Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des ... - BFW

bfw.ac.at

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des ... - BFW

ISSN 1811-3044

DOKUMENTATION

Provisorische Geländeanleitung

zur Abschätzung des

Oberflächenabflussbeiwertes auf

alpinen Boden-/Vegetationseinheiten

bei konvektiven

Starkregen (Version 1.0)

G. MARKART,B.KOHL,B.SOTIER,

T. SCHAUER,G.BUNZA und R. STERN

Bundesamt und

Forschungszentrum für Wald

3

2004

Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft

Umwelt und Wasserwirtschaft


BFW-DOKUMENTATION 3/2004

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald

Provisorische Geländeanleitung zur

Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes

auf alpinen

Boden-/Vegetationseinheiten bei

konvektiven Starkregen

(Version 1.0)

A Simple Code of Practice for Assessment

of Surface Runoff Coefficients for Alpine

Soil-/Vegetation Units in Torrential Rain

(Version 1.0)

G. MARKART,B.KOHL,B.SOTIER,

T. SCHAUER,G.BUNZA und R. STERN

FDK 114.2:18:(431)

lebensministerium.at

BUNDESMINISTERIUM FÜR LAND- UND FORSTWIRTSCHAFT

UMWELT UND WASSERWIRTSCHAFT


Empfohlene Zitierung:

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes

auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten bei konvektiven Starkregen

(Version 1.0) / G. Markart, B. Kohl, B. Sotier, T, Schauer, G. Bunza und

R. Stern / BFW-Dokumentation; Schriftenreihe des Bundesamtes und

Forschungszentrums für Wald, Wien, 2004, Nr. 3, 88 S.

ISSN 1811-3044

Copyright 2004 by

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald

Für den Inhalt verantwortlich:

Dienststellenleiter Dipl.-Ing. Dr. Harald Mauser

Herstellung und Druck:

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A-1131 Wien

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Nachdruck mit Quellenangabe gestattet

In Zusammenarbeit mit


Vorwort

Sehr geehrte Leserin, sehr geehrter Leser!

Mit der vorliegenden ersten Nummer der „BFW-Dokumentation” wollen wir Ihnen

eine neue Publikationsreihe des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald

vorstellen. In dieser sollen Zwischenberichte zu laufenden Projekten, Sammlungen

umfangreicherer Datensätze und weitere Informationen wissenschaftlichen oder

praxisorientierten Inhaltes präsentiert werden, die in dieser Ausführlichkeit nicht in

anderen Publikationsreihen Platz finden. In der Regel sind diese Informationen für

einen begrenzten Kreis von Interesse, daher wird die „BFW-Dokumentation” nur in

kleiner Auflage gedruckt. Sie ist aber auch über das Internet zugänglich.

Ich hoffe, dass wir mit dieser neuen Reihe eine hilfreiche Ergänzung zu den übrigen

Publikationen des Bundesamtes und Forschungszentrums für Wald (z.B. BFW-

Berichte, BFW-Praxisinformation) anbieten können.

Dipl. Ing. Dr. Harald Mauser

Leiter des BFW


Vorwort - Dank

In den letzten Jahren wurde weltweit eine Vielzahl an N/A-Modellen generiert bzw. aus bestehenden

Ansätzen weiterentwickelt. Wer operiert also in Zeiten Computerbasierter mathematischer Modelle

zur Berechnung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses noch mit Abflussbeiwerten?

Allen N/A-Modellen gemeinsam ist die Abhängigkeit der Exaktheit der erzielten Ergebnisse von der

Qualität der Input-Parameter. Die größte Unbekannte in alpinen Einzugsgebieten stellt i.d.R. der

Niederschlag dar, für dessen Erfassung die Hydrografischen Dienste der Länder, die Zentralanstalt

für Meteorologie und die Abteilung Wasserhaushalt im BMLFUW (früher Hydrografisches Zentralbüro)

unermüdliche Arbeit leisten.

Bereits als nächster Schritt stellen sich die Fragen: Wie viel Wasser wird von der Vegetation zurückgehalten,

welche Menge rinnt an der Oberfläche ab, welcher Prozentsatz kann in den Boden

eindringen?

Seit den 70er-Jahren des 20 Jhdts. werden in diesem Zusammenhang vom Bayerischen Landesamt

für Wasserwirtschaft und am Bundesamt und Forschungszentrum für Wald Starkregensimulationen

zur Charakterisierung des Abflussverhaltens alpiner Vegetations-/Bodenkomplexe durchgeführt. Die

zusammen annähernd 700 Einzelversuche erbrachten interessante Ergebnisse, unter anderem auch

Hinweise darauf, dass Abflussprozesse durch Faktoren mitbestimmt werden, die in N/A-Modellen

nicht oder noch nicht richtig berücksichtigt werden können. Beispielsweise akkumulieren die von

der hochmontanen bis in die alpine Stufe weit verbreiteten Bürstlingrasen (Nardeten) große Mengen

an Benetzungshemmender Totmasse und bilden ein regelrechtes Strohdach aus, wodurch die Infiltration

des Niederschlages in den Mineralboden extrem verzögert wird. Auch die mathematische

Beschreibung der im Boden stattfindenden Abflussprozesse ist ein nicht wirklich gelöstes Problem.

So basiert eine Vielzahl der „am Markt“ befindlichen Modelle auf Berechnungsansätzen (Richards-

Gleichung, Darcy), mit denen z.B. die raschen Abflussprozesse über Sekundärporen (Tierröhren,

Spalten, Klüfte, Schwundrisse etc.) nicht prozessnah zu beschreiben sind.

Aufgrund der Komplexität dieser Modellansätze, ihrer extrem hohen Anforderungen an Gebietskenngrößen,

Kalibrierungs- und Verifizierungsdaten werden sie in erster Linie im wissenschaftlichen

Umfeld eingesetzt. In der Praxis kommen nach wie vor einfachste Berechnungsansätze zur Anwendung.

Sie verlangen sehr oft Angaben über jenen Prozentsatz des Niederschlages, der mit geringer

Verzögerung zum Abfluss kommt, also über den Abflussbeiwert. Die vorliegende Arbeit befasst sich

mit diesem Modellparameter, sie fußt auf den oben erwähnten Starkregensimulationen und führt

den Praktiker zu gezieltem Schauen im Gelände. Er hat dadurch ein Werkzeug in der Hand, mit

dessen Hilfe er Abflussbeiwerte einschätzen und für einfache N/A-Modelle bereitstellen kann. Ein

seit langer Zeit bekanntes Abflussmodell ist der Laufzeitansatz von Zeller (1981). In mehrjähriger

Arbeit wurde dieser Ansatz nun von Kohl verbessert und von Stepanek et al. (2004) als praxisorientiertes

Modell ZEMOKOST vorgestellt. Dieser Ansatz eignet sich besonders für die Abflussermittlung

in Einzugsgebieten ohne Direktmessung. Anhand der vorliegenden Anleitung können die

wichtigen Eingangsgrößen Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz (Ψ const

) und Oberflächenrauhigkeit

im Feld für die mittlere Maßstabsebene (1 : 10.000 bis 1 : 5.000)) und die Detailebene

(< 1 : 5.000) mit vertretbarem Zeitaufwand und hinreichend genau erfasst werden. In Kombination

mit einer entsprechenden Kartengrundlage (analog oder digital) und einer (Grob)Charakteristik der

Gerinneverhältnisse bietet sich damit dem Praktiker eine gute Basis für die nachvollziehbare

Abschätzung von Bemessungsabflüssen in alpinen Einzugsgebieten.


Die vorliegende Anleitung fußt auf den Ergebnissen von mehreren Jahrzehnten arbeitsintensiver

und aufwendiger Feldmessungen. Zu ihrem Gelingen hat eine Vielzahl von Personen beigetragen:

MR Dipl.-Ing. Werner Rachoy, ehemaliger Leiter der Gruppe Vc im Bundesministerium f. Landund

Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW), Ing. Wolfgang Schweighofer

(Abteilung IV/5 - BMLFUW) und Dipl.-Ing. Renate Mayer (Abteilung IV/4 - BMLFUW) durch

stete Förderung der Projektarbeit am Institut für Lawinen- und Wildbachforschung des BFW, ohne

die es den umfangreichen Datenpool, auf dem diese Anleitung aufbaut, nicht gäbe.

Unsere Kollegen Dr. Robert Kirnbauer, Institut für Hydraulik, Gewässerkunde und Wasserwirtschaft

der TU-Wien, und Dr. Herbert Pirkl (Büro für Geoökologie, Wien) haben in jahrelanger

Zusammenarbeit und intensiven Diskussionen den Weg zu dieser Anleitung mit bereitet.

Dr. Wolfgang Gattermayr und Mag. Klaus Niedertscheider (Sachgebiet Hydrographie beim Amt der

Tiroler Landesregierung), Dipl.-Ing. Andreas Haas, Dipl.-Ing. Manfred Pittracher und Dipl.-Ing.

Leopold Stepanek (Sektion Tirol des Forsttechnischen Dienstes für Wildbach- und Lawinenverbauung)

haben den ersten Entwurf mit den Autoren gemeinsam und bei ihren Außendiensten im

Gelände getestet und viele Ideen zur Verbesserung der Anleitung entwickelt.

Dr. Christoph Hegg, Leiter der Abteilung für Wasser-, Erd- und Felsbewegungen an der Eidgen.

Forschungsanstalt für Wald Schnee und Landschaft, sowie Dipl.-Ing. Markus Wallner, Dipl.-Ing.

Kurt Ziegner von der Landesforstdirektion Tirol und Dipl.-Ing. Franz Legner von der Abteilung

Almwirtschaft beim Amt der Tiroler Landesregierung haben das Manuskript kritisch durchgesehen

und wertvolle Anregungen eingebracht.

Univ.Prof. Dr. Helmut Hartl hat eine Vielzahl von Dias von Zeigerpflanzen mit dem Präzisionsscanner

gescannt und für die Publikation bereitgestellt. Abbildungen überlassen haben uns auch die

Kollegen DDr. Heiner Bertle, Dipl.-Ing. Andreas Haas, Dr. Herbert Pirkl, Dipl.-Ing. Siegfried Sauermoser

und Dr. Willigis Gallmetzer.

Für Satz und Layout sorgte in bewährter Weise Frau Johanna Kohl.

Nicht unerwähnt bleiben sollen an dieser Stelle die vielen Mitarbeiter am Bundesamt und

Forschungszentrum für Wald und am Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft, die uns über

Jahre hinweg bei der Durchführung der Untersuchungen im Feld unterstützt haben, sowie alle jene

Vertreter des Forsttechnischen Dienstes für Wildbach- und Lawinenverbauung, der Wasserwirtschaftsämter

und weiterer Ämter und Behörden, sowie die Vielzahl von Grundbesitzern, die uns im

Rahmen von Projekten und Gutachten die Durchführung von Starkregensimulationen ermöglichten.

Nur dadurch konnten die umfangreichen Datengrundlagen, die der vorliegenden Arbeit

zugrunde liegen, entstehen.

Wir sind uns des Wertes dieser Unterstützung bewusst und sagen allen ein herzliches „Danke“.

Innsbruck und München im Dezember 2003

Die Autoren


Inhaltsverzeichnis

Vorwort - Dank ....................................................................................................................................... 3

Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................................... 5

Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................................... 7

Kurzfassung ............................................................................................................................................. 9

Abstract.................................................................................................................................................... 9

1. Ziele und Anwendungsbereiche der Geländeanleitung ......................................................... 9

2. Definitionen ............................................................................................................................. 11

3. Bemessungsregen, Gültigkeitsbereich der Anleitung............................................................. 11

4. Aufbau der Anleitung .............................................................................................................. 12

4.1 Hydrologische Vegetationseinheiten.............................................................................................. 12

4.2 Indikatorfunktion des Bodens ....................................................................................................... 12

4.3 Indikatorfunktion der Nutzung und standörtlicher Besonderheiten.......................................... 14

4.3.1 Wirkung mechanischer Belastungen und technischer Eingriffe....................................... 14

4.3.2 Entwässerung....................................................................................................................... 17

4.3.3 Einfluss des Deckungsgrades der Bodenvegetation........................................................... 17

4.3.4 Effekte der Hangneigung .................................................................................................... 17

4.3.5 Bioturbation im Boden....................................................................................................... 17

4.3.6 Waldwirkungen ................................................................................................................... 18

4.3.7 Hydrophobie nach Austrocknung - Strohdacheffekt ........................................................ 18

4.3.8 Einfluss der Vorfeuchte ....................................................................................................... 18

4.3.9 Gerinnenetzdichte, Hangwasser ......................................................................................... 20

4.4 Indikatorfunktion der Vegetation, Feuchte- Zeigerwerte............................................................. 20

4.5 Abflussbeiwertklassen..................................................................................................................... 20

4.6 Zuordnung von Abflussbeiwerten ................................................................................................. 21

4.7 Abflussverhalten bei Hagelereignissen und auf schneebedeckter Oberfläche............................. 22

5. Hinweise für die praktischeAnwendung ................................................................................ 22

5.1 Beispiele für die Anwendung der Geländeanleitung zur Abschätzung des

Oberflächenabflussbeiwertes ........................................................................................................ 22

5.1.1 Beispiel 1: Fi-Reinbestand (Piceetum nudum), beweidet ................................................. 22

5.1.2 Beispiel 2: Hang mit Zwergstrauchheide (Alpenrose)....................................................... 23

5.1.3 Beispiel 3: Bürstling-Rasen ................................................................................................. 24

