Abflussmessdaten aus Kleinsteinzugsgebieten der Region Burscheider Mauer Frankelbach-Einzugsgebiet Margret Johst (UDATA, Neustadt/Weinstr.) Michael Schuhmacher (SGD Nord, Trier)

Gliederung Einführung zur hydrologischen Prozessforschung Hydrologische Untersuchungsgebiete der Region Fallbeispiel Frankelbach-Einzugsgebiet Messnetz und Datengrundlage Dominierende Abflussprozesse Beobachtung von gewässerseitigem Hochwasser Frankelbach Burscheider Mauer Fazit zur Abschätzung von Außengebietszuflüssen Background der hydrologischen Prozessforschung / Einzugsgebietshydrologie

1.1 Problemspezifizierung Überlastung des Kanalnetzes durch Außengebiets-zuflüsse Verfahren zur Abschätzung der Außengebiets-zuflüsse müssen auf Messungen beruhen Kleinsteinzugsgebiete (10 ha – 1 km²) können als repräsentativ für Außengebiete gesehen werden Hydrologische Messnetze der Länder enthalten kaum Pegel in Kleinsteinzugsgebieten Abflussmessungen und Prozessuntersuchungen im Rahmen von Forschungsprojekten  Austausch von Forschung und Praxis! Rückstau Außengebiete geringer Anteil undurchlässiger Flächen mit oberirdisches Gewässersystem

1.2 Hydrologische Repräsentativgebiete Einrichtung zahlreicher hydrologischer Forschungsgebiete während der Internationalen Hydrologischen Dekade (1965 – 1974) Fragestellungen: Wasserhaushalt (insbes. mittl. jährliche Verdunstung) Zusammenhang Bewirtschaftung/Nutzung – Abfluss Abflussbildung Kleinstgebiete mit langjährigen Messungen: Sperbelgraben und Rappengraben (Alpenvorland): > 100 Jahre Lange Bramke (Oberharz): > 60 Jahre

1.3 Hydrologische Prozessforschung

2.1 Kleinsteinzugsgebiete der Region Größe [km²] Nutzung Betreiber Frankelbach 0,08 – 5,00 Wald, Grünland, Acker Uni Trier (Phys. Geographie), FAWF Trippstadt Burscheider Mauer 0,57 Wald FP Spangdahlem, SGD Nord, FH Trier Detzem / Enkirch 0,19 / 0,16 Weinberg SGD Nord Kartelbornsbach 3,00 Acker, Grünland Uni Trier (Hydrologie) Zemmer 0,05 Acker Uni Trier (Bodenkunde) Holzbach 4,20 FH Trier, Ing-Büro ihg Baasem 0,33 Land Nordrhein-Westf. Berk 0,49 Huewelerbach 2,70 CRP Lippmann, Luxemburg Gebiete und Projekte vorstellen.

2.2 Datenlage (Niederschlag, Abfluss) Gebiet Zeitraum Literatur Frankelbach seit 10/2004 Johst & Casper (2007)1, Segatz et al. (2009)2, Johst (2011) Burscheider Mauer seit 01/2011 --- Detzem / Enkirch Sommer 1985 Kartelbornsbach seit den 80er Jahren Symader et al. (1999), Symader et al. (2002), Symader (2007)1 Zemmer 06/2005 – 12/2007 Müller et al. (2009)2, Müller (2010) Holzbach seit 07/2004 Sartor & Kreiter (2007)1, Segatz et al. (2009)2 Baasem 1975 – 1989 ---, gemäß DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 (2008) Berk 1963 – 1989 Huewelerbach seit 09/2002 Hellebrand & Juilleret (2009)2 Problematik Messzeitraum 1: in Schüler et al. (2007) 2: in Seeling et al. (2009)

3.1 Einzugsgebiet Frankelbach WaReLa-Testgebiet

3.1 Messnetz Ausstattung: 8 Pegel (0,08 – 5 km²) 1 Klimastation 1 Niederschlagswippe 10-minütige Auflösung Messungen seit 2005  87 Abflussereignisse

3.2 Abflussereignisse HHq = 142 l/s/km² (Pegel GA mit 5 km²) 375 l/s/km² (Pegel WI mit 30 ha)

3.3 Schwellenwertverhalten Dauerregenereignis Dez 2008

3.3 Dauerregenereignis Dezember 2008

3.3 Dominanz des unterirdischen Zuflusses KÖLLA, E. (1987): Estimating flood peaks from small rural catchments in Switzerland. Journal of Hydrology 95, S. 203-225.

