Hydrologie - dezentraler Hochwasserschutz
Hydrologie - dezentraler Hochwasserschutz Hydrologie - dezentraler Hochwasserschutz
(FELDWISCH 1998) und 2,5 mm/h für erdgebundene Fahrwege (JOHANNES 1999); Rechenwerte streuen von 4 bis 13 mm/h (ASSOULINE & MUALEM 2000). Selbst bei Frost ist die Infiltrationskapazität von Waldboden – im Gegensatz zu Ackerland und Standweiden – kaum beeinträchtigt („poröser Bodenfrost“), es sei denn, die Laubstreudecke wird durch Schnee stark gepresst (BRECHTEL & KRECMER 1971, SCHWARZ 1974). Oberflächenabfluss wird daher auf Waldflächen nicht oder nur im Fall extremer Regenhöhen, feuchter Vorbedingungen und ungünstiger Böden beobachtet. Bei gleicher Bodenart zeichnet sich Wald durch eine größere Durchlässigkeit und durch veränderte Abflusskomponenten aus. Für Oberflächenabfluss (Qo) sind zweierlei Mechanismen verantwortlich: - Infiltrationsüberschuss, es bildet sich absoluter Horton-Qo an versiegelten Flächen und verzögerter Horton-Qo an verdichteten Flächen - return flow (Exfiltration) aus Zwischenabfluss an Sättigungsflächen (beitragende Flächen, source areas); als Sättigungsflächenabfluss (saturation excess overland flow) bezeichnet man die Summe aus return flow und dem Niederschlag, der direkt auf diese Fläche fällt (LEIBUNDGUT & UHLENBROOK 1997, MENDEL 2000); meist unterscheiden sich return flow und Sättigungsflächenabfluss nicht. Unterschiedliche Formen des Oberflächenabflusses sind der Abfluss in offenen Gerinnen (Gerinneabfluss) und der Landoberflächenabfluss, der je nach Oberflächengestaltung als flächiges Fließen (sheet flow, Überlandfließen) oder Fließen in kleinen Rinnsalen (rill flow) entsteht. SCHERRER & NAEF (2001) differenzieren in ihrem "Entscheidungsbaum" je nach standörtlicher Oberflächen- und Bodeneigenschaft unmittelbaren und verzögerten Horton-Qo sowie unmittelbaren, verzögerten und langsam verzögerten Sättigungsflächenabfluss. Der Zwischenabfluss im (geschichteten) Hangboden entsteht als Summe des Fließens durch die mikroporöse Bodenmatrix und das vernetzte Makroporensystem. Für diese bei Hochwasser bewaldeter Einzugsgebiete dominante Abflusskomponente findet man im Schrifttum eine Reihe oft synonym verwendeter Bezeichnungen: Interflow, subsurface flow, subsurface storm flow, oberflächennaher Abfluss, hypodermischer Abfluss, Bodenabfluss, Bodenwasserabfluss, Hangwasserfluss, lateraler Hangwasserzug, Hangzugwasser und Hangabzugswasser. Der Zwischenabfluss-Anteil am Hochwasserscheitel bewaldeter Kopfgebiete kann 100 % erreichen; in einer tracergestützten Analyse von 10 Hochwasserereignissen in Maryland/USA lag er zwischen 45 % und 100 % (RICE & HORNBERGER 1998). Die Dominanz des Zwischenabflusses in steilen Wald-Kopfgebieten hat vermutlich erstmals HEWLETT (1961) beobachtet (Coweeta, Nord-Carolina/USA): Anhaltender Regen infiltriert fast vollständig und vergrößert damit die zum Abfluss beitragende Fläche (area contributing to stormflow), der subsurce flow der Hänge erreicht das Grundwasser erst in der Talaue, und sein Anteil am jährlichen Basisabfluss liegt bei 85 %. Demgegenüber führt der Weg des infiltrierten Wassers in Einzugsgebieten mit klüftigem Festgesteinsuntergrund überwiegend direkt – ohne den Umweg über die ungesättigte Bodenzone – in den Grundwasserspeicher und von diesem in den Vorfluter, was aus Traceruntersuchungen im Einzugsgebiet Lange Bramke (Harz) hervorgeht (HERRMANN et al. 1987, SCHÖNIGER 1990, HERRMANN et al. 1997). 14
