentlich zu niedrig sind, weil auch alle kleinen, voll- . Abb. 8.24 Empfohlene CN-Werte für Wald bei den ständig infltrierenden Regen dem abfussaus- hydrologischen Bodengruppen A, B und C (Linien) und aus den Daten von Tempel [110] für zwei Wald- lösenden Niederschlag angerechnet werden. einzugsgebiete im Hunsrück berechnete CN-Werte. Allerdings ist bei Wald eine Zuordnung Die offenen Symbole wurden aus den Monatssummen des Abfusses zu einem Regenereignis auch von Oberfächenabfuss und Niederschlag berechnet, wegen des langsamen Abfusses schwierig. die gefüllten Symbole berücksichtigen zusätzlich Dadurch fällt möglicherweise bereits der den Zwischenabfuss. Die Fehlerbalken geben das 95%-Vertrauensintervall an (n 6; zwei Einzugs- = nächste Regen, während der Abfuss des vor- gebiete und drei Jahre) hergehenden Regens noch nicht beendet ist. Dies wird besonders dann häufg der Fall sein, wenn exfltrierender Zwischenabfuss, der zur Bodengruppe B, und der Unterhang, der noch langsamer fießt als echter Oberfächen- durch Hangzugswasser dauerhaf feucht, teil- abfuss, eine bedeutende Rolle einnimmt. weise pseudovergleyt und auch wesentlich Dies war bei den beiden Einzugsgebieten der feinkörniger war, entsprach Bodengruppe C. Fall, wodurch eine korrekte Zuordnung von In . Abb. 8.24 sind daher die empfohlenen Regen und Abfuss praktisch nicht mehr mög- Jahresgänge der CN-Werte von Wald für alle lich und die Unterschätzung der CN-Werte drei Bodengruppen eingetragen und mit den bei Verwendung von Monatssummen kaum aus den Daten von Tempel [110] berechneten zu vermeiden ist. Trotz dieser prinzipiellen Werten verglichen. Die nur aus dem Ober- Schwierigkeiten sollte durch die Monats- fächenabfuss berechneten CN-Werte liegen summen der Jahresgang noch hinreichend in den Sommermonaten nahe bei den für die aufgelöst werden, auch wenn die Tendenz hydrologische Bodengruppe B vorausgesagten zur Unterschätzung der CN-Werte bestehen Werten, während sie in den Wintermonaten bleibt. unter der Vorhersage liegen. Nimmt man auch Eine weitere, grundsätzliche Schwierig- noch den Zwischenabfuss bei der Berechnung keit bei der Modellierung des Oberfächen- hinzu, ändert sich in den Sommermonaten abfusses, gerade von Waldgebieten, ist die wenig, in den Wintermonaten steigen die große Standortheterogenität. In Waldgebieten CN-Werte aber deutlich an. Insgesamt liegen ist sie meist wesentlich ausgeprägter als in dann die aus den Daten von Tempel [110] landwirtschaflich genutzten Gebieten. Die berechneten CN-Werte in allen Monaten etwa Böden der Untersuchungsgebiete von Tempel in dem Bereich, der für die hydrologischen [110] entsprachen in den Kamm- und Ober- Bodengruppen B und C erwartet werden hanglagen der hydrologischen Bodengruppe kann. Ein wesentlicher Konfikt mit den A. Große Teile des Mittelhanges gehörten empfohlenen CN-Werten ist nicht erkennbar. 222 Kapitel 8 · Anhang