5.1.4 Beispiel 4: Standort mit Alpenrose undBürstling-Rasen................................................... 25

6. Berechnung der Initialabstraktion.......................................................................................... 25

6.1 Grundlagen ..................................................................................................................................... 25

6.2 Initialabstraktion in Relation zum Abflussbeiwert....................................................................... 25

6.3 Systemzustände - extreme Szenarien............................................................................................. 26

6.4 Berechnung der Initialabstraktion für das realistische Worst-Case-Szenario ............................. 26


7. Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit................................................................................ 27

7.1 Grundlagen ..................................................................................................................................... 27

7.2 Saisonale Unterschiede in der Rauhigkeit ..................................................................................... 27

7.3 Anschätzen der Rauhigkeit ............................................................................................................ 28

8. Aufnahmeformular für Detailkartierungen ........................................................................... 29

9. Literatur.................................................................................................................................... 30

Anhang 1 - Geländeanleitung

1.1 Ergänzende Hinweise zur Handhabung der Anleitung ................................................................ 33

1.2 Pioniervegetation - Rohböden....................................................................................................... 35

1.3 Rasenvegetation - Mähwiesen........................................................................................................ 35

1.4 Zwergstrauchheiden ....................................................................................................................... 36

1.5 Buschgesellschaften ........................................................................................................................ 37

1.6 Hochstaudenfluren......................................................................................................................... 38

1.7 Wälder............................................................................................................................................. 38

1.7.1 Nadelwälder......................................................................................................................... 38

1.7.2 Laubwälder und Laub-/Nadelmischwälder........................................................................ 39

1.8 Planien............................................................................................................................................ 40

Anhang 2 -

Beispiele für die Anschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei konvektiven Starkregen

und der Rauhigkeit von typischen Vegetationsformen des Ostalpenraumes

2.1 Pioniervegetation - Rohböden....................................................................................................... 43

2.2 Rasenvegetation - Mähwiesen........................................................................................................ 47

2.3 Zwergstrauchheiden ....................................................................................................................... 55

2.4 Buschgesellschaften ........................................................................................................................ 57

2.5 Hochstaudenfluren......................................................................................................................... 59

2.6 Wälder............................................................................................................................................. 60

2.7 Planien ............................................................................................................................................ 65

2.8 Geringmächtige, durchfeuchtete Schneedecken auf Rasen.......................................................... 68

Anhang 3 - Zeigerplanzen

3.1 Wälder............................................................................................................................................. 71

3.2 Wälder und feuchte Rasen bzw. Wiesen....................................................................................... 73

3.3 Weiden, feuchte Wiesen und Moore.............................................................................................. 76

3.4 Zeigerpflanzen für Standorte mit hohem Infiltrationspotential.................................................. 80

Anhang 4 -

Formular für die Erhebung vonAbflussbeiwerten und Rauhigkeit im Gelände......................... 85


Abkürzungsverzeichnis

AIATR

Abkürzung Erklärung Dimension

Institut für Lawinen- und Wildbachforschung

AK, AK ges

,C,c,ψ, ψ tot

AK const

, Ψ const

AKl

BMLFUW

Abflusskoeffizient, Abflussbeiwert = Verhältnis von Gesamtabfluss

zum gesamten Niederschlag

Abflusskoeffizient zum Zeitpunkt der Abflusskonstanz

Abflussbeiwertklasse

Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt

und Wasserwirtschaft

BFW

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald

Bu

Buche

DB

Datenbank

DG

Deckungsgrad der Vegetation

f

frisch

ff

sehr frisch - feucht

FBVA

Forstliche Bundesversuchsanstalt

Fi

Fichte

GVE

Großvieheinheit

i N Intensität des Niederschlages mm*h -1


Lärche

LfW

Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft

mf

mäßig frisch

n

nass

n

Stichprobenanzahl, Anzahl der Wiederholungen

N Niederschlag mm

OA

Oberflächenabfluss

Q Abfluss mm, Lt*m -2

STO

Standort(e)

Ta

Tanne

ÜG

Überschirmungsgrad

ZA

Zwischenabfluss

Zi

Zirbe


Durchmesser


unendlich


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 9

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des

Oberflächenabflussbeiwertes auf alpinen Boden-/Vegetationseinheiten

bei konvektiven Starkregen (Version 1.0)

G. MARKART,B.KOHL,B.SOTIER,T,SCHAUER,G.BUNZA &R.STERN

Kurzfassung: Seit annähernd 3 Jahrzehnten werden am Institut für Lawinen- und Wildbachforschung beim

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald (Innsbruck und Wien) und am Bayerischen Landesamt für

Wasserwirtschaft in München Starkregensimulationen und begleitende Untersuchungen, wie Erhebungen

boden- und vegetationskundlicher Kennwerte zur Charakterisierung des Abflussverhaltens beitragender

Flächen in Wildbacheinzugsgebieten durchgeführt. Die Ergebnisse von mittlerweile über 700 Einzelberegnungen

wurden in einer gemeinsamen Datenbank zusammengeführt und ausgewertet.

Ein erstes Produkt dieser Auswertungen ist die vorliegende Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes

bei konvektiven Starkregen. Sie ist die Basis für die Erstellung von Abflussbeiwertkarten

zur Berechnung von Abflussspitze und Abflussfracht beim Bemessungsereignis in Wildbacheinzugsgebieten.

Die gegenständliche Anleitung enthält Hinweise für die quantitative und qualitative Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes

bei Abflusskonstanz, einen Ansatz zur Anschätzung der Rauhigkeit der Oberfläche und

eine Funktion zur Abschätzung der Initialabstraktion auf beitragenden Flächen in Wildbacheinzugsgebieten.

Schlüsselworte:

Abflussbeiwert, Anlaufzeit, beitragende Fläche, Nutzung, Oberflächenrauhigkeit, Starkregensimulation

Abstract: [A Simple Code of Practice for Assessment of Surface Runoff Coefficients for Alpine Soil-/

Vegetation Units in Torrential Rain (Version 1.0)]. Rain simulation experiments by use of a transportable spray

irrigation installation for assessment of runoff behaviour on typical runoff contributing areas in alpine

catchments have been carried out at the Institute for Avalanche and Torrent Research (Federal Office and

Research Centre for Forests) and the Bavarian State Office for Water Management over nearly 30 years. These

investigations usually were combined with investigations on characteristics of vegetation and soil. Data from

more than 700 single rain simulation experiments have been stored in a joint data base and analysed in detail.

The presented “simple code of practice for assessment of surface runoff coefficients in convective torrential

rain” is the first product of this interpretation process. It will be a means for construction of surface runoff coefficient

maps which are needed to calculate peak runoff and runoff freight in torrent catchment areas in case of

extreme precipitation, e.g. the recurrent design event. The manual comprises hints for assessment of surface

runoff coefficients and surface roughness as well as a function for calculation of initial abstraction on runoff

contributing areas in alpine catchments.

Key words:

Runoff coefficient, runoff delay, runoff contributing area, cultivation, surface roughness,

simulation of torrential rain

1. Ziele und Anwendungsbereiche der

Geländeanleitung

Die Berechnung von Bemessungsregen und Konzentrationszeiten,

die Erstellung von Gefahrenkarten und

Gefahrenzonenplänen in Wildbacheinzugsgebieten

setzt die Kenntnis des Abflusses aus den beitragenden

Flächen voraus. Für eine objektive Charakterisierung

des Gebietsabflusses sollen neben den einschlägigen

topographischen Grundlagen und Standortsinformationen

folgende Größen bekannt sein:

• Die Initialabstraktion (Abflussverzögerung nach

Beginn eines Niederschlagsereignisses)

• Die Oberflächenrauhigkeit (zur Abschätzung der

Fließgeschwindigkeit an der Oberfläche)

• Der Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz (Ψ const

)

Die gegenständliche Anleitung enthält Hinweise für

die quantitative und qualitative Abschätzung des

Oberflächenabflussbeiwertes bei Abflusskonstanz

(Ψ const

) auf beitragenden Flächen in Wildbacheinzugsgebieten,

und einen Ansatz zur Anschätzung der

Rauhigkeit der Oberfläche der betreffenden Einheit.


10

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

Ausblick

Angaben zur Anschätzung der Fließgeschwindigkeit

an der Oberfläche bereitet Kohl vor. Von zusätzlichem

Interesse ist die Fließgeschwindigkeit im

Gerinne. Um eine entsprechende Beschreibung der

Gerinneverhältnisse zur bestmöglichern Abschätzung

der Fließgeschwindigkeit wird der Praktiker

aber weiterhin nicht umhin kommen. Hier wird auf

die im Rahmen des Projektes ETALP (Gesamtheitliche

Erfassung und Bewertung von Erosions- und

Transportvorgängen in Wildbacheinzugsgebieten)

des BMLFUW entwickelte Vorgangsweise zur

Beschreibung von Gerinnen verwiesen.

Die vorliegende Anleitung ist gemeinsam mit dem

Laufzeitverfahren ZEMOKOST (Kohl - in Vorbereitung)

essentieller Bestandteil des in ETALP

entwickelten Werkzeugkoffers.

Die Ermittlung dieser Abflussbeiwerte bzw. der

Abflüsse beitragender Flächen erfolgt in der Praxis

vielfach nur anhand ungenauer bzw. nicht gebietsspezifischer

Angaben in der Literatur (z.B. Zeller

1974, 1981; Kölla 1986) oder diversen Faustformeln.

Um diesen Informationsstand zu verbessern, werden

durch das Institut für Lawinen- und Wildbachforschung

(AIATR) des Bundesamtes und Forschungszentrums

für Wald (BFW) in Innsbruck und Wien,

sowie dem Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft

(LfW) in München seit über zwei Jahrzehnten

Starkregensimulationen mit Großregenanlagen auf

verschiedenen alpinen Boden-/Vegetationseinheiten

durchgeführt. Die Funktionsweise der jeweiligen

Beregnungsanlagen ist bei Karl und Toldrian (1973),

Lang (1995), Markart und Kohl (1995) beschrieben.

Diese im Zuge von annähernd 700 Einzelexperimenten

erhobenen abflussrelevanten Kennwerte und

begleitend ermittelten Informationen, wie bodenund

vegetationskundliche Kennwerte, Vegetationsaufnahmen,

Kartengrundlagen etc. wurden mit

finanzieller Unterstützung durch den Jubiläumsfonds

der Österreichischen Nationalbank (Projekt

Nr. 7607) und das BMLFUW im Rahmen des

Moduls MU2 (Alpine Täler - Schutzfunktion), des

Projektschwerpunktes Kulturlandschaftsforschung

(PIRKL et al. 2000) und einem Auftrag des BMLFUW

(Abt. IV/4) abgeglichen, in einer Datenbank

zusammengeführt und ersten Auswertungen unterzogen

(Markart et al. 2001, Sotier et al. 2000, 2001)

ausgewertet.

Ergebnisse der Abfragen aus Datenbanken sind

i.d.R. umfangreiche Tabellen. Diese wurden

statistischen Analysen zur Ableitung generell gültiger

Zusammenhänge, z.B. abflussfördernder Randbedingungen,

wie der Wirkung hoher Vorbefeuchtung

bei bindigen Böden auf den Oberflächenabfluß

unterzogen (erste Ergebnisse siehe Markart

und Kohl 2003). Parallel dazu erfolgte eine empirische

Auswertung mit dem Ziel, die heterogenen

Ergebnisse der Starkregensimulationen in einer für

die Praxis tauglichen Anleitung zur Abschätzung des

Abflussverhaltens bei Starkregen für die wichtigsten

Vegetationskomplexe des Ostalpenraumes zusammenzuführen.

Ansätze zu solchen Anleitungen

finden sich bereits bei Rickli und Forster (1997),

Löhmannsröben et al. (2000), Markart et al. (1999,

2000). Die Resultate dieser Arbeiten sind im vorliegenden

Bericht berücksichtigt.

Die Erfahrungen mit der Datenbank zeigen, dass

nach wie vor aus vielen Gebieten des Ostalpenraumes

Informationen zum Abflussverhalten fehlen.

In den zukünftigen Untersuchungen des Institutes

für Lawinen- und Wildbachforschung am BFW

(früher FBVA) wird daher verstärkt auf diese

„weißen Flecken“ Rücksicht genommen. Die vorliegende

Arbeit ist daher als Provisorium anzusehen,

das in Abhängigkeit von Ergebnissen weiterer Feldmessungen,

neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen

und Rückmeldungen aus der Praxis, in mehrjährigen

Abständen ergänzt werden soll.

Zum Inhalt der Arbeit

Kapitel 2 enthält eine Reihe von Begriffsdefinitionen

und die grundlegende Erläuterung der Anleitung zur

Abschätzung von Oberflächen-Abflussbeiwerten bei

Starkregen im Gelände anhand von theoretischen

Grundlagen und einem konkreten Beispiel.

Auf den Gültigkeitsbereich der Anleitung wird in

Kapitel 3 eingegangen. In Kapitel 4 werden kurz die

wichtigsten Faktoren, die den Abflussbeiwert beeinflussen

(Vegetation, Boden, Nutzung und standörtliche

Besonderheiten) dargestellt.

Kapitel 5 enthält Beispiele für die Auswahl der

hydrologischen Vegetationsform und die Abschätzung

von Abflussbeiwerten auf beitragenden

Flächen mit uneinheitlicher Vegetationsdeckung.

