7.3 Abflussbildung

7.3.1 Prozess der Abflussbildung

Der Prozess der Abflussbildung setzt sich zusammen aus den hydrologischen Prozessen, die sich auf der Landfläche abspielen: Interzeption, Verdunstung, Infiltration, Schneeschmelze, Speicherung an der Oberfläche, im Boden und Grundwasser. Die verschiedenen Prozesse sind in den jeweiligen Kapiteln näher beschrieben. Sie sorgen für die Bildung des Abflusses und dessen zeitliche Intensitätsverteilung. Die geomorphologischen, klimatischen und auch anthropogenen Faktoren der Einzugsgebiete haben wesentlichen Einfluss auf den Ablauf der hydrologischen Prozesse.

Das Niederschlagswasser, welches nicht verdunstet oder in der Vegetation gespeichert wird, erreicht die Bodenoberfläche und versucht in den Boden zu infiltrieren (Bodenfeuchteanreicherung, Grundwasserneubildung). Ist die Niederschlagsintensität größer als die vom jeweiligen Boden zugelassene Infiltration, fließt das Wasser oberflächlich ab bzw. sammelt sich in Vertiefungen (Muldenrückhalt).

7.3.2 Ingenieurhydrologische Betrachtung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses

Der gesamte Gebietsniederschlag läßt sich damit nach ingenieurshydrologischen Ansätzen aufteilen in einen Verlustanteil, der nicht oder nicht unmittelbar zum Abfluss gelangt, und einen Abflusswirksamen Anteil, den sogenannten effektiven Niederschlag, der direkt abfließt (besteht aus Oberflächen- und Zwischenabflussanteilen).

Die Verlustrate nimmt kontinuierlich ab, da sich die Speicher schnell füllen. Der Anteil des effektiven Niederschlags am Niederschlag nimmt also bei lang anhalten Niederschlägen mit der Zeit zu.

Unter Abflussbildung werden die Prozesse zusammengefaßt, die in einem Einzugsgebiet zur Bildung des sogenannten Abflusswirksamen Niederschlags führen. Die Abflusskonzentration beinhaltet die Prozesse, die zur Transformation des Effektivniederschlags in eine Ganglinie des Direktabflusses aus einem oberirdischen Einzugsgebiet führen. Diese nach DIN 4049 definierten Begriffe sind auf Studien und Forschungsergebnissen aus der Geohydrologie nicht ohne weiteres übertragbar (s. u.a. Kap. 12.1).

Nach ingenieurhydrologischer Sicht (vgl. Schröder et al. 1994) kann die Abflussbildung wie folgt skizziert werden: Der Gesamtniederschlag iN(t) wird aufgeteilt in einen Verlustanteil iV(t), der nicht unmittelbar (ereignisbezogen) zum Abfluss beiträgt, und in einen Abflusswirksamen Anteil, den effektiven Niederschlag iNe(t), der direkt abfließt. Diese iNe(t)-Abflusskomponente setzt sich zusammen aus dem Oberflächen- und dem Zwischenabfluss oder auch Interflow.

Der effektive Niederschlag wird durch Fließvorgänge auf der Erdoberfläche und im Erdboden konzentriert und gelangt in Rinnen, Gräben und den Vorfluter (Bach, Fluss).

Oberflächenabfluss: Teil des Abflusses, der dem Vorfluter als Reaktion auf ein auslösendes Niederschlags- oder/und Schneeschmelzereignis über die Bodenoberfläche unmittelbar zugeflossen ist. Der Interflow ist eine Abflusskomponente, die durch die oberflächennahen Bodenschichten dem Vorfluter zugeflossen ist. Die Summe aus beiden Komponenten ist der Direktabfluss QD (direct runoff, in m³/s).

Der Gesamtabfluss Q, der an einer Station (Abflusspegel) gemessen wird, setzt sich zusammen aus dem Direktabfluss und dem Basisabfluss QB (Teil des Abflusses, der nicht Direktabfluss ist, z.B. grundwasserbürtiger Abfluss).