Das CN-Modell ist ein Ereignismodell Datenbank veröfentlicht [99–101]. Hier wird und ein häufger Fehler in seiner Anwendung der erste Datensatz aus den Juli-Beregnungen resultiert daraus, dass zeitlich nah auf- von [130] gezeigt. Dabei handelt es sich um einanderfolgende Regen als getrennte Ereig- eine kolluvial überprägte Parabraunerde aus nisse betrachtet werden. Allerdings ist Löß bei Straubing in Bayern, ein sogenannter nirgends defniert, wodurch ein Ereignis vom Weißlehm. Martin hatte hier am ersten Tag nächsten Ereignis abzutrennen ist, wie das etwa 40 mm in 40 min appliziert, was nach z. B. bei der Defnition von Erosionsereig- der Defnition des Deutschen Wetterdienstes nissen gegeben ist, wo innerhalb eines Ereig- einem hefigen Starkregen entspricht. Am nisses regenfreie Perioden von bis zu 6 h nächsten Tag folgte ein halbstündiger Feucht- möglich sind [79, 125]. Bei der Defnition lauf mit 23 mm und nach einer halben Stunde von Ereignissen ist wichtig, dass mit jedem Pause ein 15-min Nasslauf mit weiteren neuen Ereignis wieder Anfangsverluste (0,2 16 mm. Die Regen fanden an Schönwetter- · S) (vgl. 7 Abschn. 4.3) berücksichtigt werden, tagen statt. Daher ist zunächst auf Grund der während dies bei einer Fortsetzung des vor- für Beregnungsversuche geringen Menge des hergegangenen Regens nicht der Fall ist. Dies Trockenlaufs und der hohen Verdunstung bedeutet, dass nach dem vorhergehenden im Juli von einer besonders schnellen 8 Ereignis genug Zeit verstrichen sein muss, Regeneration des Anfangsspeichers aus- damit der Speicher, der den Anfangsver- zugehen. Es wurden ja nur die Parzellen lust bewirkt (Interzeption durch Pfanzen, beregnet, während die Umgebung trocken Speicherung auf der Bodenoberfäche durch blieb. Dennoch zeigen die Messergebnisse die Mikrotopographie und Speicherung im deutlich, dass Feucht- und Nasslauf keine Oberboden) wieder soweit entleert ist, dass eigenständigen Ereignisse sind, sondern als er für eine erneute Befüllung bereitsteht. Fortsetzung des Trockenlaufs angesehen Folgt ein Regentag auf einen Regentag, so ist werden müssen. Modelliert man alle drei die Evapotranspiration und die Umverteilung Beregnungen als ein durch Pausen unter- innerhalb des Bodens meist zu gering, um brochenes Ereignis mit dem CN-Modell, den Oberbodenspeicher wieder zu entleeren, wobei ein CN-Wert von 86 zugrunde gelegt der am meisten zum Anfangsverlust beiträgt. wurde, dann überlagern sich Modellierung Daher tritt kaum ein Anfangsverlust auf, und Messung nahezu perfekt (. Abb. 8.25 a). wenn ein Regentag auf einen Regentag folgt Dies gilt für jeden einzelnen Lauf. Am Ende und der Folgeregen muss als Fortsetzung des des Trockenlaufs (gemessener Abfuss 16 mm) ersten Regens angesehen werden. Dies zeigt ist der berechnete Abfuss nur 2 mm niedriger, sich schön bei Beregnungsversuchen. Die in am Ende des Feuchtlaufs (gemessener den 1960er-Jahren in den USA etablierte [126, kumulierter Abfuss 31 mm) beträgt der 127] und in der Folge dann auch in Deutsch- berechnete Abfuss ebenfalls 31 mm und am land eingesetzte Methodik [128, 129] sieht Ende des Nasslaufs (gemessener kumulierter einen sogenannten Trockenlauf am ersten Abfuss 42 mm) beträgt der berechnete Tag, einen sogenannten Feuchtlauf 24 h später Abfuss 45 mm. und einen Nasslauf nach einer weiteren, meist Behandelt man dagegen die drei Läufe als halbstündigen Pause vor. unabhängige Regen, bleibt die Modellierung Unter anderem wurden von Martin [130] und damit die gute Übereinstimmung beim viele solche Beregnungszyklen zu unter- Trockenlauf gleich, beim Feucht- und Nass- schiedlichen Jahreszeiten auf 32 sehr unter- lauf werden aber die Abfussmengen grob schiedlichen Böden, vom Dünensand bis unterschätzt. Statt der gemessenen 15 mm im zum schwerem Ton, durchgeführt. Die Daten Feuchtlauf werden nur 4 mm berechnet und wurden später zusammen mit weiteren statt der gemessenen 12 mm in Nasslauf wird Beregnungsdaten in einer frei zugänglichen nur 1 mm errechnet (. Abb. 8.25b). 223 8 8.10 · Einfuss der Bodenbedeckung auf CN-Werte bei kleinen Regen …