Hinweise zur Schätzung der Initialabstraktion

(Verzögerung der Abflussbildung bei Beginn des

Niederschlagsereignisses) und ein Weg zur Anschätzung

der Oberflächenrauhigkeit - dieser Faktor

bestimmt maßgeblich die Fließgeschwindigkeit an

der Oberfläche - werden in Kapitel 6 und Kapitel 7

beschrieben. Diese beiden Kapitel wurden eingeführt,

weil


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 11

• für eine Vielzahl von Formeln und Berechnungsansätzen

neben Abflussbeiwerten auch Angaben

über die Rauhigkeit der Oberfläche und die Initialabstraktion

notwendig sind, und

• man bei Verwendung von Ψ const

zu relistischeren

Abflussmengen kommt, und für die Anwendung

von Ψ const

Angaben über die Anlaufverluste

(Initialabstraktion) und zur Fließgeschwindigkeit

an der Oberfläche notwendig sind.

Die eigentliche Geländeanleitung (Anhang 1) ist in

Tabellenform aufgebaut und gibt Beispiele für

typische hydrologische Vegetationsformen des Ostalpenraumes.

Zusätzlich finden sich im Anhang 2

Fotos von Beispielsstandorten mit Angaben zu

Abflussbeiwertklassen und Rauhigkeitsklassen der

Bodenoberfläche. Anhang 3 enthält Fotos von

Pflanzen, die Standorte mit hoher / niedriger

Abflussbereitschaft charakterisieren. Ein Aufnahmeformular

für die Anschätzung von Abflussbeiwert

und Rauhigkeit bei Detailkartierungen (Anhang 4),

rundet die Anleitung ab.

2. Definitionen

Den anschließenden Kapiteln liegen die Definitionen

nach Kohl und Markart (2002) zugrunde (Abb.2.1).

3. Bemessungsregen, Gültigkeitsbereich der

Anleitung

Der Anleitung liegen Starkregensimulationen mit

Großregenanlagen (Versuchsflächengrößen zwischen

50 und 100 m 2 ) und Intensitäten zwischen 75 und

100 mm/h zugrunde. Untersuchungen von Kainz et

al. (1992) zufolge ist bei Starkregensimulationen eine

Versuchsflächengröße von ca. 40 m 2 notwendig um

repräsentative Abflussbeiwerte für größere Teile von

Einzugsgebieten zu erzielen. Aufgrund verschiedener

Randbedingungen bei den Feldexperimenten, z.B.

(Wasserangebot, Leistung der Förderpumpen etc.

war es nicht immer möglich den Sollwert von i N

=

100 mm/h zu erreichen. Die Unterschiede in der

aufgebrachten Niederschlagsmenge wurden nach

Abb. 2.1:

Abflusskennwerte - Definitionen nach KOHL und MARKART (2002)

* Ψ tot

= Abflusskoeffizient = Verhältnis des insgesamt gefallenen Niederschlages zum Gesamtabfluss

** Ψ max

= Spitzenabfluss = Gemessener maximaler Oberflächenabfluss

*** Ψ const

= mittlerer Abflussbeiwert bei Abflusskonstanz

Anlaufzeit: Zeitspanne vom Einsetzen des Niederschlages bis zum ersten gemessenen OA am Messpunkt

Nachlaufzeit = Zeitspanne vom Ende des Niederschlagsereignisses bis zum Ende des Abflusses am Messpunkt


12

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

den Kriterien von Kohl et al. (2003) über Extrapolation

der ermittelten Abflussbeiwerte auf den Abflusskoeffizienten

des Gesamtabflusses (Ψ tot

) bei i N

= 100

mm/h hochgerechnet. Berechnungen von Kohl und

Markart (2002) aus 26 Starkregenexperimenten bei

unterschiedlichen Intensitäten (27 mm/h bis 120

mm/h) auf dem selben Standort zeigen zudem, dass

bei einer Zunahme der Intensität von 30 auf 100

mm/h nur mit einem Anstieg des Abflussbeiwertes

Ψ max

(bei Abflusskonstanz) von 6% (bei ± 9% Standardabweichung)

zu rechnen ist 1 . Die Anleitung

kann daher für Niederschlagsereignisse von 30 bis

120 mm/h ohne Zu- oder Abschläge in der jeweiligen

Abflussbeiwertklasse angewendet werden.

Da die Anleitung primär für die Abschätzung des

potenziellen Oberflächenabflusses typischer

alpiner Vegetations-/Bodeneinheiten bei Starkregen

vorgesehen ist, ist sie auf das realistische

Worst-Case-Ereignis für das jeweils zu beurteilende

Einzugsgebiet ausgerichtet. D.h., es ist

vorher abzuklären, unter welchen realistisch

schlechten Randbedingungen dieses Ereignis im

betreffenden Einzugsgebiet ablaufen kann (z.B.

Starkregen im Hochsommer bei intensiver Vorbefeuchtung

der Böden, reduziertem Deckungsgrad

der Vegetation auf Weiderasen durch Weidegang,

jahreszyklisch bedingt höherem Anteil an

Benetzungshemmender organischer Substanz

bzw. Streu).

4. Aufbau der Anleitung

4.1 Hydrologische Vegetationseinheiten

Die Standorte werden nach dem Aufnahmeformular

(Anhang 4) erhoben und einer der aufgelisteten

Einheiten zugeordnet. Die Abgrenzung bzw. Definition

der Einheiten erfolgt im Wesentlichen nach

Hartl et al. (2001):

Pioniervegetation - Rohböden

Rasenvegetation - Mähwiesen

Zwergstrauchheiden

Buschgesellschaften

Hochstaudenfluren

Wälder

Planien

Diese Einheiten werden nach typischen, im Ostalpenraum

vorkommenden hydrologischen Einheiten

weiter untergliedert:

Pioniervegetation - Rohböden

Rasenvegetation

• Rasen (nicht Bürstling)

• Bürstling-Rasen (Borstgras-Rasen)

• Mähwiesen

• Feuchtwiesen und Niedermoore

Zwergstrauchheiden

• Alpenrosen- und Heidelbeerheide

• Besenheide/Erika

Buschgesellschaften:

• Grünerlen und Weidengebüsch

• Grauerlen- und Weidengebüsch

• Latschenkrummholz

Hochstaudenfluren

Wälder

• Nadelwälder

Fichtenwald mit mehr als 50% Fichte

(keine bzw. wenig Bodenvegetation -

Piceetum nudum)

Fichtenwald mit mehr als 50% Fichte (mit

Krautschicht)

Lärchenwiesen (Überschirmung < 0,3)

Lärchenreiche Wälder (>50% Lärche)

Zirbenreiche Wälder

Kiefernwald

Laubwälder und Laub-/Nadelmischwälder

Planien

Durch technische Eingriffe veränderte Flächen,

wie Wegböschungen, Schipisten etc.

Nach den im Anhang 1 angeführten Schemata kann

jede der angeführten hydrologischen Einheiten in

Abhängigkeit von den Bodenverhältnissen, der

Nutzung und sonstigen Besonderheiten des Standortes

und der ökologischen Feuchtestufe einer

Abflussbeiwertklasse zugeordnet werden. Ein Beispiel

für den Aufbau eines solchen Bewertungsschemas

gibt Tab. 4.6.

4.2 Indikatorfunktion des Bodens

Systematische Angaben zu den Böden folgen dem

Schlüssel zur Bestimmung der Böden Österreichs

(Kilian et al. 2002) bzw. der österreichischen Bodensystematik

(Nestroy et al. 2000).

1 Anmerkung: Die von Kohl und Markart (2002) ermittelte Funktion gilt nicht für den Gesamtabflusskoeffizienten, da

dieser stark vom Systemzustand, bei dem ein Niederschlagsereignis stattfindet, abhängig ist.


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 13

Abb. 4.2.1:

Schema zur Anschätzung der Abflussbeiwertklasse (Beispiel Fichtenwald)

Pos. Boden Beschreibung Beschreibung

1 Grob-Böden

locker

Skelettreiche, grobkörnige Böden mit

hohem Grobanteil (Kies, Sand)

Wasserdurchlässigkeit sehr hoch

Pos. 1

2 Grob-Böden mit

Feinanteil

locker

Skelettreiche, grobkörnige bis gemischtkörnige

Böden mit hohem

Grobanteil (Kies, Sand), wobei

maximal bis zu 20% Ton- und Feinschluff

enthalten sein können.

Wasserdurchlässigkeit hoch-mittel

3 Fein-Böden

locker

Gemischt- bis feinkörnige Böden mit

Schluff- und Tonanteilen bis 40%.

Wasserdurchlässigkeit hoch- mittel

Pos. 2

Pos. 3

4 Fein-Böden

bindig

Diese gemischt- bis feinkörnigen

Böden enthalten höhere Schluff- und

Tonanteile (> 40%), sie verhalten sich

bindig (plastisch). Der vorhandene

Grobanteil wird nur in Trockenphasen

(Schwundrisse) hydrologisch wirksam.

Die Wasserdurchlässigkeit ist mittelgering,

das Wasserbindevermögen

deutlich bis hoch. Die plastischen

Eigenschaften ändern sich mit dem

Wassergehalt.

5 Fein-Böden

verdichtet,

dicht

Das Infiltrationsverhalten von Grob-

Böden mit Feinanteil bzw. Fein-Böden

ist durch mechanische Belastung

(Befahren, Planie, Weide) weiter

reduziert.

In diese Kategorie sind z.B. ehemals

lockere, aber durch Planie verdichtete

Feinböden einzuordnen.

Pos. 4 Pos. 5

Fotos: G. Markart


14

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

Lokale Bodenaufschlüsse stehen in alpinen

Einzugsgebieten selten zur Verfügung. Für das

Sammeln von umfangreichen bodenkundlichen

Informationen (über Bohrstockproben, Anlage von

Profilgruben etc.) fehlt in Praxis oft die Zeit. Daher

fließen in die Beurteilung nur Bodeninformationen,

wie sie an in der Natur vorhandenen Aufschlüssen,

z.B. Wegböschungen, Erosionsstellen, einfach beurteilt

werden können, ein. Allerdings sei an dieser

Stelle ausdrücklich darauf verwiesen, dass auch

solche Aufschlüsse vor der Beurteilung entsprechend

„aufzubereiten“ sind: Beispielsweise ist

an Wegböschungen am besten mit einem Spaten eine

kleine Schürfgrube anzulegen. Nur dadurch kommt

man in die Nähe des annähernd natürlich gelagerten

Bodens, kann z.B. den Grobanteil, die natürliche

Lagerung und eventuell auch die Korngrößenverteilung

des Feinbodens anhand der Fingerprobe, vgl.

Blum et al. (2001) richtig einschätzen.

Die Infiltration des Niederschlages in den Boden

wird primär über die Makroporen gesteuert (Burch

et al. 1989), die Eindringtiefe wird wesentlich von der

Bodenstruktur, d.h. ob der Boden locker gelagert

oder dicht ist, beeinflusst (Czell 1972). Aus diesem

Grund baut die Anleitung im Wesentlichen auf den

folgenden bodenkundlichen Merkmalen auf:

• Anteil von Grob- bzw. Feinboden: Je höher der

Anteil an Teilchen > 2 mm Durchmesser, umso

rascher erfolgt die Infiltration, je höher der Feinanteil,

insbesondere der Anteil an Schluff (0,063

mm bis 0,002 mm ∅) und Ton (< 0,002 mm ∅),

umso langsamer laufen Versickerungsprozesse in

der Bodenmatrix ab.

• Lagerung des Bodens: Bei lockerer Lagerung ist

eine rasche Versickerung in die Tiefe möglich. Mit

zunehmend dichterer Lagerung nimmt der Anteil

an rasch dränenden Poren ab, die Infiltration ist

gehemmt.

• Gründigkeit des Bodens: Besonders auf flachgründigen

und sehr flachgründigen Böden in

steiler Lage mit subanstehendem Gestein versickert

das Niederschlagswasser vielfach nur kurzfristig

und tritt nach kurzer hangparalleler Fließdistanz

im Boden oder entlang der Grenzschicht

Boden - unterlagernder Fels als konzentrierter

Return-flow wieder an die Oberfläche und wird

rasch abflusswirksam (Mendel 2000). Hinweise

zur Einteilung der Gründigkeit gibt Tab.4.2.2.

Basierend auf den im Feld relativ einfach abschätzbaren

Kenngrößen Grob-/Feinanteil und Lagerung

wurde aus American Society for Testing Materials

(1966), DIN 18196 (1988), Schriftleitner und

Smoltczyk (1990) und Prinz (1991) die in Abb.4.2.1

angeführte Einteilung abgeleitet.

Tab. 4.2.2:

Gründigkeit von Waldböden (nach Blum et al. 1996):

Gründigkeit

Bodentiefe (cm)

sehr flachgründig < 15

flachgründig 15-30

mittelgründig 30-60

tiefgründig 60-120

sehr tiefgründig > 120

4.3 Indikatorfunktion der Nutzung und

standörtlicher Besonderheiten

4.3.1 Wirkung mechanischer Belastungen und

technischer Eingriffe

In Tab.4.3.1 sind Beispiele für verschiedenen

Nutzungsarten und deren Auswirkungen auf die

Infiltrationsverhältnisse in Abhängigkeit von den

Bodenverhältnissen (Grob-/Feinanteil und Lagerung)

angegeben. Diese Angaben basieren auf statistischen

und empirischen Auswertungen aus der

Beregnungsdatenbank (z.B. Markart et al. 2001,

Sotier et al. 2002, Markart und Kohl 2004).

Art und Intensität der Bewirtschaftung bzw.

Nutzung üben einen besonderen Einfluss auf die

Infiltrationsverhältnisse aus. Die meisten anthropogenen

Nutzungseingriffe (Planieren, Befahren, Weide

- Vertritt, sonstige Bodenverwundungen bei der Ernte

etc.) führen zu einer mechanischen Belastung des

Bodens und wirken sich i.d.R. negativ auf die Infiltrationsleistung

der alpinen Böden bei Starkregen aus

(Schiechtl 1954, Müller 1988, Schauer 1988, Bunza

und Schauer 1989, Schreiber 1997, Markart et al.