Den Niederschlag-Abfluss-Prozess aus ingenieurhydrologischer Sicht zeigt die Abb. 7.2. Die zugehörige Volumenbedingung VQD = VNe lautet folgendermaßen:

Volumenbedingung
t 0 t e Q D t t = t 0 t e i Ne t · A E t = A E t 0 t e i N t - i V t t
VNe: Volumen des effektiven Niederschlags [m³]
VQD: Volumen des Direktabflussanteils [m³]
QD Direktabfluss [m³/s]
t0, te: Beginn und Ende des N-A-Ereignisses
iNe: effektiver Niederschlag [mm/t]
AE: oberirdisches Einzugsgebiet [km²]
iN: Gesamtniederschlag [mm/t]

Die Abtrennung oder Separation des Basisabflusses wird in Kap. 12.1 behandelt. In ingenieurhydrologisch-wasserwirtschaftlichen Ansätzen erfolgt vielerorts eine Abtrennung vom Gesamtabfluss mit einem konstanten Wert (z.B. in Anlehnung an Sherman 1932, vgl. IHD 1975).

7.3.3 Bestimmung des effektiven Niederschlags mit Verlustraten und Abflussbeiwerten

Für die Aufteilung des Gesamtniederschlags iN(t) in effektive und Verlustanteile iNe (t) bzw. iv(t) werden Verlustraten- und Abflussbeiwertansätze verwendet:

  • Verlustratenansatz mit konstanter Verlustrate iv(t) = iv0 = konstant (einfachster Ansatz)
  • konstante Verlustrate mit Anfangsverlust (zur Berücksichtigung der Bodenfeuchte nach längerer Trockenzeit etc.)
  • Abflussbeiwertansätze für geringe Niederschlagsintensitäten und in z.T. versiegelten Einzugsgebieten: iNe(t) = iN(t)·y(t), auch mit Anfangsverlust kombinierbar.

7.3.4 SCS-CN-Verfahren

Beim SCS-CN-Verfahren (US Department of Agriculture 1985) des US Soil Conservation Service (heute Natural Resources Conservation Service NRCS) wird der Abflussbeiwert anhand von Bodenarten und -nutzung im Einzugsgebiet abgeschätzt. Dabei ist eine nach Flächenanteilen differenzierte Einstufung nach Bodenart und -nutzung vorzunehmen und die zugehörigen CN-Werte aus einem Diagramm (Abszisse: Niederschlagshöhe, Ordinate: Höhe des effektiven Niederschlag) abzugreifen. CN steht für curve number. Der Abflussbeiwert ySCS ist gleich dem Quotienten aus hNe/hN. Eine Beschreibung des SCS-CN-Verfahrens findet sich beim COMET Hydrometeorology Course, ein Anwendungsbeispiel stellen Colombo & Sarfatti (1997) dar (auch online verfügbar), weitere Beispiele bei Schröder et al. (1994).

Einschub: weitere Begriffe:

Infiltration: Zugang von Wasser durch enge Hohlräume in die Lithosphäre (vgl. Kap. Boden).

Infiltrationrate: innerhalb einer bestimmten Zeit versickerndes Wasservolumen,

Infiltrationkapazität: maximale Infiltrationrate

Grundwasserneubildung: Zufluss von Sickerwasser in den Untergrund, welches zur Erneuerung des Grundwassers und vielfach auch zu zeitlich begrenzter Zunahme des Grundwasservolumens führt.

7.3.5 Horton-Verfahren

Das Horton-Verfahren, ein empirischer Ansatz, basiert auf Infiltrationsmessungen.
Als geeignete Funktion für die Infiltrationsrate ergab sich eine e-Funktion (Abb. 7.2). Es wird angenommen, dass die Verlustrate der Infiltrationsrate entspricht:

Horton-Verfahren
i v t = i v 0 - i vc · e - t k + i vc
iv0: Infiltration zu Beginn des Ereignisses [mm/h]
ivc: Infiltration bei Sättigung des Bodens [mm/h]
k: Retentionskonstante [h]
Abb. 7.2: Verlustrate nach dem Horton-Verfahren. Vergleichsweise ist die Verlustrate für einen konstanten Abflussbeiwert eingetragen.