-1 t. Abb. 8.25 Mit dem CN-Modell berechneter und 4 a h 62, gemessener kumulativer Oberfächenabfuss bei 60 -1 h mm drei aufeinanderfolgenden Beregnungen (Trocken-, m

m Feucht- und Nasslauf) einer Parabraunerde aus Löß im Vergleich zum kumulierten Niederschlag (Messdaten 40 69,2 aus [130]). a Die drei Regen werden als ein Ereignis 1 - h aufgefasst und Regen wie Oberfächenabfuss über

mm den gesamten Beregnungszyklus kumuliert (Gesamt- 20 regenmenge 79 mm; nicht ganz dargestellt; die 60,4 23 h Pause Zahlen an der Regenlinie geben die jeweilige Intensi- tät wieder). b Die drei Regen werden als unabhängige Ereignisse mit Gesamtregenmengen von 40, 23 0 und 16 mm aufgefasst und daher auch getrennt b modelliert. c Die drei Regen werden als unabhängige 60 Ereignisse aufgefasst und getrennt modelliert. Für die Folgeregen wird aber der vorhergegangene Regen Niederschlag durch Feuchtekorrektur des CN-Wertes berücksichtigt. Der CN-Wert steigt dadurch von 86 im Trockenlauf 40 Ab uss (auch in (a) und (b) verwendet) auf 93 im Feuchtlauf gemessen und auf 94 im Nasslauf

20 Ab uss berechnet erwartet, obwohl 12 mm abgefossen sind (. Abb. 8.25c). 0 . Abb. 8.25b und c zeigen deutlich, c dass bei einer individuellen Betrachtung 60 Trocken- der einzelnen Regen der Anfangsverlust lauf die wesentliche Ursache für diese Fehlein-

Akkumulierte Niederschlag bzw. Ober ächenab uss (mm)r schätzung ist. Die berechneten Abfuss- 40 Feucht- kurven beginnen wesentlich später als die lauf gemessenen Abfüsse und können daher auch Nass- nicht so hohe Abfusssummen erreichen. Im 20 lauf 23 h Pause Feuchtlauf wurde bereits nach 51 s der erste Oberfächenabfuss gemessen und beim Nass- 0 lauf sogar schon nach 30 s während es im 14:00 15:00 nächster 14:0015:00 Trockenlauf 499 s (8,3 min) gedauert hatte. Tag Uhrzeit Uhrzeit Auch dies wird in dem speziellen Fall nahezu perfekt vom CN-Modell vorhergesagt, bei dem Abfuss nach 495 s aufritt. Die Ver- Dies ändert sich auch nicht grundsätz- zögerungen im Feucht- und Nasslauf beruhen lich, wenn die CN-Werte für den Feucht- und nur darauf, dass zunächst ein Abfussflm auf- Nasslauf mit Hilfe von 7 Gl. 4.3 entsprechend gebaut werden muss, bis es überhaupt zum der nun höheren Bodenfeuchte angepasst Abfuss kommt. Rechnerisch ergibt sich aus werden. Zwar steigt dann der CN-Wert von der Anfangsverzögerung beim Feuchtlauf eine 86 im Trockenlauf auf 93 im Feuchtlauf und Schichtdicke von 1 mm und beim Feuchtlauf auf 94 im Nasslauf und die Diskrepanzen zu eine Schichtdicke von 0,5 mm. Dieses Ober- den gemessenen Abfüssen werden geringer, fächenwasser fießt aber nach Regenende aber das grundsätzliche Problem bleibt weiter- ebenfalls ab (s. a. [129]). Aus dem Nachfuss bestehen. Im Nasslauf werden dann trotz errechnen sich ebenfalls Schichtdicken von des hohen CN-Wertes nur 5 mm Abfuss ca. 0,5 mm. 224 Kapitel 8 · Anhang