2000, Markart und Kohl 2000, 2003). Niedrige

Abflusswerte werden auf planierten Flächen in der

Regel bei sehr skelettreichem Ausgangsmaterial

erreicht (Hagen et al. 1993). Allerdings wird aus landschaftskosmetischen

Gründen auf solchen Standorten

vielfach großer Aufwand für die Begrünung betrieben

(Humusierung, Rasensaaten, etc.).

Bei Belastung, z.B. durch Beweidung oder

Befahren, reagieren diese begrünten Flächen rasch

mit Dichtlagerung der künstlich aufgebrachten

Bodenkrume, das Resultat ist i.d.R. eine drastische


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 15

Tab. 4.3.1:

Auswirkungen verschiedener Nutzungen, Eingriffe und Maßnahmen auf den Oberflächenabfluss bei Starkregen in Abhängigkeit

vom Untergrund.

Nutzungsart/Eingriff

Auswirkung auf den Oberflächenabfluss in Abhängigkeit von

den Bodenverhältissen

Grob-Boden,

skelettreich,

locker

Grob-Boden,

skelettreich,

mit Feinanteil,

locker

Fein-Boden

locker

Fein-Boden

bindig

Planie +/- - -- --

Beweidung extensiv +/- +/- -- --

Beweidung intensiv - -- --- --

Befahren extensiv +/- - -- -

Befahren intensiv - -- -- --

Planie + Zusatzbelastung (Beweidung,

Befahren, Schipistenpräparierung)

+/- -- --- --

Holznutzung (+/-) (+/-) (+/-)(-) (-)/(--)

Drainage +/- +/- + ++

Düngung +/- +/- ++ +

Begrünung,

ingenieurbiolog.

Maßnahmen

+/- + +++ ++

Zeichenerklärung:

+/- indifferent, geringfügige Verschlechterung

- deutliche Verschlechterung

-- sehr starke Verschlechterung

-- extreme Verschlechterung

() vorübergehend, reversibel

Erhöhung des Oberflächenabflusses bei Starkregen,

trotz an und für sich extrem durchlässigen Untergrundes

(Markart und Kohl 2003, Schauer 1988).

Weide ist eine der am weitesten verbreiteten

Nutzungsformen in alpinen Einzugsgebieten. Sie

variiert saisonal stark, und Auswirkungen auf die

Abflussbildung können vom Praktiker i.d.R. nur

aufgrund der im Gelände sichtbaren Spuren angeschätzt

werden. Bei der Auswertung der Starkregensimulationen

des BFW und des LfW wurde zwischen

den in Tab.4.3.2 angeführten Intensitäten unterschieden.

Dabei ist mit dem Begriff Intensität die

Wirkung auf den Boden-/Vegetationskomplex

gemeint, d.h. die gleiche Anzahl an GVE wirkt sich

auf feinteilreichen Böden und steilen Standorten

gravierender auf den Abfluss aus, als z.B. auf Grob-

Böden in ebener Lage. Daher sind Rückschlüsse von

+/- indifferent, geringfügige Verbesserung

+ deutliche Verbesserung

++ sehr starke Verbesserung

+++ extreme Verbesserung

den GVE auf Weideauswirkungen i.d.R. nur begrenzt

aussagekräftig, auch weil diese Größe nur unzureichende

Auskunft über die räumliche und zeitliche

Verteilung des Weideviehs im Almbereich gibt.

Eine Reihe von Pflanzen geben Hinweise auf

Weidebelastung an einem Standort:

• Es gibt Zeigerarten für starke Verdichtung, z.B. als

Folge von Überbeweidung, dies vor allem auf

feuchten, bindig (tonig-lehmigen) Böden. Hier

sind zu nennen: Flatter-Binse (Juncus effusus),

Glanzfrüchtige Binse (Juncus articulatus), Rasenschmiele

(Deschampsia cespitosa - auch Staunässezeiger).

• Viele Weidezeiger werden durch negative Selektion

gefördert. Es handelt sich dabei um Arten, die vom

Vieh gemieden werden und dadurch vermehrt

vorkommen, so genannte Weideunkräuter, z.B. alle

Enzian-Arten (aufgrund der in ihnen enthaltenen


16

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

Bitterstoffe) oder Borstgras (Nardus stricta) und

Disteln, wie die Silberdistel (Carlina acaulis) oder

die Alpen-Kratzdistel (Cirsium spinosissimum).

Weitere Weidezeiger, also typische Arten der

beweideten Berg- oder Almwiesen sind: Läger-

Rispengras (Poa supina) und Alpen-Rispengras

(Poa alpina), Kammgras (Cynosurus cristatus),

Alpen-Lieschgras (Phleum alpinum), Weiß-Klee

(Trifolium repens), Kriech-Hahnenfuß (Ranunculus

repens), Stumpfblättriger- und Alpen-

Ampfer (Rumex obtusifolius, u.Rumex alpinus),

Alpen-Greis-Kraut (Senecio alpinus), Spitz-,

Alpen- und Berg-Wegerich (Plantago lanceolata,

Plantago alpina und Plantago atrata), Gold-Pippau

(Crepis aurea).

In der Praxis sind ohne Zusatzinformationen (Bestoßungsziffern,

Auftriebszeitpunkt- und Dauer, gute

pflanzliche Artenkenntnis etc.) nur die die drei

Intensitäten zu erkennen:

keine Beweidung,

geringe Beweidung

intensiv bestoßen

Tab. 4.3.2: Merkmale zur Abschätzung der Weidewirkung bzw. -intensität

Weideintensität

keine

gering

Merkmale

Keine

Spuren einzelner Viehtritte, Weidegang eher linear - z.B. Verbindungen zwischen zwei

Weidegründen; vereinzelt Spuren von Dung.

Im Wald zusätzlich: Vereinzelte Verletzungen an Wurzelanläufen

mittel

intensiv, hoch

früher beweidet

Deutliche Vertrittspuren, aber an keiner Stelle Reduktion des Deckungsgrades unter 0,7.

Bei herbstlicher Kurzweide auf Mähwiesen: Für ein bis zwei Wochen mit konzentriertem

Viehbestand bestoßen. Diese Nutzung ist besonders im Frühsommer bei hoch

stehendem Gras nur schwer erkennbar.

Weidezeiger vorhanden.

Im Wald: Verletzungen an Wurzelanläufen, Spuren von Verbiss durch Weidevieh an

Jungwüchsen.

Sehr starker Vertritt, Zeigerpflanzen für intensive Beweidung und Bodenverdichtung:

Binsen, Kriechhahnenfuß, Rasenschmiele, Rossminze.

Vor allem in steileren Lagen auf Grob-Böden mit Feinanteil, Fein-Böden und bindigen

Böden Reduktion des Deckungsgrades unter 0,7 (besonders während und nach Perioden

mit feuchter Witterung).

Ausbildung deutlicher Viehgangln, diese sind zum Teil offen bzw. erodiert.

In eben Lagen (besonders auf feinteilreichen und bindigen Böden): Sehr starke Verwundungen

der Grasnarbe (Viehtritte), offensichtliche Verdichtungserscheinungen im Oberboden

(z.B. bei Pferdeweide), Häufung von Viehtritten. Gehäuftes Auftreten von Lägerfluren

(z.B. div. Ampfer-Arten als Zeiger. Häufung von Exkrementen (Dung).

Nur an offen Aufschlüssen sichtbar: Schichtige Lagerung des Oberbodens.

Im Wald: Gehäuftes Auftreten von Verletzungen an Wurzelanläufen, Vertrittschäden und

Verbiss an Jungpflanzen.

In steileren Lagen: Viehgangln (verwachsen) oder unruhiges unregelmäßiges Mikrorelief

(verwachsene Viehtritte).

Am Bodenprofil: Dichtere Bodenschichten ab 5-8 cm Tiefe (Weidestausohle) bei Grob-

Böden mit hohem Feinanteil, Fein-Böden und bindigen/dichten Böden.


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 17

Weideeffekte sind von Frühjahr bis Herbst an

Spuren in der Landschaft feststellbar (Vertritt,

Dung). Am stärksten und am besten erkennbar

sind die Auswirkungen i.d.R. im (Spät)Sommer.

Mittlere Intensität bzw. Nachwirkungen einer

früheren Beweidung sind z.B. anhand von alten

Viehgangln und ggf. Weidestausohlen bei feinteilreicheren

bzw. bindigen Böden zu erkennen, es sind

dazu aber auch zusätzliche Erhebungen (archivarisch,

Befragungen) notwendig.

4.3.2 Entwässerung

Drainagen erhöhen den Basisabfluss, dadurch wird

i.d.R. der freie Bodenspeicher größer und die Aufnahmenfähigkeit

der Böden verbessert. Bei offenen

Drainagesystemen ist im unmittelbaren Einzugsgebereich

der Drainagegräben mit einer rascheren

Abfluss-Reaktion auf Niederschlagsereignisse zu

rechnen. Leider tritt bei mangelnder Pflege solcher

Entwässerungssysteme des Öfteren der gegenteilige

Effekt ein: Ganze Hangpartien werden sekundär

vernässt. Bei gleichzeitiger Bestoßung oder sonstiger

mechanische Belastung solcher Standorte ist mit

rascher und unmittelbarer Abflussbildung bei Starkregen

zu rechnen (Markart et al. 1996).

4.3.3 Einfluss des Deckungsgrades (DG) der

Bodenvegetation

Beregnungen von Markart und Kohl (1995) im

Einzugsgebiet des Löhnersbaches (Sbg.), Markart et

al. (2000) in Meran 2000 und von Kohl et al. (2002)

im Einzugsgebiet der Großsölk ergaben auf vegetationslosen

Flächen gegenüber Rasenstandorten auf

vergleichbarem Substrat anfänglich deutlich geringere

Abflussfrachten. In der ersten Phase nach

Einsetzen des Regens werden auf offenen Systemen

die Bodenaggregate durch die hohe kinetische

Energie des Starkregens zerschlagen, die Feinteile

durch die von der Bodenoberfläche wegspritzenden

Tropfen mitgenommen und an anderer Stelle eingeschlämmt

(Ghadiri und Payne 1988). In der zweiten

Phase erfolgt der Oberflächenabfluss bereits nach

wenigen dm bis m konzentriert in den Tiefenlinien

(linearer Abfluss und lineare Erosion), aufgrund der

raschen Durchfeuchtung des Oberbodens wird das

Material rasch breiig-flüssig, der Reibungsbeiwert

wird unterschritten und es kommt zur Bildung von

„Hangmuren“ bzw. anderen Abtragsformen (vgl.

Markart et al. 2000, bzw. diese Arbeite, Seite 46).

Mit den gängigen Großregenanlagen können

weder die kinetische Energie von Starkregen noch

die entsprechende Tropfengröße annähernd realistisch

nachgebildet werden. D.h. besonders bei

abnehmendem Deckungsgrad der Bodenvegetation

(erhöhtes Abfluss- und Erosionspotential unter DG

70% - Dadkhah und Gifford 1980) wird bei simulierten

Niederschlägen über Großregenanlagen die

erosive Kraft des natürlichen Niederschlages unterschätzt.

Bei Zuordnung des Abflussbeiwertes ist

daher der Deckungsgrad der Vegetation in besonderem

Maße zu berücksichtigen. Insbesondere gilt

dies für eine Nutzungsbedingte örtliche und zeitliche

Reduktion des Deckungsgrades, z.B. durch Weidegang

oder Planie.

4.3.4 Effekte der Hangneigung

Die bisher vorliegenden Ergebnisse von Starkregensimulationen

des LfW und des BFW zeigen keinen

direkten Zusammenhang zwischen Hangneigung

und Oberflächenabfluss bei Starkregen. Der Einfluss

der Hangneigung auf den Oberflächenabfluss wird

vielfach durch Kombinationen anderer Faktoren

überlagert (Bremswirkung der Vegetation, des

Mikroreliefs, des Bodenskeletts). Mit abnehmendem

Deckungsgrad der Vegetation nimmt der Effekt der

Hangneigung zu (kritischer Wert der Vegetationsdeckung:

70%). Der Oberflächenabfluss an solchen

Hängen (steil, nur teilweise Vegetationsbedeckt oder

offen) ist mit hohem Feststoffabtrag kombiniert, und

zeigt besonders auf Lockersedimenten eine hohe

Bereitschaft zur Auslösung von Hangrutschen (vgl.

Markart et al. 2000, Kohl et al. 2002).

Bei erhöhten Porenwasserdrücken sind insbesondere

an Hangversteilungen bzw. unterhalb von

Hangverflachungen Hang- und Rasenexplosionen

und anschließend in diesen Bereichen konzentrierter

linearer Abfluss möglich (Andrecs et al. 2002).