Die Rolle des Zwischenabflusses im Wald wurde vielfach untersucht, über die obigen Zitate hinaus nachzulesen z. B. bei GAISER (1952), HESMER & FELDMANN (1953), NÄGELI (1959), HEWLETT & HIBBERT (1967), TISCHENDORF (1971), LULL & REINHART (1972), BRAUER (1974), SCHWARZ (1983,1985), LEIBUNDGUT & UHLENBROOK (1997), MOESCHKE (1998), SCHÜLER et al. (2001), WALDENMEYER & CASPER (2001), CASPER (2002) und HOGAN & BLUM (2003). An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sich zwar die Volumina der in kleinen Kopfgebieten am Oberlauf der Flüsse entstandenen Hochwasserwellen flussabwärts addieren, wegen unterschiedlicher Fließzeiten und Überregnungen aber nicht unbedingt deren Scheitel. Daher machen sich abflussändernde Maßnahmen nahe der Wasserscheide mit zunehmender Größe des Einzugsgebietes immer weniger bemerkbar, unabhängig von der Art der Maßnahme (KOEHLER 1993, JONES & GRANT 1996, MAURER 1997, THOMAS & MEGAHAN 1998, IKSR 1999, BESCHTA et al. 2000, BOWLING & LETTENMAIER 2001, KOEHLER & MARENBACH 2001). 3. Linienhafte Strukturen und Bodenverletzungen verursachen Oberflächenabfluss und Erosion 3.1 Walderschließungsformen Bei der Anwendung bodenpflegerischer Holzbringungstechniken kommt es im naturnahen Wald weder zu Oberflächenabfluss noch zu einem nennenswerten Anstieg der Hochwasserspitzen. Als Beispiel dafür haben HEWLETT & HIBBERT (1967) die Experimente von Coweeta/USA angeführt. Die moderne forstwirtschaftliche Nutzung des Waldes bedarf allerdings eines engmaschigen Wege- und Entwässerungssystems, und die Flächenbefahrung verursacht Bodenveränderungen. Zu den linienhaften Strukturen in der Landschaft zählen Felder, Terrassen, Wege/Strassen, Raine, Böschungen und Gräben. Im forstwirtschaftlichen Schrifttum findet man unter dem Begriff Weg - abhängig von der Form der Walderschließung – zahlreiche unterschiedliche Bezeichnungen wie Forststraße, Forstweg, Waldstraße, Waldweg, Abfuhrstraße, Fahrweg, Hauptweg, Nebenweg, Wirtschaftsweg, Maschinenweg und Stichweg. Entwässerungsgräben (Drainagegräben) sind wegbegleitend entweder beidseits der Wege oder in hängigem Gelände meist nur bergseits angelegt; Entwässerungsgräben im Bestand nennt man auch Wasserabzugsgräben. Fahrlinien im Bestand ohne Grundschüttung sind dagegen flächenhafte Erschließungsformen (Abschn. 3.2). Waldwege ebenso wie Landwirtschaftswege können im Ereignisfall als versiegelt angesehen werden, da die Bodenverdichtung bis in größere Tiefe reicht (JOHANNES 1999). SCHENK et al. (2001) und BOTT (2002) unterscheiden zwischen befestigten undurchlässigen Wegen und halbdurchlässigen Rückegassen-Fahrspuren. Nicht nur in Deutschland ist bis in die jüngste Zeit eine stetige Zunahme der Waldwegedichte zu beobachten (DIETZ et al. 1984). Den Zahlenangaben der Abbildung 6 liegen Lkw-fähige Fahrwege zugrunde, ihre mittlere Breite liegt bei 4,5 m bis 5 m (OPPERMANN 1991, LUIG 2003). Im Martinsbachgebiet und in den beiden rheinland-pfälzischen Gebieten sind Maschinenwege miterfasst, die Werte in Abbildung 6 sind daher nur bedingt vergleichbar. 15
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Die Rolle des Zwischenabflusses im Wald wurde vielfach untersucht, über die obigen<br />