Das gleiche Verhalten wie bei dem in Literatur . Abb. 8.25 beregneten Boden trat bei nahezu allen von Martin [130] beregneten 32 1. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Böden und bei allen seinen 96 Beregnungs- Abwasser und Abfall (2015) Dezentrale Maßnahmen zur Hochwasserminderung. Merk- zyklen mit je drei Läufen auf. Auch bei den blatt DWA-M 550: Hennef übrigen in der Datenbank [99–101] ent- 2. Fiener P, Auerswald K, Weigand S (2005) haltenen Beregnungen, sofern sie mehrere Managing erosion and water quality in Läufe umfassten, trat dieses Verhalten auf agricultural watersheds by small detention (siehe beispielsweise auch die Abbildung ponds. Agric Ecosyst Environ 110:132–142. 7 https://doi.org/10.1016/j.agee.2005.03.012 in [129]). Kurz aufeinanderfolgende Regen 3. Fiener P, Auerswald K (2006) Infuence of müssen daher zwingend als ein Ereignis auf- scale and land use pattern on the effcacy gefasst und gemeinsam berechnet werden. Sie of grassed waterways to control runoff. Ecol über eine höhere Bodenfeuchte mit Hilfe von Eng 27:208–218. 7 https://doi.org/10.1016/j. 7 Gl. 4.3 abzubilden ist dagegen unzureichend ecoleng.2006.02.005 4. Fiener P, Auerswald K (2005) Measurement and . Abb. 8.25 ( ), wird dem Mechanismus nicht modeling of concentrated runoff in grassed gerecht und ist wohl eine verbreitete Ursache waterways. J Hydrol 301:198–215. 7 https://doi. für systematische Fehler in der Anwendung org/10.1016/j.jhydrol.2004.06.030 8 des CN-Verfahrens. 5. Fiener P, Auerswald K (2006) Seasonal variation Es stellt sich die Frage, wie groß die of grassed waterway effectiveness in reducing runoff and sediment delivery from agricultural Regenpause sein muss, damit ein Folgeregen watersheds in temperate Europe. Soil Tillage als unabhängiges Ereignis betrachtet werden Res 87:48–58. 7 https://doi.org/10.1016/j. kann. Da die Fehleinschätzung nicht aus still.2005.02.035 einer Unterschätzung des CN-Wertes 6. Seidel N (2008) Untersuchung der Wirkung resultierte, sondern aus einer Überschätzung verschiedener Landnutzungen auf Ober- fächenabfuss und Bodenerosion mit einem des Anfangsabzugs, ist dazu die Frage zu Simulationsmodell. Dissertation, Technische Uni- beantworten, wann der den Anfangsabzug versität Bergakademie Freiberg, Freiberg verursachende Speicher wieder zur Verfügung 7. Sonnemann S, Münch A, Dittrich I, Eisenhauer steht. Bei dem in . Abb. 8.25 dargestellten D-R (2008) Einfuss des Waldanteils, der Baum- Ereignis infltrierten 25 mm von den im artenzusammensetzung und der Bestands- struktur sowie der Waldbewirtschaftung auf das Trockenlauf applizierten 40 mm. Unterstellt Abfussregime von Flusseinzugsgebieten im Ost- man im Juli eine tägliche Verdunstung von erzgebirge. In: Schmidt PA, Eckehard GW, Eisen- 1 5 mm d− , könnte der Anfangsspeicher nach hauer DR (Hrsg) Waldbehandlung, Waldmehrung fünf Tagen wieder zur Verfügung stehen. und Auengestaltung unter Berücksichtigung von Nach drei Tagen ist vielleicht die Hälfe des Hochwasservorsorge und Naturschutz im Osterz- gebirge. DBU-Projekt (Abschlussbericht), pp 147– Anfangsspeichers wieder verfügbar. Den 159 Anfangsverlust von 0,2 S auf 0,1 S zu ver- 8. Matschullat J, Richert E, Bianchin S, et al (2007) mindern, wäre dann eine einfach umsetzbare Hochwasser- und Naturschutz im Weißeritzkreis. Lösung in dieser Zwischenzeit. Eine Feuchte- TU Bergakademie Freiberg, Internationales Hoch- korrektur des CN-Wertes sollte dann aber schulinstitut Zittau, Büro für Hydrologie und Bodenkunde, Endbericht DBU-Vorhaben 21278, nicht vorgenommen werden. Die eignet sich Freiberg dagegen besser, um hohe Bodenfeuchte zu 9. Weiß A (2009) Beitrag unterschiedlicher Boden- berücksichtigen, die nicht durch abfussaus- bearbeitungsverfahren und Bewirtschaftungs- lösende Starkregen hervorgerufen wurden. formen der Landwirtschaft zur Reduzierung Solche Bedingungen sind besonders im des Hochwasserabfusses. Dissertation, Kasseler Wasserbau-Mitteil 17: Universität, Kassel Winterhalbjahr wegen der dann geringen 10. Kreiter T (2007) Dezentrale und naturnahe Evapotranspiration gegeben. Retentionsmaßnahmen als Beitrag zum Hoch- wasserschutz in mesoskaligen Einzugsgebieten der Mittelgebirge. Dissertation, Universität, Trier 225 8 Literatur