In der Regel finden flächige Abflussvorgänge nur

auf sehr kurzer Strecke statt, gerade auf stark

geneigten (Gras)Hängen konzentriert sich der

Abfluss bereits nach kurzer Fließstrecke (wenige

Meter) linear in den Tiefenlinien. Dieses periodisch

Wasser führende Feingerinnenetz kann anhand der

Vegetation gut nachvollzogen werden, die Tiefenlinien

weisen i.d.R. einen höheren Anteil an Feuchteliebenden

Pflanzen auf, als die umgebenden Flächen

(siehe Abb. 4.3.2, Markart et al. 1996a, Kohl 2000)

4.3.5 Bioturbation im Boden

Ist auf Rasenstandorten (auch Weiderasen und Schipisten)

z.B. starke Wühltätigkeit von Mäusen, Maulwürfen

zu beobachten, steigt die Infiltrationsleistung

dieses Standortes. Der Anteil des oberflächennahen


18

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

Interflow (Zwischenabfluss im Boden) nimmt zu,

und damit auch die Wahrscheinlichkeit für einen

Returnflow (Wiederaustritt bereits versickerten

Wassers) z.B. an Hangkanten. Vielfach ist eine hohe

Aktivität von Nagern (Maulwürfe, Mäuse) auf

Almflächen oder Schipisten auch als Hinweis auf

gute Pflege anzusehen (z.B. regelmäßige Düngung

mit Stallmist).

4.3.6 Waldwirkungen

Über die Auswirkung der Stammzahlhaltung bzw.

Nutzungseingriffen in Waldbeständen auf den

Gebietsabfluss gibt es eine Vielzahl von Arbeiten.

Grob vereinfacht lassen sich z.B. aus Hibbert (1967),

Lee (1979), Hager (1988), Führer (1988), Swank et al.

(1988) oder Breitsameter (1996) für den Einfluss von

Eingriffen in Waldbeständen u.a. folgende Regeln

aufstellen:

• Abflusssteigerungen sind umso größer, je mehr

an Biomasse entnommen wird.

• Die Abflusssteigerung ist unmittelbar nach dem

Eingriff am größten und nimmt in den Jahren

nach der Behandlung nach einer logarithmischen

Funktion ab.

• Behandlungseffekte wirken umso länger nach, je

größer die Anfangsreaktion war.

• Abflusserhöhung nach Eingriffen wird primär bei

Mittelwasser und Hochwasser spürbar.

Bei Waldbeständen spielt neben dem Untergrund,

der Artenzusammensetzung und eventuellen Zusatznutzungen

der Überschirmungsgrad (ÜG) eine

wichtige Rolle für die Abflussbereitschaft. Ist der ÜG

reduziert (< 0,7), dominieren noch dazu Koniferen

und ist die Deckung durch die Bodenvegetation

unvollständig (< 70%), ist mit Ausnahme von skelettreichen

Standorten von einer höheren Neigung zur

Bildung von Oberflächenabfluss auszugehen. Bei ÜG

unter 0,5 wird das Abflussverhalten zunehmend

durch die Bodenvegetation und die Bodenverhältnisse

bestimmt, die Waldwirkung (Interzeption,

Brechung der kinetischen Energie des Niederschlages)

tritt deutlich zurück. Führer (1988) hält

fest, dass z.B. Hiebseingriffe in Buchenbeständen nur

dann effektive Abflusssteigerungen bewirken, wenn

die Bestockungsdichte deutlich unter den natürlichen

kritischen Bestockungsgrad abgesenkt wird.

Kritisch sind aber auch überbestockte (zu dichte

Bestände) zu sehen. Neben schwach ausgebildeten

Kronen und fehlender Bodenvegetation können

Benetzungshemmende Substanzen in der Auflage

einen Anstieg des Abflusspotentials bewirken.

4.3.7 Hydrophobie nach Austrocknung -

Strohdacheffekt

Im Laufe des Sommers ändern sich vielfach die

Abflussbedingungen (Kohl und Markart 2002). Vor

allem im Almbereich nimmt durch Weidegang die

Bodendeckung ab (Vertritt), das Pflanzenwachstum

lässt nach, der Anteil an Benetzungshemmender

toter Substanz in der Auflage und in der obersten

Bodenkrume nimmt zu. Der Bürstling (Nardus

stricta) reichert tote Blattmasse an, diese Bestandesabfälle

sind schwer zersetzbar und wirken wie ein

Strohdach (Markart et al. 1996 a, b; Markart et al.

1997, Markart et al. 2000).

Beispielsweise kann auf Intensivweiden mit Bürstling,

aber auch auf feinteilreichen Planien durch

regelmäßige Zugaben von Stallmist die Bioturbation

deutlich angeregt und dadurch der Abflussbeiwert

um zumindest eine Klassenbandbreite reduziert

werden (Markart et al. 1999, siehe auch Bewertungsschema

für Bürstling-Rasen - Anhang 3). Durch

extreme Belastungen, z.B. Überbestoßung oder

Befahren mit schwerem Gerät, insbesondere bei

feuchter Witterung, werden diese positiven Effekte

der Düngung allerdings oftmals zunichte gemacht.

Unter dichten Fichtenbeständen ohne Unterwuchs

(z.B. langjährig nicht durchforstete Dickungen und

Stangenhözer) können Moderhumusauflagen geringer

bis mittlerer Mächtigkeit nach Trockenperioden

stark hydrophob wirken (Markart und Kohl

2003). In Verbindung mit ausgeglichenem Kleinrelief

wird die Bildung von Oberflächenabfluss begünstigt.

Solche hydrophobe Effekte nach Austrocknung sind

auch bei Bürstling- oder Rotschwingelrasen zu beobachten

(Markart und Kohl 1995, Markart et al.

1996b, Markart et al. 1997). Anhaftende abgestorbene

Blattscheiden und der hohe Streuanteil wirken

in diesen Einheiten Benetzungshemmend und

Abfluss erhöhend.

Benetzungshemmende Wirkungen sind auch bei

räumdig wachsenden Zwergsträuchern auf Trockenstandorten

mit Moderhumus und / oder feinteilreichem

Oberboden zu beobachten (z.B. Besenheide

an Sonnexponierten Rücken und Kuppen). Solche

Flächen spielen in Wildbacheinzugsgebieten in

Bezug auf ihre Abflussrelevanz i.d.R. jedoch eine

untergeordnete Rolle.

4.3.8 Einfluss der Vorfeuchte

Der Abflussbeiwert bei Abfluskonstanz (Ψ const

)

variiert in Abhängigkeit von der Vorbefeuchtung nur

in geringem Maße, wie die Ergebnisse von Kohl und

Markart (2003) deutlich zeigen. Hohe Vorbe-


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 19

Foto: W. Gallmetzer

Abb.4.3.1:

Grabensysteme und Tiefenlinien an den Abhängen des Pfannhorns bei Toblach im Pustertal (I). Je steiler der Hang und je

geringer die Deckung mit Zwergsträuchern bzw. hochstämmiger Vegetation, umso stärker wird die Ausbildung des Kleingerinnennetzes

und der Grabensysteme.

Foto: Dr. W. Gallmetzer, Sonderbetrieb für Bodenschutz, Wildbach- und Lawinenverbauung der Autonomen Provinz Bozen

Abb.4.3.2:

Einzugsgebiet des Riederbaches (rechtsufriger Zubringer des Gerlosbaches, Zillertal / Tirol): Dichtes (Klein)Gerinnenetz an

Hängen mit ganzjährig hohem Wasserangebot - Hinweis auf hohen Oberflächenabfluss.

Foto: Dr. H. PIRKL, Büro f. Geologie und Geoökologie, Gentzgasse, Wien

Foto: H. Pirkl


20

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

feuchtung äußert sich aber in einer deutlichen

Verkürzung der Anlaufzeit. Dies belegen erste

Auswertungen von Starkregensimulationen bei

denen die Bodenfeuchten an mehren Profilen in

verschiedenen Tiefen gemessen wurde (Kohl in

Vorbereitung, Markart und Kohl 2004).

Mit sehr hohen Abflussspenden und raschem

Anspringen ist auf Feuchtstandorten (Niedermoore,

Feuchtwiesen, sekundär vernässte Flächen - z.B.

Flächen mit nicht mehr gewarteten Be- und Entwässerungssystemen)

zu rechnen. Diese Flächen sind

mit Ausnahme längerer Trockenperioden i.d.R. zu

einem sehr hohen Grad vorverfüllt.

Extrem empfindlich auf hohe Ausgangsfeuchte

(rasche Abflussbildung) reagieren Rasenstandorte

und begrünte / planierte Flächen. Waldstandorte

spiegeln diesen Effekt auf deutlich niedrigerem

Niveau wider.

Böden unter Zwergstrauchheiden (Alpenrose,

Heidelbeere) weisen i.d.R. aufgrund der Rohhumusauflagen

eine sehr ausgeglichene Bodenfeuchte und

ein gutes Retentionsvermögen auf. Die Niederschlagspuffernde

Wirkung der Zwergstrauchheide

(Alpenrose) zeigte sich trotz weitgehender Wassersättigung

an Standorten im Zillertal (Markart et al.

2001). Bei identer Vorbefeuchtung war der const mit

0,8 z.B. gegenüber einer vernässten Rasenfläche

(const = 1,0) deutlich niedriger. Zudem wird

aufgrund des vielschichtigen Aufbaues der Alpenrosenheide

die Anlaufzeit gegenüber Rasenstandorten

mit ähnlicher Vorbefeuchtung um mehrere Minuten

verzögert.

4.3.9 Gerinnenetzdichte, Hangwasser

Die Gerinnenetzdichte ist Ausdruck der geologischen

Verhältnisse. So sind beispielsweise Böden aus der

Mergelverwitterung oder anderen bindig verwitternden

Gesteinen (Phyllite, Glimmerschiefer etc.)

Wasser stauend und erodieren sehr leicht, der Oberflächenabfluss

geht sehr rasch in Rinnenerosion über.

Oft geben bereits die Geländeformen deutliche

Hinweise auf das Abflussverhalten eines Standortes.

An den Hängen des Pfannhorns bei Toblach

(Abb.4.3.1), sieht man deutlich, dass im stark aufgelockerten

Substrat bei zunehmender Hangneigung

und abnehmendem Deckungsgrad der Vegetation

die Zahl von Tiefenlinien und Gräben deutlich

ansteigt (zwischen Graben Nr. 10 und Graben Nr. 5).

Die an Graben Nr.5 anschließenden, mit Alpenrose

bewachsenen und weniger geneigten Hänge zeigen

dagegen ein deutlich schwächer ausgeprägtes Kleingerinnenetz.

Kleingerinne und Gräben häufen sich in bzw. unter

stark geneigten Hängen mit glatter Oberfläche, aber

auch in Flanken mit starkem Hangwasserzug,

Feuchtflächen und Moorkomplexen. Aus solchen

Flächen sind meist sehr hohe Abflussspenden zu

erwarten (AKl 5, 6), siehe Abb.4.3.2.

4.4 Indikatorfunktion der Vegetation,

Feuchte- Zeigerwerte

Vegetationseinheiten und -formen sind wichtige

Indikatoren für die Standortsverhältnisse, insbesondere

die vorherrschenden Feuchteverhältnisse und

lassen somit Rückschlüsse auf die Abflussverhältnisse

zu (Schauer 1992, Kohl 2000). Bei Kenntnis

gehäuft vorkommender Pflanzen ist man gut in der

Lage auch die Abflussverhältnisse des Standortes zu

charakterisieren. Einige wichtige Indikatorpflanzen

für Standorte mit entsprechender Abflussbereitschaft

sind in Anhang 3 abgebildet.

Die Einteilung der Zeigerwerte von Einzelpflanzen

z.B. nach Ellenberg (1986), Ellenberg et al. (1991)

oder Landolt (1977) sind für die direkte Anwendung

in der Praxis (Zuordnung eines Abflussbeiwertes) zu

eng gefasst. Darauf weisen auch die Ergebnisse der

von Schauer (2002) nach vegetationskundlichen

Kriterien ausgewerteten Starkregensimulationen des

LfW hin. Sie ließen keine signifikanten Unterschiede

für die Feuchtestufen tr (trocken) bis mf (mäßig

frisch) erkennen. Für die Praxis ergibt sich daher die

gegenüber den oben angeführten Autoren gestraffte

Einteilung in Tab.4.4.

Tab.4.4:

Zeigerwertklassen der Bodenvegetation (nach Schauer 2002)

mf

f

ff

n

trocken - mäßig frisch

frisch

sehr frisch - feucht

sehr feucht - nass

4.5 Abflussbeiwertklassen

Die Abflussverhältnisse der meisten alpinen Standorte

unterliegen in Abhängigkeit von variablen

Randbedingungen (saisonale Schwankungen der

Bodenfeuchte, der Bioturbation; Verlauf der Vegetationsentwicklung,

Art und Intensität der Bewirtschaftung

etc.) starken Schwankungen. Daher ist die

Angabe von Abflussbeiwerten nur in Form von


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 21

Bandbreiten bzw. Abflussbeiwertklassen sinnvoll. Für

die vorliegende Anleitung wurde ein System mit 7

Abflussbeiwertklassen erstellt (vgl. Tab.4.5).

In die Abflussbeiwertklasse 0 fallen jene Flächen,

die keinesfalls Oberflächenabfluss liefern, also z.B.

(grob)blockige Schutthalden größerer Ausdehnung.

Auf Standorten mit Zwergstrauchheiden, wie

Alpenrose, Heidelbeere oder Hochwaldbeständen

mit dichtem Zwergstrauchunterwuchs auf lockerem

Untergrund und ohne regelmäßige hohe Vorbefeuchtung,

ist die Bereitschaft zur flächigen Abflussbildung

gering. Solche Einheiten sind i.d.R. der

Abflussbeiwertklasse 1 zuzuordnen. Hier lässt sich

das Verhalten meist gut einschätzen, daher ist diese

Klasse auch enger gefasst (maximal 10% des Niederschlages

fließen an der Oberfläche ab).

Mit zunehmender Abflussbereitschaft lassen sich

die Einheiten nicht mehr so deutlich eingrenzen.