4.1 Gewässerseitiges Hochwasser Jan 1995: Nds ≈ 50 mm 2d-1 Hq ≈ 1000 l s-1 km-2 Mai 2002: Nds ≈ 40 mm 4h-1 März 2008: Nds = 38 mm d-1 Hq = 150 l s-1 km-2 Ψ = 0,5 10 l/s/ha sehr hoch für ein

4.1 Hochwasser Jan 1995  Ψ = 0,20 SCS-Verfahren nach Zaiß: CNII = 70 Bodenspeicherkapazität = 108 mm Vorregenindex 21 = 19 mm Anfangsverlust = 12 mm Regen ≈ 50 mm 2d-1  Ψ = 0,20 ©Klaus Schneeschmelzbeeinflusstes Hochwasser  großflächige Überflutungen Abminderungsfaktor für Einfluss der Jahreszeit

4.1 Hochwasser Mai 2002  Ψ = 0,15 SCS-Verfahren nach Zaiß: CNII = 70 Bodenspeicherkapazität = 108 mm Vorregenindex 21 = 33 mm Anfangsverlust = 11 mm Regen ≈ 40 mm 4h-1  Ψ = 0,15 Mehrere Gewitter bei nassem Ausgangszustand  Erosionsschäden und Schäden an der Infrastruktur

4.1 Vorfeuchte und Scheiteldurchfluss Vorereignisabfluss Vorregenindex rc = 0.44 rc = 0.08 Vorereignisdurchfluss [l s-1] 21-tägig. Vorregenindex [mm] Scheiteldurchfluss [l s-1] Scheiteldurchfluss [l s-1] * Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April) Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober) Korrelationskoeffizient rc:

4.2 Einzugsgebiet Burscheider Mauer Buntsandstein Relativ flach Jan 2011: Nds = 80 mm 3d-1 Hq = 161 l s-1 km-2 Plus Schnee Buntsandstein

5.1 Fazit zur Abflussbildung In humiden Mittelgebirgen hat der unterirdische Abfluss einen großen Anteil am Scheiteldurchfluss ABER: Dominanz der Abflussprozesse ist skalen- und ereignisabhängig (Stauwasserkörper angeschnitten? Niederschlagsintensität? Wellenüberlagerung?) Sprunghafter Abflussanstieg wenn Bodenfeuchte nahe Sättigung ( Sättigungsflächenabfluss, schneller Zwischenabfluss) Einzelne Ereignisse sind nicht unbedingt repräsentativ für größere Hochwasser  Einrichtung kontinuierlich messender Pegel! 1 km²

5.2 Fazit zur Abschätzung von Außengebietszuflüssen Verfahren sollten anhand der vorliegenden Abflussmessungen für Kleineinzugsgebiete geprüft werden ( Abflussbeiwerte, Erstellung von Einheitsganglinien) Problem: nur wenige große Ereignisse Stärkere Integration der Saisonalität (Analyse getrennt für Sommer und Winter) Berücksichtigung der schneeschmelzbegründeten Vorfeuchte im Vorregenindex Alternativer Ansatz: Verwendung von Abflussprozesskarten (z.B. Bodenhydrologische Potentialkarte RLP) oder gebietsspezifischen Schlüsseln zur Herleitung des Abflussbeiwerts

Literatur zu den genannten Einzugsgebieten DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 (2008): Abflüsse aus Außengebieten der Kanalisation. Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe ES-2.6 „Abfluss- und Schmutzfrachtsimulation“. Korrespondenz Abwasser, Abfall, Nr. 8. Johst, M. (2011): Experimentelle und modellgestützte Untersuchungen zur Hochwasserentstehung im Nordpfälzer Bergland unter Verwendung eines neuartigen Spatial-TDR-Bodenfeuchtemessgeräts. Dissertation an der Universität Trier. Online-Publikation Universitätsbibliothek Trier. Müller, C. (2010): Hochwasserschutz in der Landwirtschaft – Validierung und Modellierung ausgewählter Maßnahmen. Trierer Bodenkundliche Schriften, Universität Trier. Schüler, G., Gellweiler, I. & Seeling, S. (Hrsg.) (2007): Dezentraler Wasserrückhalt in der Landschaft durch vorbeugende Maßnahmen der Waldwirtschaft der Landwirtschaft und im Siedlungswesen. Mitteilungen der Forschungsanstalt für Waldökologie und Frostwirtschaft Rheinland-Pfalz, Nr. 64/07. Seeling, S., Gellweiler, I., Hill, J. & Schüler, G. (Hrsg.) (2009): Wege zum dezentralen Hochwasserschutz. Trierer Geographische Studien, Heft 31. Symader W., Bierl R. & Gasparini F. (1999): Abflussereignisse, eine skalenabhängige, multiple Ant-wort von Einzugsgebieten auf Niederschläge. - Acta hydrochim. Hydrobiol., 27, 2, 87-93. Symader, W., Bierl, R., Gasparini, F. & Krein, A. (2002): Effective monitoring of small river basins. Sci. World. - Internetzeitschrift. (www.scientificworld.com)

Niederschlag und Scheiteldurchfluss Summe Intensität r = 0.5 r = -0.05 max. Nds-Intensität [mm/30 min] Nds-Summe [mm] Scheiteldurchfluss [l/s] Scheiteldurchfluss [l/s] * Ereignisse im Winterhalbjahr (Nov-April) Ereignisse im Sommerhalbjahr (Mai-Oktober) Korrelationskoeffizient r:

3.2 HHQ nach Sturmtief „Emma“ Bemerkung zu Gewitterereignissen