7.3.6 Koaxialdiagramm

Abb. 7.3: Koaxialdiagramm für das Einzugsgebiet der Rodenberger Aue (AEo = 166 km²); Gebietsrückhalt R = f(VN,W,D,N); Beispiel: gegeben sind VNS = 28 mm, D = 3 h, N = 52 mm im Juni (26. Woche). Lösung: N-A = 34 mm, ND = 52 - 34 = 18 mm / 3 h; aus Maniak (1997).

Ist die Niederschlagsintensität höher als die Infiltrationskapazität, bildet sich Oberflächenabfluss.

Die Übertragung der effektiven Niederschlagsrate [mm/h] in die Einheit [m³/s] erfolgt durch Integration des Niederschlags über die Einzugsgebietsfläche wie folgt:

Übertragung der effektiven Niederschlagsrate
Q t = 1 3,6 · 0 A i Ne t - τ x , y A E + Q B
1/3,6: Umrechnungsfaktor für Zeit- und Flächendimensionen
τ: Übertragungszeit (zur Berücksichtigung der Übertragung der Niederschlagshöhe am Ort x,y auf der Fläche A bis zum Kontrollquerschnitt, z.B. Pegel)
AE: oberirdisches Wassereinzugsgebiet
QB: Basisabfluss

7.3.7 Geohydrologische Infiltrationsansätze

Die geohydrologischen Ansätze zur Behandlung der Abflussbildung gehen von einem flächendifferenzierten Konzept aus, welches die Infiltrationseigenschaften der Bodenarten berücksichtigt und z.B. mit Hilfe der Richards-Gleichung oder Fokker-Planck-Gleichung/Sickerströmungsgleichung) mathematisch beschreibt (s. Kap. 10.5).

Infiltration: Unter Infiltration wird die Bewegung des in den Boden eintretenden Niederschlags- oder Schneeschmelzwasser verstanden, während unter Perkolation die vertikale, abwärtsgerichtete Bewegung im Boden zu verstehen ist. Der Verlauf der Infiltration wird durch die aktuelle Infiltrationsrate, d.h. das Wasser, welches je Zeiteinheit versickert, gekennzeichnet. Die maximal mögliche Infiltrationsrate wird als Infiltrationskapazität bezeichnet.

Das Eindringen von Wasser in den Boden kann mit Hilfe von Infiltrometern (z.B. Doppelringinfiltrometer) bestimmt werden. Dazu wird ein Doppelring auf die Erdoberfläche aufgesetzt und angedrückt. In den Ring wird Wasser eingefüllt. Die Abnahme des Wasserstandes entspricht der Infiltrationhöhe bzw. -rate [mm/h]. Die Übertragung auf größere Flächen bedarf der Korrektur, da pedologische Faktoren (bodenphysikalische und bodenmorphologische Eigenschaften) stark variieren können.

Infiltrationsmessungen sind Messungen an einem Standort (Punktmessungen). Zu den physikalisch begründeten Infiltrationsmodellen gehören vereinfachte Ansätze wie das Modell von Green & Ampt (1911) sowie Lösungen der Sickerströmungsgleichungen. Die Grundlagen für diese Gleichungssysteme werden in Kap. Boden behandet. Der verbreitetste Ansatz kann wie folgt skizziert werden:

Mit einem physikalisch begründeten Ansatz (z.B. Mein & Larson 1973, Schiffler 1992 oder Simunek et al. 1994) wird die Infiltration an einem Standort berechnet. Mittels z.B. der Methode der Finiten Elemente oder der Finiten Differenzen wird das entsprechende Berechnungsfeld diskretisiert. Das bedeutet, dass für jedes Element entsprechend der Bodenparameter die Infiltration berechnet und am Ende der Zeitschritte wird eine räumlich differenzierte Infiltrationsrate ausgegeben wird. Die Variabilität der pedologische Faktoren kann z.B. mit einem Geographischen Informationssystem (GIS) bereitgestellt werden.