Beispielsweise sind nicht bestoßene und sehr pfleglich

bewirtschaftete Mähwiesen i.d.R. in die AKl 2

einzuordnen. Bereits geringe (für den Erheber vor

Ort oft kaum erkennbare) Zusatzbelastungen, wie

kurzzeitige mechanische Beanspruchungen, z.B.

durch Weide oder Befahren, bewirken oft schon

einen weiteren Anstieg des Abflusspotentials (AKl 3).

Tab. 4.5:

Abflussbeiwertklassen - die Farbgebung erfolgt abgestuft

nach dem Ampelprinzip: Grün = positive Abflussverhältnisse,

rot = hoher Abfluss:

Dunkelgrün = beste Abflusseigenschaften,

hellgrün = geringer Oberflächenabfluss,

gelb charakterisiert mittlere Abflussverhältnisse,

rot steht für Standorte mit sehr hoher Abflussdisposition,

blau für vernässte Flächen

Abflussbeiwertklasse

(AKl)

Oberflächenabfluss in %

des Niederschlages

0 0

1 > 0 - 10

2 11 - 30

3 31 - 50

4 51 - 75

5 > 75

6 1,0 (vernässte, versiegelte Flächen)

Mit zunehmendem Nutzungsgrad (Planien, Schipisten,

Weiderasen, beweidete Mähwiesen, Weidewälder)

und generell auf sehr bindigen Böden nimmt

die Abflussdisposition zu. Derartige Flächen lassen

sich jedoch nicht sehr eng abgrenzen, daher wurden

die Abflussbeiwertklassen 4 und 5 in Relation zu den

AKl 1-3 bewusst weiter gefasst.

Annähernd vollständiger Abfluss des Niederschlages

an der Oberfläche ist auf stehenden Gewässern,

vorverfüllten Flächen (z.B. Niedermoore, Quellanmoore)

und versiegelten, dichten Standorten zu

erwarten (AKl 6).

4.6 Zuordnung von Abflussbeiwerten

Der Abflussbeiwert kann für die in Kapitel 4.1 angeführten

hydrologischen Vegetationseinheiten anhand

der unter Kapitel 4.2 bis 4.4 beschriebenen Standortskenngrößen

einer Abflussbeiwertklasse

(Beschreibung in Kapitel 4.5) zugeordnet werden.

Die Zuordnung des Abflussbeiwertes erfolgt im

Prinzip nach dem in Tab.4.6 angeführten Schema:

Tab.4.6:

Schema für die Zuordnung von hydrologischen Vegetationseinheiten

zur entsprechenden Abflussbeiwertklasse in

Abhängigkeit von Bodenverhältnissen (siehe Kapitel 4.2),

Nutzung / Besonderheiten des Standortes (siehe Kapitel

4.3) und Feuchtestufe (siehe Kapitel 4.4). Beispiel: Fi-

Bestand ohne Unterwuchs.

Fichtenwald, > 50% Fi (keine bzw. wenig

Bodenvegetation - nudum)

Boden

Grob-Boden,

auch mit Feinanteil,

locker

Grob-Boden

mit Feinanteil,

Fein-Boden

Fein-Boden,

dicht

Fein-Boden,

bindig, dicht

Nutzung

Besonderheiten

Vegetationseinheit

Zeigerwerte

Feuchte

Abfluss

beiwertklasse

1

Trockene

mf-f

Moderauflage 2

mäßige Beweidung,

trockene

Moderauflage

3

Hangwasserzug,

intensive

Beweidung

Vernässung,

Häufung von

Tiefenlinien

mf-ff 4

ff-n 5


22

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

4.7 Abflussverhalten bei Hagelereignissen und

auf schneebedeckter Oberfläche

Hagel

Nicht berücksichtigt werden konnte bei den Feldexperimenten

die Wirkung von Hagel. Nach Augenzeugenberichten

von Starkregenereignissen in

Kombination mit Hagel in der Wildschönau (Nordtirol

- 1994) und am Zettersfeld bei Lienz (Osttirol -

1997) halten die Hagelschlossen den Oberflächenabfluss

eine Zeit lang zurück, sie wirken wie eine

Sperre. Nach einiger Zeit bricht dieser Riegel, Wasser

und Hagel setzen sich walzenförmig in Bewegung, es

kommt auf Rasen und offenen Flächen rasch zu

konzentriertem Abfluss in den Tiefenlinien.

In Gebieten mit häufigem Auftreten von Hagel

ist daher bei Rasenstandorten und für offene

Flächen auf Böden mit hohem Feinanteil bzw.

bindigem Untergrund sicherheitshalber anstelle

der nach der Geländeanleitung ermittelten

Abflussklasse die nächst höhere Klasse zu

verwenden, bzw. für die Abflussklasse 5 mit der

oberen Klassengrenze (Ψ const

= 1,0) zu rechnen.

Schneebedeckte Oberflächen

Nach den Ergebnissen der Untersuchungen von

Fuchs et al. (2000) und Kohl et al. (2001) kann die

Wirkung von Starkregen auf schneebedeckte Oberflächen

folgendermaßen charakterisiert werden:

• Schneedeckenmächtigkeit und Verzögerung des

Abflusses sind eng korreliert, d.h. je mächtiger die

Schneedecke und je geringer ihr Gehalt an freiem

Wasser, desto stärker wird der Abfluss verzögert.

Bei Starkregensimulationen mit i N

= 100 mm/h

ergaben jede zusätzliche 10 cm Schneedeckenmächtigkeit

eine weitere Verzögerung der Anlaufzeit

um 3,6 min.

• Bei geringmächtigen, stark durchfeuchteten

Schneedecken (Schneeschmelze!) oder gefrorenem

Boden ist mit sofortiger Abflussbildung

und hohen Abflussbeiwerten zu rechnen.

(Detaillierte Informationen siehe Markart et al.

2003).

5. Hinweise für die praktische

Anwendung

5.1 Beispiele für die Anwendung der

Geländeanleitung zur Abschätzung des

Oberflächenabflussbeiwertes

Der Anwender wählt aus den in Anhang 1 angeführten

Einheiten diejenige aus, die der von ihm

Gelände angetroffenen am ehesten entspricht.

Nun besteht die Möglichkeit, anhand der in den

Spalten zwei bis vier angeführten Standortsangaben

(Boden, Nutzung/Besonderheiten, Zeigerwerte/

Feuchte) die hydrologischen Eigenschaften der

Fläche einzugrenzen und sie einer Abflussbeiwertklasse

zuzuordnen.

Die Vorgangsweise wird im Folgenden an

mehreren Beispielen demonstriert:

5.1.1 Beispiel 1:

Fi-Reinbestand (Piceetum nudum),

beweidet

Annahmen zum Standort

Fi-Reinbestand ohne Unterwuchs (Piceetum nudum)

mit den Standortscharakteristika (Foto siehe Anhang

2, Punkt 2.6 - Wälder):

• Die Infiltrationseigenschaften des Bodens werden

durch den Feinanteil (Korngrößen < 2 mm

Durchmesser) bestimmt, der Boden ist aber nicht

bindig und nicht dicht.

• Der Standort weist eine flächige Streudecke aus

Fichtennadeln und eine sehr geringe Deckung

durch Bodenvegetation (primär Sauerklee) auf.

• Vereinzelte Trittspuren und einzelne „Kuhfladen“

deuten auf geringen aktuellen Weidegang hin.

• Die Vegetation zeigt mäßig frische Feuchteverhältnisse

an.

In Anhang 1 finden sich Angaben für folgende

Vegetationseinheiten bzw. -formen.

1

2

3

4

5

7

7

Pioniervegetation - Rohböden

Rasenvegetation - Mähwiesen

Zwergstrauchheiden

Buschgesellschaften

Hochstaudenfluren

Wälder

Planien


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 23

Die Abflussbeiwerttabelle für den Fi-Reinbestand

findet man im Anhang unter Punkt 1.7 (Wälder).

Für das Testbeispiel kommt man über 1.7.1 zu

Nadelwälder, und hier in der ersten Tabelle zu:

Tab.5.1.1.1:

Piceetum nudum -

Schema für die Anschätzung der Abflussbeiwertklasse

Fichtenwald, > 50% Fi (keine bzw. wenig

Bodenvegetation - nudum)

Boden

Grob-Boden,

auch mit Feinanteil,

locker

Grob-Boden

mit Feinanteil,

Fein-Boden

Fein-Boden,

dicht

Fein-Boden,

bindig, dicht

Nutzung

Besonderheiten

Vegetationseinheit

Zeigerwerte

Feuchte

Abfluss

beiwertklasse

1

Trockene

mf-f

Moderauflage 2

mäßige Beweidung,

trockene

Moderauflage

3

Hangwasserzug,

intensive

Beweidung

Vernässung,

Häufung von

Tiefenlinien

mf-ff 4

ff-n 5

Tab. 5.1.1.2:

Zuordnung des Abflussbeiwertes für Piceetum nudum,

beweidet

Fichtenwald, > 50% Fi (keine bzw. wenig

Bodenvegetation - nudum)

Boden

Grob-Boden,

auch mit Feinanteil,

locker

Grob-Boden

mit Feinanteil,

Fein-Boden

Fein-Boden,

dicht

Fein-Boden,

bindig, dicht

Nutzung

Besonderheiten

Vegetationseinheit

Zeigerwerte

Feuchte

Abfluss

beiwertklasse

1

Trockene

mf-f

Moderauflage 2

mäßige Beweidung,

trockene

Moderauflage

3

Hangwasserzug,

intensive

Beweidung

Vernässung,

Häufung von

Tiefenlinien

mf-ff 4

ff-n 5

Fichtenwälder > 50% Fichte (keine bzw. wenig

Bodenvegetation - nudum, (siehe Tab.5.1.1.1)

Für unsere Beispielseinheit erfolgt die Zuordnung

dann gemäß Tab.5.1.1.2: Der Boden ist weder grob

noch bindig oder dicht, daher bleiben in Spalte 2

(Boden) nur die Zeilen 2 und 3 übrig. Nutzung /

standörtliche Besonderheiten (Fi-Streudecke -

Moderhumus) in Spalte 3 lassen die Zeile zwei und

drei zu, aber der Weideeinfluss engt die Auswahl auf

Zeile 3 ein. Die pflanzlichen Zeigerwerte (Spalte 4)

stellen bei diesem Beispiel nur ein ungenaues Differenzierungsmerkmal

dar, sie weisen auf diesem

Standort aber zumindest darauf hin, dass die

Abflussbeiwertklassen 4 und 5 nicht gegeben sind.

Der Standort ist daher der Abflussbeiwertklasse 3

zuzuordnen.

5.1.2 Beispiel 2:

Hang mit Zwergstrauchheide (Alpenrose)

Annahmen zum Standort

• Der Boden ist skelettreich, locker, mit deutlicher

Rohhumusauflage.

• Keine offensichtlichen Weidespuren, an der

Alpenrose sind keine Schäden durch Vertritt

erkennbar.

• Keine Zeichen stärkerer Austrocknung oder

Vernässung, Pflanzen weisen auf mäßig frische

bis frische Feuchteverhältnisse hin.

Ermittlung der Abflussbeiwertklasse

(1) Auswahl der Grobeinheit: Anhang 1, Kapitel

1.4., Zwergstrauchheide

(2) Wahl der hydrologischen Einheit: Alpenrosenund

Heidelbeerheide

(3) Nach den Bodenverhältnisse kommen nur die

Zeilen 1 und 2 in Frage: Grob-Boden locker,

auch mit Feinanteil.

(4) Es sind keine Besonderheiten (Vertritt-,

Erosionsspuren) ersichtlich, daher bleibt in

Spalte 3 nur die Zeile 1.

(5) Aus der Vegetation ergeben sich keine Hinweise

auf dominanten Feuchteeinfluss (Zeile 1-3 in

Spalte 4 sind möglich).

(6) Aufgrund der fehlenden Nutzungseinflüsse ist

die Fläche auf grobem (blockigem) Untergrund

in die AKl 0, bei höherem Feinanteil (Grob-

Boden mit Feinanteil) in die AKl 1 einzuordnen

(Beispielsfoto siehe Anhang 2, Kapitel 2.3 -

erstes Bild)


24

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

Tab.5.1.2:

Beispiel für die Ermittlung der Abflussbeiwertklasse auf

einem Standort mit Alpenrose (durchlässiger Untergrund

ohne zusätzliche Nutzung)

Tab. 5.1.3:

Beispiel für die Ermittlung der Abflussbeiwertklasse auf

einem Standort mit Bürstling (Fein-Boden, extensiv

beweidet).

Boden

Nutzung

Besonderheiten

Vegetationseinheit

Zeigerwerte

Feuchte

Abfluss

beiwertklasse

Boden

Nutzung

Besonderheiten

Vegetationseinheit

Zeigerwerte

Feuchte

Abfluss

beiwertklasse

Alpenrose und Heidelbeere

Grob-Boden,

auch mit Feinanteil,

locker

Fein-Boden,

lokal dicht

Fein-Boden,

bindig

keine

kleinflächig

Vertritt durch

Weidevieh,

kleinflächig

Erosionsschäden

Vergrasung,

Vertritt- oder

Erosionsschäden

auf

größerer Fläche

(bis 25%)

Feuchtflächen

mit dichtem

Kleingerinnenetz

mf-f

0/1

2

3

f-ff 4

Bürstling-Rasen

Grob-Boden,

locker, teilw.

anstehendes

Grobskelett mit

offenen Klüften

Fein-Boden,

dicht

(Wurzelfilz)

Fels

subanstehend,

sehr flachgründig

weidefrei

beweidet oder

unbeweidet,

Zwergstrauchanteil

bis 25%

beweidet /

extensiviert

Rasen wechselt

mit freiem Fels

oder dichtem

offenem Schutt,

starke Rinnenbildung,

i.d.R.

steil, keine bis

wenig Zwergstrauchheide

mf-f

3

4

mf-ff

5

mf-f 5

5.1.3 Beispiel 3:

Bürstling-Rasen

Vernässung,

dichtes Kleingerinnenetz

n

Torfmoose*

5

Annahmen zum Standort

• Kein oder kaum Grobskelett an der Bodenoberfläche

erkennbar, hoher Feinanteil.