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Serviceteil

Stichwortverzeichnis – 233

Stichwortverzeichnis

Bebauung 35 Dreiecksganglinienverfahren 38 A Bedeckung 64, 67, 115, 207, 219 Drosselblende 130 Bemessung 17 Durchfuss 17 Abbauland 65 Bemessungsabfuss 74 Abfuss 13 Bemessungsniederschlag 40, 160, – direkter s. Niederschlag, effektiver 188 – mittlerer 25 E Bemessungsziel 74 – Oberfächenabfuss s. Niederschlag, EGL-Verfahren s. Einheitsganglinien- Beton 109, 178, 185 effektiver verfahren Betonrohr 109 – Scheitelabfuss s. dort Einheitsganglinie 17 Bewirtschaftung 86, 160 – Zwischenabfuss s. dort Einheitsganglinienverfahren 46 – höhenlinienparallele s. Kontur- Abfussbeiwert 12, 16 Eintrittswahrscheinlichkeit 17 nutzung – maximaler 203 Einzugsgebiet 14, 17 Bewirtschaftungsrichtung s. Kontur- Abfussbeschleunigung 142, 146 – hydrogeologisches 14 nutzung Abfussganglinie 16–18, 34, 47 – oberirdisches 14 Bezugspunkt 14, 39 Abfusskonzentration 13, 16, 96, 114 – topographisches 14 Blockregen 193 Abfusskurve s. Abfussganglinie – unterirdisches 14 Bodenabtrag s. Erosion Abfussminderung 16 Einzugsgebietsform 36 Bodenart 210 Abfussmulde, begrünte 109, 124, Erdkanal 108 Bodenbearbeitung 116 175 Erosion 114, 139 – konservierende 176 Abfussprozess 13 Erosionsrinne 178 Bodenbedeckung s. Bedeckung Abfussrate 16, 104 Bodenfeuchte 62, 64 Abfussscheitel s. Scheitelabfuss Bodengruppe, hydrologische 19, 67, Abfussspende 16, 104 68, 70, 72, 86, 89, 90, 204, 208 F Abfusstyp 97, 174 Bodenschätzung 211 Abfussverzögerung 16, 26, 37, 96 Fahrweg s. Weg Bodentextur 210 Abfussvolumen 13, 16, 25, 34, 37 Feldrain 96, 98 Bodenwasservorrat 64 Abfusswelle 25, 34 Festgestein 209 Brache 64 Ablaufzeit 34, 41 Feuchtgebiet 183 Bruchwald s. Auwald Ackerfäche 79, 97, 109, 175, 178, 180 Filterstreifen s. Grünstreifen Buchweizen s. Getreide, Zwischen- Ackerfutter, mehrjähriges 65, 89, Flächenparzellierung 82, 137 frucht 116, 204 Flash food s. Sturzfut Ackerrandfurche 99 Fließbreite 96 Ackerrandstreifen 150 Fließgeschwindigkeit 18, 104 Anfangsverlust 16, 64, 203, 206 C Fließgewässer – periodisches 36 Annuität s. Jährlichkeit Check dam 28 – permanentes 36 Anstiegszeit s. Scheitelanstiegszeit CN-Verfahren 62, 217 Fließgewässerlandschaft 18 Asbestrohr 109 Curve-Number-Verfahren s. Fließpfad 18, 96, 103 Asphalt 109, 178, 185 CN-Verfahren Aue 109 Fließtiefe 96, 181 Aufforstung 175 Fließweg s. Fließpfad Ausuferung 25 D Fließwegkartierung 215 Auwald 109, 177 Fließzeit s. Konzentrationszeit Dammkultur 116, 120, 177, 180 Flurbereinigung s. Flurneuordnung – Jahresgang der Bedeckung 117 Flurneuordnung 100, 142, 143 Dauerstufe 40, 77 Flussbett 108 B Decke, wassergebundene 109, 178 Flusshochwasser s. Bach 108, 181 DEGL-Verfahren s. Einheitsganglinien- Flussüberschwemmung Bauplatz s. Abbauland verfahren Flussüberschwemmung 18, 22 Bearbeitung Dinkel s. Getreide Forst s. Wald – nicht-wendende 204 Direktabfuss s. Niederschlag, Fruchtartenwechsel 84, 86 – no-till 73 effektiver Fruchtfolge 86 – Streifen 83, 120 Direktsaat s. auch Mulchdirektsaat – wendende 73 Drainage 96 234 Stichwortverzeichnis

