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Preisträger 2010: Dipl. Hyd. Fabian Ries für seine Diplomarbeit in Hydrologie

Hochwasserabflussprozesse und Hochwassermanagement in kleinen Einzugsgebieten

Zahlreiche Studien (Scherrer, 1997; Naef & Scherrer, 2003) belegen wie unterschiedlich einzelne Flächen und Einzugsgebiete hinsichtlich ihrer dominanten Abflussbildungsprozesse und der entsprechenden Abflussreaktion auf Niederschlagsereignisse sein können. Im Gegensatz zu Einzugsgebieten größerer Skala finden sich in kleinen Einzugsgebieten aufgrund der geringen finanziellen Mittel und schlechten Datenlage selten konkrete Vorkehrungen zum Hochwasserschutz und zur Risikominimierung. Hinzu kommt noch, dass die schnellen Reaktionszeiten auf Niederschlagsereignisse die Möglichkeiten der Hochwasservorsorge und -vorhersage stark einschränken. Fehlende Daten im Besonderen zu Niederschlags- und Abflussereignissen machen eine Hochwasserstatistik sowie eine Niederschlag-Abfluss-Modellierung mittels physikalischer oder konzeptioneller hydrologischer Modelle problematisch. Umso wichtiger ist es, anwendungsorientierte Methoden zu entwickeln, die eine Identifizierung der dominanten Abflussprozesse bei unterschiedlichen Niederschlagsereignissen erlauben. So können Gründe für eine bestehende Hochwasserproblematik aufgezeigt und Möglichkeiten des individuellen Hochwasserschutzes untersucht werden.

In der Diplomarbeit „Hochwasserabflussprozesse und Hochwassermanagement in kleinen Einzugsgebieten“ von Fabian Ries wurden vier kleine Einzugsgebiete im westlichen Schwarzwald (Abbildung 1) auf dominante Abflussprozesse, bestehende Hochwasserrisiken und die Möglichkeiten zur Risikominimierung untersucht.

Hierfür wurden unterschiedliche Standorte in den Untersuchungsgebieten basierend auf Bodencharakteristiken unter Verwendung von Prozessbeurteilungs-Schemata auf dominante Abflussbildung untersucht. Beregnungsversuche mit Brilliant Blue FCF gefärbtem Wasser, zeigten deutliche Unterschiede hinsichtlich der Infiltrationsmechanismen und Abflussraten einzelner Standorte (Abbildung 2) und konnten dazu beitragen identifizierte Abflussprozesse zu verifizieren.

Ein einfaches, unkalibriertes Niederschlag-Abfluss-Modell wurde aufgestellt um gemessene und beobachtete Abflussereignisse zu rekonstruieren. Die Modellparameter basieren auf den durchgeführten Feldmessungen, digitalen topographischen Daten (LIDAR) und Werten aus der Literatur. Eine Sensitivitätsanalyse zeigte eine große Bedeutung der berechneten Fließgeschwindigkeit des Oberflächenabflusses auf die modellierten Scheitelabflüsse auf. Die Fließgeschwindigkeit im Gerinne und der Grenzwert der Einzugsgebietsfläche für Gerinneabfluss, zeigte dagegen einen geringen Einfluss auf die Abflussspitze. Die Modellierung gemessener Abflüsse ergab ein geteiltes Bild. Während der Scheitelabfluss kleinerer Konvektivereignisse teilweise deutlich überschätzt wurden, konnte für ein gemessenes Ereignis im Glasbach-Einzugsgebiet gute Resultate erzielt werden. Die Modellierung eines rekonstruierten Schadensereignisses in Schmieheim von 2008 zeigten für die Scheitelabflüsse plausible Werte. Die Resultate ließen sich jedoch aufgrund fehlender Abflussdaten nicht genauer validieren.

Abschließend erfolgte eine Bewertung unterschiedlicher Maßnahmen zum Hochwasserschutz und zur Risikominderung. Dabei stellte sich heraus dass an einigen Gewässerabschnitten aufgrund reduzierter hydraulischer Leistungsfähigkeit, bereits ein 20-jährliches Hochwasserereignis nicht mehr abgeführt werden kann (Abbildung 3). Aus Beobachtungen vergangener Hochwasserereignisse wird berichtet, dass mitunter nicht die Abflusshöhe, sondern mitgeführtes Schwemmmaterial welches die hydraulische Leistungsfähigkeit heruntersetzt, zur Einschätzung eines Abflussereignisses als Hochwasser führte. Das Einbringen von Rechen innerhalb der tief eingeschnittenen Bachbetten im ländlichen Einzugsgebietsteil könnte durch Zurückhalten von Schwemmgut eine effektive Reduktion des Schadenrisikos bewirken. In zwei Einzugsgebieten konnten mögliche Standorte für Hochwasserrückhaltebecken identifiziert werden, wobei weitere Untersuchungen zur Eignung der Standorte durchgeführt werden sollten.

Abbildung 1: Geographische Lage der Untersuchungsgebiete (Kartengrundlage WaBoA, digitale Ausgabe 2007)

Abbildung 2: Infiltrationsmuster (oben) und Abflussreaktion einzelner Beregnungsstandorte (unten) in den Untersuchungsgebieten (E =Ehrenbächle, G = Glasbach, S = Schmieheim)

Abbildung 3: Modellierte Scheitelabflüsse der Untersuchungsgebiete für ein Ereignis der Dauerstufe 60 Minuten unterschiedlicher Jährlichkeiten unter Annahme verschiedener Niederschlagsverteilungen und Oberflächenrauigkeiten (Modell 1 bis 3). Rote Linien markieren berechnete hydraulische Leistungsfähigkeiten der größten Schwachstelle im Gewässerquerschnitt bzw. in verdolten Abschnitten.

 

Literatur:
Scherrer, S. (1997). Abflussbildung bei Starkniederschlägen. Identifikation von Abflussprozessen mittels künstlicher Niederschläge, Band 147. Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie an der ETH Zürich.
Naef, F. & Scherrer, S. (2003). Grundlagen zu den Abflussbildungsprozessen. In M. Spreafico, R. Weingartner, M. Barben, & A. Ryser (Herausgeber): Hochwasserabschätzung in schweizerischen Einzugsgebieten, Band 4, Berichte des BWG - Serie Wasser, Seiten 16–24. Bundesamt für Wasser und Geologie.