• Geringfügiger Vertritt (extensive Weide).

• Rasen macht beim Begehen einen dichten

Eindruck (großer Eindringwiderstand beim

Stoßen mit dem Schuhabsatz, Durchdringen des

obersten Bodenfilzes sogar mit dem Messer nur

schwer möglich).

• Hoher Totanteil des Bürstlings (Streu, anhaftende

abgestorbene Blattscheiden).

• Keine Hinweise auf Vernässung (kein Hangwasserzug,

keine Feuchtezeiger).

Bürstling-Rasen sind Standorte, die durchwegs ein

sehr hohes Abflusspotential aufweisen. Einheiten der

AKl 1 und 2 wurden in keiner der Starkregensimulationen

des BFW beobachtet. Die Bestandesabfälle

des Bürstlings sind schwer abbaubar, daher

werden tote Blattscheiden und Streu akkumuliert,

die wie ein Strohdach den Niederschlag an der Oberfläche

ableiten (Cernusca und Seeber 1989, Klug-

Pümpel 1994, Markart und Kohl 1995, Markart et al.

2000). Zudem bildet er einen dichten Wurzelfilz aus,

der die Infiltration zusätzlich erschwert. Eventuelle

vorhandene gute Dräneigenschaften des Mineralbodens

kommen nicht zur Wirkung.

Ermittlung der Abflussbeiwertklasse

(siehe Tab. 5.1.3)

(1) Auswahl des Blattes bzw. der Grobeinheit

Rasenvegetation - Mähwiesen aus Anhang 1,

Kapitel 1.3.

(2) Wahl der hydrologischen Einheit Bürstling-

Rasen

(3) Die Bodenverhältnisse (Spalte 2) erlauben die

Einordnung nur in die Zeilen 2 und 3: Fein-

Boden, dicht, Wurzelfilz.

(4) Der Standort ist extensiv beweidet, es sind keine

Zwergsträucher vorhanden, daher wird die

Wahl in Spalte 3 auf Zeile 3 eingeengt

(beweidet / extensiviert).


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 25

(5) Vierte Spalte: Einengung des Standortes über

Zeigerwerte, wenn Indikatorpflanzen erkannt

werden können. Der Bürstling selbst ist ein

Ubiquist, d.h. er kann auf trockenen bis sehr

feuchten Standorten vorkommen.

(6) Nach den Hinweisen aus den Spalten 2 und 3 ist

der Standort in AKl 5 einzuordnen (siehe auch

Tab.5.1.3, Beispielsfoto in Anhang 2, Kapitel 2.2).

5.1.4 Beispiel 4:

Standort mit Alpenrose und

Bürstling-Rasen

Annahmen zum Standort

• Es gelten die Standortsverhältnisse aus Bsp.2 für die

Alpenrose und aus Bsp.3 für den Bürstling-Rasen.

• Die beiden Vegetationsformen bedecken den

Standort zu jeweils annähernd 50% (die Flächenanteile

der Vegetationsformen Alpenrose bzw. des

Bürstlings sind in der Praxis in 10% Stufen anzuschätzen).

• Die Alpenrose ist in Form mosaikartiger Flecken

im Bürstling verteilt.

Ermittlung der Abflussbeiwertklasse

(1) Ermittlung der Abflussbeiwertklasse getrennt

für die beiden Vegetationseinheiten nach

Beispiel 2 (Kapitel 5.1.2) und Bsp.3 (Kapitel

5.1.3).

(2) Für den Bürstling-Rasen ist die AKl 5 einzusetzen

(Klassenmitte - 87,5% des Niederschlages

bei Regen, Klassenobergrenze von

100% bei Niederschlagsereignis in Kombination

mit Hagel aufgrund der Wirkung des

Hagels).

(3) Die mosaikartige Verteilung der Alpenrose hat

im Vergleich zu einem puffernden homogenen

Gürtel eine etwas verminderte Retentionswirkung

zur Folge. Sicherheitshalber sollte mit der

oberen Klassengrenze der AKl 1 (10%)

gerechnet werden. Hagel hat nach den bisher

verfügbaren Angaben in Alpenrosenheiden

keine Abflusssteigernde Wirkung.

(4) Der Abfluss ergibt sich als arithmetisches Mittel

der beiden Abflussbeiwertklassen:

Für Regen ohne Hagel:

(Klassenmittel der AKl 5 + obere Grenze der AKl 1)/2 =

(87,5% +10%) / 2 = 48,75% obere Klassengrenze AKL 3

Für Niederschlagsereignis mit Hagel:

(obere Grenze der AKl 5 + obere Grenze der AKl 1)/2 =

(100% + 10%) / 2 = 55% unterer Bereich der AKL 4

Einschränkung: Infiltrationsfördernde Einheiten

wie Alpenrosenheide, gut gestufte Waldbestände etc.

müssen auf einem Standort auf einer minimalen

Fläche vertreten sein, um eine hydrologisch positive

Wirkung entfalten zu können. Kritischer Wert: 25%

Flächenanteil. Unter diesem Deckungsanteil ist kein

arithmetisches Mittel mehr zu bilden, hier ist die

Abflussbeiwertklasse der hydrologisch schlechteren

Einheit (im konkreten Fall des Bürstling-Rasens) zu

verwenden und mit Abflussbeiwerten an der unteren

Klassengrenze zu rechnen (für das konkrete Beispiel

Ψ const

= 0,75-0,8).

6. Berechnung der Initialabstraktion

6.1 Grundlagen

Die Initialabstraktion (die Abstraktionszeit) ist jener

Zeitraum, der von Beginn des Niederschlagsereignisses

verstreicht, bis sich der erste Oberflächenabfluss

bildet. Dieser Anfangsverlust entspricht

demnach jener Niederschlagshöhe, die erforderlich

ist, um einen Direktabfluss zu erzeugen. Die Initialabstraktion

beinhaltet all jene Wasserverluste, welche

für die Bestimmung extremer Hochwässer zu berücksichtigen

sind. Zu diesen Wasserverlusten bei

Niederschlägen zählen das Haftwasser an Boden und

Vegetation (Interzeption), die Verdunstung vom

Boden und von der Vegetation (Evaporation), der

aktive Wasserverbrauch der Pflanzendecke (Transpiration),

der Wasserrückhalt in Bodenunebenheiten

(Muldenspeicher), das Versickern (Infiltration) und

schließlich der unterirdische Abfluss.

Da die genannten Verluste schwer zu quantifizieren

sind und sehr stark von der Niederschlagsdauer

abhängen, wurden und werden sie in der Literatur

nur in sehr generalisierter Form berücksichtigt.

6.2 Initialabstraktion in Relation zum

Abflussbeiwert

In Abb.6.1 ist eine Auswertung von annähernd 200

Niederschlagssimulationen auf 128 Standorten des

Institutes für Lawinen- und Wildbachforschung

beim BFW dargestellt, in welcher die mittleren

Abstraktionszeiten den in Klassen zusammengefassten

Abflussbeiwerten gegenübergestellt sind. Wie in

Kapitel 4.5 (Abflussbeiwertklassen) erläutert, erfolgt


26

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

die Ansprache von Abflussbeiwerten für verschiedene

Vegetations-/Boden-/Nutzungs-Einheiten

einem siebenteiligen Klassensystem mit oberem und

unterem Grenzwert. In der unteren Grenzwertklasse

(Abflussbeiwertklasse 0) wird der Niederschlag vollständig

vom System aufgenommen, die Initialabstraktion

ist somit der Niederschlagsdauer gleichzusetzen.

Im Standardfall erfolgten die Beregnungen mit

einer Intensität von 100 mm/h und einer Regendauer

von 60 Minuten. Von den 128 in diese Auswertung

mit einbezogenen Standorten wurden auf 16 kein

Abfluss gemessen (= Abflussklasse 0). Die von Zeller

(1981) als „unwahrscheinlich“ beschriebene Infiltrationsleistung

von 100 mm/h und mehr ist daher gar

nicht so selten anzutreffen.

6.3 Systemzustände - extreme Szenarien

Bedingt durch den großen heterogenen Faktorenkomplex,

der die Initialabstraktion beeinflusst, ist die

Streubreite der Messwerte entsprechend groß. Im

Mittel zeigt sich jedoch eine deutliche Abhängigkeit

der Dauer der Initialabstraktion von der Höhe des

gemessenen Abflussbeiwertes. Im Extremfall wurden

auch an Standorten der Abflussklasse 1, d.h. bei

weniger als 10%, sehr kurze Abstraktionszeiten

gemessen. Einen derartigen Extremfall stellt

beispielsweise eine Versuchswiederholung mit nach

hohem Niederschlagsintensität unmittelbar auf eine

soeben durchgeführte Starkregensimulation dar. Es

ist nicht verwunderlich, dass im beschriebenen Fall

der initiale Wasserverlust sehr gering ist. Offensichtlich

können derartige Fälle als unrealistisches, weil in

natura kaum anzutreffendes, „Worst-Case“ Szenario

vernachlässigt werden. Andererseits finden sich im

Datenkollektiv ebenfalls Versuchsbedingungen

wieder, die ein „Best-Case“ Szenario, also eine

extrem gute hydrologische Ausgangssituation des

Standortes darstellen (z.B. nach längeren Trockenperioden

sehr geringe Vorverfüllung des Bodenspeichers,

Schwundrisse im Boden, volle Mikroretention,

etc.). Die Messungen zeigen, dass

beispielsweise Standorte der Abflussklasse 6, welche

im Zustand der Sättigung 100% Abfluss liefern, die

Abflussentstehung im Durchschnitt fünf Minuten

lang zurückhalten. Der Maximalfall, also ein

„Best-Case“, liegt sogar bei 17 Minuten.

6.4 Berechnung der Initialabstraktion für das

realistische Worst-Case-Szenario

Hochwasserberechnungen sollen jedoch für das

jeweils zu beurteilende Einzugsgebiet auf ein

realistisches Worst-Case-Ereignis ausgerichtet sein

(siehe Kap. 3).

Das Datenkollektiv der Beregnungsversuche streut,

wie beschrieben, zwischen „unrealistischen Worst-

Case“ - und „Best-Case“ - Bedingungen. Vereinfachend

sind die erhobenen Mittelwerte als verhältnismäßig

plausibel für ein realistisches Worst-

Case-Ereignis anzusehen. Die Initialabstraktion

kann daher für beitragende Flächen nach deren

Einordnung in die entsprechende Abflussbeiwertklasse

nach der in Abb. 6.1 angeführten Funktion

berechnet werden.

Abb. 6.1:

Zusammenhang zwischen Abstraktionszeit und Abflussbeiwert

bei Abflusskonstanz (Ψ const

) mit einem Vertrauensbereich

von ± 95 %.

Für jede Abflussbeiwertklasse

lässt sich aus

der in Abb.6.1 angeführten

Kurve ein mittlerer

Wert der Initialabstraktion

berechnen

(Tab.6.1).

Einen solchen gibt es

natürlich nicht für die

Abflussbeiwertklasse 0

(kein Abfluss). Auffallend:

Selbst auf stark

Abfluss liefernden

Flächen der AKl 5 und

6 wird der Abfluss im

Mittel noch um 7 bzw.

5 Minuten verzögert.

Tab. 6.1:

Mittlerer Wert der Initialabstraktion

nach Abb. 6.1 für

die jeweilige Abflussbeiwertklasse

Initialabstraktion

(in min)

Abflussbeiwertklasse

(AKl)


0

28 1

20 2

15 3

11 4

7 5

5 6


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 27

7. Abschätzung der Oberflächenrauhigkeit

7.1 Grundlagen

„Des Weiteren ist ein Abflusskoeffizient eingeführt

worden, der die Abflusseigenschaften der Bodenoberfläche

charakterisiert, etwa im Sinne des k-

Wertes in der Stricklergleichung beim Gerinneabfluss.“

Mit diesen Worten beschreibt Zeller (1981)

einen Parameter in seinem Laufzeitverfahren, den er

Wasserabfluss-Koeffizient c nennt. Er wirkt der

Hangneigung und der Fließtiefe (in Form des Effektivniederschlags

C*i T

), welche die Abflussgeschwindigkeit

an der Bodenoberfläche erhöhen, entgegen.

Dieser Koeffizient ist ein Analogon zum Energieverlustkoeffizienten

(= Rauhigkeitsbeiwert) nach Strikkler,

im Gegensatz zu diesem jedoch dimensionslos.

Nach Zeller (1981) liegt für steile, stark unebene

und extrem raue Gerinne, wie sie alpine Wildbäche

darstellen, der k-Bereich etwa zwischen 5 und

20 m 1/3 /s. Für den gerinnelosen Abfluss ermittelte

Petraschek (1973) aus Beregnungsversuchen k-Werte

mit 4 m 1/3 /s. Der Strickler-Beiwert eignet sich auf

Grund seiner Skalierung also nur bedingt für die

Anwendung auf den Oberflächenabfluss. Für den

zumeist im englischsprachigen Raum angewandten

Manning-Koeffizienten n findet man häufig auch

tabellarische Auflistungen, die sich auch auf den

Oberflächenabfluss oder „sheet flow“ beziehen (u.a.