G I M Ganglinie 18, 34, 38 Industriegebiet 65 Mähdruschfrucht s. Getreide Gauckler-Manning-Strickler-Gleichung Infltration 62, 73, 116, 209 Mähweide s. Grünland s. GMS-Gleichung – Nachregen 138 Mais s. auch Reihenkultur 4, 100, 119 Gebietsniederschlag 13, 18, 188 – Runon 82 Manning’s n s. Rauheitsbeiwert – synthetischer 192 Initiative boden:ständig 2 Manning-Strickler-Gleichung s. Gebietsrückhalt 12 Intensität s. Niederschlagsintensität GMS-Gleichung Gefälle 84 Interfow s. Zwischenabfuss Maximalretention 64 Gemüse s. Reihenkultur Modellregen 192 Gerinne 181 Monokultur 86 Gerste s. Getreide J Mulchdirektsaat 19, 43, 72, 86, 114, Geschwindigkeitsmethode 103, 105 204 Jahresgang Getreide s. auch Wintergetreide, Mulchsaat 19, 72, 88, 204 – Ackerfrüchte 68, 207 Sommergetreide 64, 65, 184, 204 – CN-Werte 64, 68, 70 Gewässerbett 108 – klimatische Wasserbilanz 66 Gewässernetz 99, 100 – Niederschlag 77 N – primäres 100 – Oberfächenabfuss 86 Neigung s. Gefälle, Hangneigung. – sekundäres 100 Jährlichkeit 17, 19, 41, 74, 77 Niederschlag 12, 19, 188 Gewässernetzdichte 36 – abfießender s. Niederschlag, Gewässerrenaturierung 177 effektiver Gewässersohle 108 – abfusswirksamer s. Niederschlag, Gewässervorland 109 K effektiver Gewerbegebiet 65 Kanal, gemauerter 109 – Bemessung s. Bemessungsnieder- Gitterstein 109 Kartoffel s. Dammkultur, Reihenkultur schlag GMS-Gleichung 102, 106 Kiesgrube s. Abbauland – effektiver 12, 62, 160 Golfplatz 65 Kirpich-Gleichung 40 – Ganglinie s. Ganglinie Graben 43, 96, 100, 108, 146, 160, 181 Kleegras s. Ackerfutter, mehrjähriges – Gebiet s. Gebietsniederschlag Grassed Waterway s. Abfussmulde, Kleinstrückhaltebecken s. Retentions- – Intensität s. Niederschlagsintensi- begrünte becken tät Grasstreifen s. Grünstreifen Klimawandel 22, 195 – Verteilung 35 Grundwasserstand 209 Konturnutzung 73, 88, 96, 116, 178, – Zugrichtung 35 Grünland, s. auch Wiese, Weide 64, 204 Niederschlag-Abfuss-Prozess 12 79, 97, 142, 175, 178 Konzentrationszeit 19, 39, 96, 102, Niederschlagsdauer 189 Grünstreifen 18, 121 105, 137, 162, 183 Niederschlagshöhe 77, 189 Korndurchmesser, medianer 210 Niederschlagsintensität 19, 40 Korngröße 209 – kritische 184, 186 KOSTRA 41, 74, 76, 184, 192, 197 H Niederschlagsmesser 190 Hafer s. Getreide Niederschlagsskalierung 199 Hanglänge, kritische 84, 117 Niederschlagsverteilung Hangmulde 43, 84, 180 L – anfangsbetonte 193 Hangmuldenabfuss 97 Landbau, ökologischer s. Landbau, – endbetonte 193 Hangneigung s. auch Gefälle 73, organischer – mittenbetonte 53, 193 117, 180 Landbau, organischer 65, 89, 176 Niederschlagswasser 20 Hartholzaue 109 Landnutzung 19, 79 Niederschla Hecke 81, 96 – heterogene 72 – abfießender s. Niederschla, Hochstaudenfur 109, 178 Landregen 22 effektiver Hochwasser 18, 22 Landschaftsgliederung 82, 86, 141, – extremes 76 143 – häufges 76 Lutz-Verfahren 203 O Hochwasserschutz Luzerne s. Ackerfutter, mehrjähriges Oberfächenabfuss s. Niederschlag, – dezentraler 17, 26, 183 effektiver – zentraler 26 – Obstanlage 65, 204 Hopfen s. Reihenkultur, Dammkultur Ölrettich s. Zwischenfrucht 235 G–Z Stichwortverzeichnis