Zitate hinaus nachzulesen z. B. bei GAISER (1952), HESMER & FELDMANN (1953),<br />
NÄGELI (1959), HEWLETT & HIBBERT (1967), TISCHENDORF (1971), LULL &<br />
REINHART (1972), BRAUER (1974), SCHWARZ (1983,1985), LEIBUNDGUT &<br />
UHLENBROOK (1997), MOESCHKE (1998), SCHÜLER et al. (2001),<br />
WALDENMEYER & CASPER (2001), CASPER (2002) und HOGAN & BLUM (2003).<br />
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sich zwar die Volumina der in kleinen<br />
Kopfgebieten am Oberlauf der Flüsse entstandenen Hochwasserwellen flussabwärts<br />
addieren, wegen unterschiedlicher Fließzeiten und Überregnungen aber nicht<br />
unbedingt deren Scheitel. Daher machen sich abflussändernde Maßnahmen nahe<br />
der Wasserscheide mit zunehmender Größe des Einzugsgebietes immer weniger<br />
bemerkbar, unabhängig von der Art der Maßnahme (KOEHLER 1993, JONES &<br />
GRANT 1996, MAURER 1997, THOMAS & MEGAHAN 1998, IKSR 1999, BESCHTA<br />
et al. 2000, BOWLING & LETTENMAIER 2001, KOEHLER & MARENBACH 2001).<br />
3. Linienhafte Strukturen und Bodenverletzungen verursachen<br />
Oberflächenabfluss und Erosion<br />
3.1 Walderschließungsformen<br />
Bei der Anwendung bodenpflegerischer Holzbringungstechniken kommt es im<br />
naturnahen Wald weder zu Oberflächenabfluss noch zu einem nennenswerten<br />
Anstieg der Hochwasserspitzen. Als Beispiel dafür haben HEWLETT & HIBBERT<br />
(1967) die Experimente von Coweeta/USA angeführt. Die moderne<br />
forstwirtschaftliche Nutzung des Waldes bedarf allerdings eines engmaschigen<br />
Wege- und Entwässerungssystems, und die Flächenbefahrung verursacht<br />
Bodenveränderungen.<br />
Zu den linienhaften Strukturen in der Landschaft zählen Felder, Terrassen,<br />
Wege/Strassen, Raine, Böschungen und Gräben. Im forstwirtschaftlichen Schrifttum<br />
findet man unter dem Begriff Weg - abhängig von der Form der Walderschließung –<br />
zahlreiche unterschiedliche Bezeichnungen wie Forststraße, Forstweg, Waldstraße,<br />
Waldweg, Abfuhrstraße, Fahrweg, Hauptweg, Nebenweg, Wirtschaftsweg,<br />
Maschinenweg und Stichweg. Entwässerungsgräben (Drainagegräben) sind<br />
wegbegleitend entweder beidseits der Wege oder in hängigem Gelände meist nur<br />
bergseits angelegt; Entwässerungsgräben im Bestand nennt man auch<br />
Wasserabzugsgräben. Fahrlinien im Bestand ohne Grundschüttung sind dagegen<br />
flächenhafte Erschließungsformen (Abschn. 3.2).<br />
Waldwege ebenso wie Landwirtschaftswege können im Ereignisfall als versiegelt<br />
angesehen werden, da die Bodenverdichtung bis in größere Tiefe reicht (JOHANNES<br />
1999). SCHENK et al. (2001) und BOTT (2002) unterscheiden zwischen befestigten<br />
undurchlässigen Wegen und halbdurchlässigen Rückegassen-Fahrspuren.<br />
Nicht nur in Deutschland ist bis in die jüngste Zeit eine stetige Zunahme der<br />
Waldwegedichte zu beobachten (DIETZ et al. 1984). Den Zahlenangaben der<br />
Abbildung 6 liegen Lkw-fähige Fahrwege zugrunde, ihre mittlere Breite liegt bei 4,5 m<br />
bis 5 m (OPPERMANN 1991, LUIG 2003). Im Martinsbachgebiet und in den beiden<br />
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Abbildung 6 sind daher nur bedingt vergleichbar.<br />
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