Chow 1959, Arcement 1984, Engman 1986,

Thomsen 1991, Weltz 1992). Solche Tabellenwerke

geben jedoch meist nur einen sehr groben Überblick

über mögliche Rauhigkeiten und sind daher nur

bedingt auf den alpenländischen Bereich anwendbar.

Was Rouve (1987) über den naturnahen Gewässerbau

ausdrückt („nur mit großen Unsicherheiten

können die in der Natur vorliegenden

Rauheiten quantifiziert werden“), gilt ebenso für den

Oberflächenabfluss.

Über Salz- und Farbtracerexperimente (Kohl

2003) wurden Fließgeschwindigkeiten an der Bodenoberfläche

während Starkregensimulationen gemessen.

Diese gemessenen Geschwindigkeiten

wurden unter Verwendung der Fließlänge und der

Anlaufzeit t OB

des Hydrographen (der Abflusskurve)

aus dem Beregnungsexperiment nachgerechnet und

zeigten eine sehr gute Übereinstimmung. Da diese

aus Regensimulationen abgeleitete Anlaufzeit t OB

mit

der Fließlänge plausible Fließgeschwindigkeiten

ergab, war es möglich annähernd 200 Niederschlagssimulationen

(auf 128 Standorten) des

Institutes für Lawinen- und Wildbachforschung

beim BFW nachzurechnen und über die Fließformel

nach IZZARD den Wasserabflusskoeffizienten c zu

überprüfen. Unter Umformung der IZZARD-

Gleichung (1) lässt sich daraus aus der Fließlänge an

der Oberfläche (L OB

), der Neigung (J), dem Effektivniederschlag,

dieser ist das Produkt aus dem Abflussbeiwert

(C) und der Niederschlagsintensität (i T

) die

Geschwindigkeit des Abflusses berechnen.

v =

L

L

2 1 2

3 3 3

⋅ J

⋅ ( C )

⋅i

t OB

= OB T

OB 527⋅ c

Ähnlich der Geländeanleitung zur Abflussbeiwertschätzung

wird auch bei der Abschätzung der

Rauhigkeit von einer sehr groben Einteilung nach

dem Vegetationstyp ausgegangen. Die effektive Klassifizierung

der Rauhigkeit richtet sich dann nach Art

und Qualität des Bewuchses.

Die Rauhigkeit wird vereinfachend für die Dauer

eines Niederschlagsereignisses als konstant angesehen.

Sich während des Ereignisses ändernde

Widerstände, z.B. verringerte Rauhigkeit durch

Hagelschlag, Abnahme hydrophober Effekte mit

zunehmender Ereignisdauer etc. werden hier

vernachlässigt.

7.2 Saisonale Unterschiede in der Rauhigkeit

(1)

Auch saisonale Unterschiede in der Rauhigkeit der

Pflanzendecke sind möglich. Beispielsweise auf einer

Mähwiese, die unmittelbar nach der Schneeschmelze

ziemlich glatt ist, nach dem Einsetzen des Pflanzenwachstums

bis zur Mahd eine deutlich ansteigende

Rauhigkeit zeigt, nach der Mahd oder bei anschließender

Beweidung jedoch wiederum glatter einzustufen

wäre. Für das realistische Worst-Case

Szenario (≈ Bemessungsereignis) ist auch bei der

Rauhigkeitseinstufung eine mögliche saisonale

Veränderung zu berücksichtigen, und die dem realistischen

Worst-Case entsprechende Rauhigkeitsklasse

zu wählen.


28

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

7.3 Anschätzen der Rauhigkeit

Aus Abb.7.1 ergeben sich Rauhigkeitsklassen für

folgende Oberflächen- und Vegetationstypen:

Asphalt, Beton, Fels, Eis

Zeller(1981) gibt für glatten Asphaltbelag auf

Strasse einen c-Wert von 0,007 an. Von extrem

glatten Oberflächen wie Asphaltdecken liegen am

BFW bisher nur von einer Fläche Angaben vor. Das

Mittel der RKL 1 (0,01) sollte jedoch nicht unterschritten

werden, da sonst rechnerisch unrealistisch

hohe Geschwindigkeiten auftreten können.

Rohböden, offene Brachflächen

Diese Einheiten umfassen die Klassen sehr glatt

und ziemlich glatt. Ein gutes Zuordnungsmerkmal

stellt der Sukzessionsgrad, d.h. der Deckungsgrad

der sich ansiedelnden Pflanzen dar. Vereinfacht kann

man Standorte mit einem Deckungsgrad über 10%

der Rauhigkeitsklasse 2 (ziemlich glatt) zuzuordnen.

Rasenstandorte

Rasenstandorte decken ein weites Spektrum der

Rauhigkeit ab. Entgegen weit verbreiteter Literaturangaben

fällt eine Reihe der am BFW beregneten

Rasenstandorte in RKL 1 (sehr glatt). Speziell auf

Borstgrasrasen (Nardus stricta), die rein optisch eine

eher raue Struktur vortäuschen, führen Starkregen

zu hohen und sehr schnellen Abflüssen. Dafür

dürften die Benetzungshemmende Wirkung der

Streu, der toten Blattscheiden und deren Anordnung

(Strohdacheffekt) verantwortlich sein. Beweidung

wirkt sich durchwegs beschleunigend auf den

Abfluss aus. So können Schipisten bei hohem Anteil

von Bürstling, Verdichtung (Beweidung oder

sonstige mechanische Belastung) in der RKL 1

liegen. Intensive Betreuung und Pflege von Beginn

der Herstellung an (Begrünung, Düngung, Vermeidung

von mechanischer Belastung, Mahd mit

leichtem Gerät, Liegenlassen des gemähten Grases

zur Mulchung) erhöhen die Rauhigkeit (RKL 3).

Mähwiesen, deren Rauhigkeit ebenfalls vom Pflegegrad

abhängt, sind i.d.R. der RKL 3 (etwas glatt)

zuzuordnen.

Feuchtflächen

Auch Feuchtflächen stellen mit wenigen

Ausnahmen Rasenstandorte dar. Sie werden jedoch

separat betrachtet, da sie trotz hoher Abflussbeiwerte

eine relativ hohe Rauhigkeit besitzen. Feuchtflächen

mit einem hohen Anteil an Moosen und hochstehenden

Gräsern sind als etwas rau (RKL 4) einzustufen.

Die Fließgeschwindigkeiten sind auf diesen

Flächen meist niedriger als auf Rasenstandorten.

Zwergstrauchheiden

Zwergstrauchbestände weisen, abhängig von der

dominierenden Zwergstrauchgesellschaft, meist eine

hohe Rauhigkeit auf.

Die häufig mit Borstgras vergesellschaftete Besenheide

ist noch zu den nur „etwas glatten“ Standorten

(RKL 3) zu zählen. Erlen- oder Birkenstandorte sind

im Beregnungskollektiv noch nicht vertreten. Im

Vergleich sind sie in Abhängigkeit vom Unterwuchs

etwa den Rauhigkeitsklassen 3 und 4 zuzuordnen.

Als „ziemlich rau“ (RKL 5) sind Vaccinien (Heidelbeere,

Preiselbeere und Rauschbeere) einzustufen.

Flächige Alpenrosenbestände gehören zu jenen

Einheiten, die fließendem Wasser den größten

Widerstand entgegensetzen (RKL 6).

Waldstandorte

Dem Wald, wie auch der Zwergstrauchdecke,

kommt eine nicht zu vernachlässigende Wirkung im

Bezug auf das Brechen der kinetischen Energie des

Niederschlages bei Starkregen zu. Sobald der Niederschlag

das Kronendach durchschlagen hat, wird für

den Oberflächenabfluss jedoch nur mehr die

Rauhigkeit der Oberflächen (Bodenvegetation,

Humusauflage Formenretention) als Bremse

wirksam. Dementsprechend reicht je nach Unterwuchs

die Rauhigkeit von Waldstandorten von sehr

glatt (z.B. Piceetum nudum) bis sehr rau, und ist nach

der vorhandenen Bodenvegetation und dem Mikrorelief

(glatte Oberfläche - Abfluss fördernd, viele

kleine Mulden - Abfluss verzögernd) analog den

vorhergehend beschriebenen Bewuchsformen zu

beurteilen.


BFW-Dokumentation 3-2004 (01.05.2004) 29

Abb. 7.1: Rauhigkeitsklassifizierung nach unterschiedlichen Oberflächen- und Vegetationstypen

Einfluss der räumlichen Verteilung

Bei der Beurteilung der Rauhigkeit ist jedoch auch

die räumliche Verteilung der Einheiten zu berücksichtigen.

Z.B. ist im beweideten Alpenrosengürtel

häufig eine mosaikartige Auflösung der Alpenrose

zu beobachten. Entlang der oft mit Borstgras

bewachsenen „Viehgangln“ beschleunigt das abfließende

Wasser, der bremsende Effekt der Alpenrose

kommt nur stark eingeschränkt zur Wirkung.

Bei einer Verteilung 50% Alpenrose (RKL 6) und

50% Borstgrasrasen (RKL 1), ist die Verteilung der

Zwergsträucher maßgeblich für die Zuordnung der

Rauhigkeitsklasse. Bei gürtelförmiger Anordnung

der Alpenrose ist das Puffervermögen höher (RKL

4), bei insel- bzw. mosaikartiger Anordnung zieht

sich die Alpenrose i.d.R. auf erhöhte Horste zurück,

die Abfluss bremsende Wirkung ist geringer (RKL 3).

8. Aufnahmeformular für

Detailkartierungen

Das im Anhang 4 angeführte Formular ist primär für

die Dokumentation der Abflussbeiwertschätzung auf

der Detailebene gedacht (M > 1 : 5000).

Um die Reproduzierbarkeit der im Gelände erhobenen

Abflussbeiwerte für den Detailmaßstab zu

gewährleisten, werden die wichtigsten Merkmale der

unterschiedlichen hydrologischen Einheiten noch im

Gelände in das Formular eingetragen und wenn

möglich jede beitragende Einheit fotografisch dokumentiert

(Digitalkamera). Diese Dokumentation

erleichtert die Entscheidung im Feld für eine

bestimmte Abflussbeiwert- bzw. Rauhigkeitsklasse

und kann zur Objektivierung in strittigen Fällen, z.B.

im Rahmen Gefahrenzonenüberprüfung nach Schadensfällen,

bei der gutachterlichen Tätigkeit oder der

Sachverständigentätigkeit beitragen.


30

Provisorische Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes ...

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Bericht Nr. 126, 1. und 2. Auflage.

Verfasser:

Dipl.Ing. Dr. Gerhard Markart

Institut für Lawinen- und Wildbachforschung

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald

Rennweg 1 - Hofburg

A-6020 Innsbruck

Gerhard.Markart@uibk.ac.at

Mag. Bernhard Kohl

Institut für Lawinen- und Wildbachforschung

Bundesamt und Forschungszentrum für Wald

Rennweg 1 - Hofburg

A-6020 Innsbruck

Bernhard.Kohl@uibk.ac.at

Diplomgeogr. Bernadette Sotier

D-83083 Riedering

Ecking 81/5

Bernadette.Sotier@t-online.de

Dr. Thomas Schauer

D-82538 Gelting

Ziegelei 6

Thomas.Schauer@gmx.de

Univ.Doz. Dr. Günther Bunza

Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft

Edmund-Runpler-Str. 7

D-80939 München

Guenther.Bunza@lfw.bayern.de

Dipl.Ing. Dr. Roland Stern

Botanikerstraße 5

A-6020 Innsbruck


Anhang 1 -

Geländeanleitung

1.1 Ergänzende Hinweise zur Handhabung

der Anleitung

Nach den unter den Punkten 1.2 bis 1.8 angeführten

Tabellen können typische „hydrologische“ Vegetationseinheiten

des Ostalpenraumes in Abhängigkeit

von:

• den Bodenverhältnissen

• der Art- und der Intensität der Nutzung

• der pflanzlichen Artengarnitur (deren hydrologischen

Zeigerfunktion)

einer bestimmten Abflussbeiwertklasse zugeordnet

werden.

Die Abfolge der Spalten 2-4 (Boden,

Nutzung/Besonderheiten, Zeigerwerte) gibt keine

Hierarchie der Standortsinformationen an, auch

geht daraus keine Wertigkeit hervor.

Ein versierter Bodenkundler wird schon aufgrund

der Bodenansprache die Abfluss- und Infiltrationseigenschaften

eines Standortes deutlich einengen

können. Spezialisten mit guter Pflanzenkenntnis

können allein aus den Zeigerwerten gehäuft vorkommender

Pflanzen Rückschlüsse auf das Abflussverhalten

eines Standortes bei Starkregen ziehen.

Geomorphologische Indikatoren (z.B. Kleingerinnenetz)

und die Art- und Intensität der Nutzung lassen

auch für sich schon Eingrenzungen der Abflussdeposition

zu.

Bei der vorliegenden Anleitung handelt es um ein

Manual für den Praktiker. Daher sollen dem

Anwender mehrere möglichst einfach zu erhebende

Merkmale für die Abflussbeiwertschätzung angeboten

werden.

In Spalte 3 (Nutzung/Besonderheiten) sind

beispielhaft oft mehrere Merkmale pro Zeile angeführt.

Es muss zumindest ein Merkmal erfüllt sein,

damit ein Standort der betreffenden Abflussbeiwertklasse

zugeordnet werden kann. Mehrere und

deutlich erkennbare Merkmale machen die Zuordnung

eindeutiger und einfacher.

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