Ombrometer 190 SCS-Curve-Number-Verfahren s. Vorgewende 73 CN-Verfahren Sediment 29 P See 183 W Senf s. Zwischenfrucht Parkplatz 109, 185 Wald 65, 70, 97, 101, 178, 180, 185, Siedlung PEN-LAWA-Datensatz 195 204, 213, 220 – dörfiche 65 Pfaster 109 Wasser, wild abfießendes 20, 34 – städtische 65 Pfugfurche 178 Wasserfäche 65 Silomais s. Mais Phazelia s. Zwischenfrucht Wasserkörper 183 Sohlrampe, raue 108 PVC-Rohr 109 Wasserleitfähigkeit 209 Soja s. Reihenkultur Wasserrückhalt 21, 26, 28 Sonnenblume s. Reihenkultur Wasserscheide 15 Spargel s. Reihenkultur, Dammkultur Wasserspiegelbreite 181 Q Sportplatz 65 Weg 96, 99, 109, 150 Querbearbeitung s. Konturnutzung Stadtkern 185 – befestigter 65 Querschnittsfäche 104, 184 Stahlrohr 109 – Grünweg 151 Querschnittsform 96, 147, 184 Starkniederschlag 41 – Pfasterspurweg 151 Starkniederschlagshöhe 78 – Schotterrasenspurweg 151 Starkregen 20, 22, 42 – wassergebundener 65, 151 Steinbruch s. Abbauland R Wegebau 211 Steinschüttung 108 Radardaten 77, 189, 201 Wegführung 102, 211 Stoffrückhalt 28 Radius, hydraulischer 96, 106, 181, Wegseitengraben s. auch Graben 212 Straße 65, 185 183 Weichholzaue 109 Straßengraben s. Wegseitengraben Ranke 96, 98 Weide s. auch Grünland 65, 184, 204 Streifenbearbeitung 83, 116 Raps s. Getreide Weiher 183 Strickler-Beiwert s. Rauheitsbeiwert Rational method 37 Wein 65, 204 Strickler-Gleichung s. GMS-Gleichung Rauheit 20, 115, 147 Weizen s. Getreide Sturzfut 20, 22 Rauheitsbeiwert 106–108, 178 Wellenablauf 34 Regen s. Niederschlag Wellengeschwindigkeit 183 Reihenabstand 67 Wellenscheitel s. Scheitelabfuss Reihenkultur 65, 97, 115, 185, 204 T Wellenvolumen 34, 37, 41 – Jahresgang der Bedeckung 117 Teich 183 Werkkanal 109 Retention 63 Teileinzugsgebiet 21 Wiederholungszeitspanne s. Jähr- Retentionsbecken 129, 175, 214 Terrasse 28, 73, 85, 88 lichkeit REWANUS-Datensatz 195 Tiefockerung 176 Wiederkehrintervall s. Jährlichkeit Rille 43, 97, 116, 178 Tongehalt 210 Wiese s. auch Grünland 64, 65, 109, Rinne s. Rille Tonrohr 109 184, 204 Roggen s. Getreide Triticale s. Getreide Wildbach 108 Rohr 146, 181 Winter 67 Routing 20 Wintergerste 219, 220 Rübe s. Reihenkultur U Wintergetreide 117, 220 Rückhaltebecken s. Retentionsbecken Winterroggen 118 Ufergehölz 176 Runoff-Curve-Number-Verfahren s. Winterweizen 117 Uferrandstreifen s. Grünstreifen CN-Verfahren Wirtschaftsweg s. Weg Untersaat 21, 116 Runon-Infltration 82 Wohngebiet 185 Wolkenbruch 22 S V Vegetationsentwicklung 67 Sandgrube s. Abbauland Z Verhältnisverfahren 37, 184 Scheitelabfuss 25, 34, 37, 163 Zeitbeiwertverfahren s. Verhältnis- – erweitertes 187 Scheitelanstiegszeit 25, 34, 39, 114 verfahren Verhältniszahl 185 Scheitelhöhe s. Scheitelabfuss Zementrohr 109 Verrohrung 96 Schichtabfuss 43, 97, 174 Zuckerrübe s. Reihenkultur Verschlämmung 62, 116, 178 Schlaggrenze 96, 99 Zwischenabfuss 13, 101, 213, 221 Versiegelung 100, 185 Schotterweg 180 Zwischenfrucht 21, 116, 175 Vorfeuchte 206