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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:hbz:385-6514
URL: http://ubt.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2011/651/


Experimentelle und modellgestützte Untersuchungen zur Hochwasserentstehung im Nordpfälzer Bergland unter Verwendung eines neuartigen Spatial-TDR-Bodenfeuchtemessgeräts

Experimental and model-assisted investigations on flood generation in the Northern-Palatinate Highlands using a novel Spatial-TDR soil moisture measurement system

Johst, Margret

pdf-Format:
Dokument 1.pdf (21.469 KB)

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SWD-Schlagwörter: Hochwasser , Bodenfeuchte , Time domain reflectometry , Abflussmessung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Einzugsgebietshydrologie, Frankelbach, Abflussbildung
Freie Schlagwörter (Englisch): Hillslope hydrology, flood, runoff generation, soil moisture, TDR
Institut: Geographie und Geowissenschaften
Fakultät: Fachbereich 6
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Casper, Markus C. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.07.2010
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 28.06.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die raumdifferenzierte und skalenübergreifende Untersuchung der Hochwasserentstehungsprozesse im Frankelbach-Einzugsgebiet, das ein Beispiel eines land- und forstwirtschaftlich genutzten Kleineinzugsgebiets in Mittelgebirgen der gemäßigten Breiten ist. Eine Kernaufgabe war die Quantifizierung der Beiträge einzelner Abflusskomponenten während des Scheiteldurchflusses eines Hochwassers. Zudem sollten Zusammenhänge zwischen der Bodenfeuchtedynamik und der Abflussreaktion herausgearbeitet werden. Zur Bodenfeuchtemessung wurde ein neu entwickeltes Spatial-TDR-Messsystem eingesetzt. Im Rahmen dieses pilothaften Einsatzes war zudem die Tauglichkeit des Messsystems zu überprüfen und zu bewerten.
Das im Rotliegenden gelegene 5 km2 große Frankelbachgebiet mit Jahresniederschlägen von 750 mm a-1, steil eingeschnittenen, bewaldeten Kerbtälern und ackerwirtschaftlich genutzten Hochflächen liegt zwischen 200 und 450 m ü. NN. Auf schuttführenden Sand- und Schlufflehmen, deren Genese auf periglaziale Solifluktionsprozesse zurückgeht, sind hangabwärts mächtiger werdende Braunerden zu finden. Bemerkenswert sind die zahlreichen Quellen auf gleicher Höhenlage, die teilweise als Pipequellen ausgebildet sind.
Beregnungs- und Infiltrationsversuche dienten der Beurteilung der Oberflächenabflussreaktion unterschiedlich bewirtschafteter Flächen. Durch stündliche Spatial-TDR-Messungen an 13 Standorten (60 cm lange vertikal installierte Dreistabsonden) konnten Hangwasserflüsse identifiziert werden. Zwischen 2005 und 2009 wurden die Abflüsse vier geschachtelter Einzugsgebiete sowie einer Quelle in 10min-Intervallen erfasst und 87 Hochwasserereignisse analysiert. Mittels Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und eines Zweikomponenten-Mischungsmodells wurde der Ereigniswasseranteil für die höchsten Hochwasser abgeschätzt. Ergänzend zu den Geländeexperimenten wurde ein einfaches Modell konzipiert, das eine quantitative Abschätzung der ober- und unterirdischen Wasserflüsse in einen Gewässereinschnitt erlaubt. Zum Vergleich mit 31 anderen Untersuchungsgebieten wurde eine Codierung entwickelt, die eine Einordnung sowohl hinsichtlich der Geofaktoren der Gebiete als auch bezüglich der untersuchten Hochwasserereignisse ermöglicht.
Das im hanghydrologischen Forschungsbereich als eher trocken einzuordnende Frankelbachgebiet, zeigte ein jahreszeitlich sehr unterschiedliches Abflussverhalten. Während in trockenen Sommern hohe Niederschläge im Gebiet gespeichert werden, liegen die Abflusskoeffizienten für einige schneeschmelzfreie Frühjahrsereignisse über 50 %. Das höchste beobachtete Hochwasser weist einen Abflusskoeffizient von 55 % bei einer relativ niedrigen Abflussspende von 140 l s-1 km-2 auf.
Die Großberegnungsversuche, die Quellabflussmessungen, die Ereignisanalysen und die Modellierungsergebnisse weisen darauf hin, dass Dauerregen- und Schneeschmelz-Hochwasser zum Großteil aus Zwischenabfluss bestehen. Hier konnten zwei Abflusskomponenten differenziert werden: (i) eine oberflächen- und gerinnenahe Komponenten, die aufgrund des hohen Ereigniswasseranteils von etwa 60 % durch präferentielles Fließen erklärt werden kann, und (ii) eine ein bis zwei Tage verzögerte tiefere Komponente, die durch unterirdische Abflusskonzentration auf stauenden Schichten generiert wird. Letztere war in den Quellabfluss- und Spatial-TDR-Messungen erkennbar, hatte jedoch an den am Pegel beobachteten Scheiteldurchflüssen nur einen sehr kleinen Anteil. Während sehr intensiver Niederschläge könnte zusätzlich der Horton'sche Oberflächenabfluss von offen liegenden, hydraulisch angeschlossenen Äckern zum Scheiteldurchfluss beitragen.
Für sämtliche Spatial-TDR-Messstandorte ist von hohen Infiltrations- und Sickerraten auszugehen. Eine Aufsättigung der Standorte war nicht erkennbar, für die nassen Wintermonate liegen jedoch nur sehr wenige Spatial-TDR-Messwerte vor. Eine in einer Tiefenlinie installierte Sonde (A08) zeigte das Umschalten des Gesamtgebiets in relativ nasse Zustände an. Hier nahm die Bodenfeuchte während zwei größerer Dauerregenereignisse infolge der unterirdischen Abflusskonzentration stark zu.
In der vorliegenden Arbeit wurden die einbau- und substratbedingten Unsicherheiten sowie die Schwächen des Algorithmus zur Rekonstruktion der absoluten Bodenfeuchtewerte konkretisiert. Demzufolge wurde lediglich das Spatial-TDR-Rohsignal als Indikator für die aktuelle Bodenfeuchte verwendet. Durch eine Transformation des Spatial-TDR-Signals von der Zeit auf den Sondenort können dennoch Aussagen zur relativen Änderung der Bodenfeuchte in einer bestimmten Tiefe gemacht werden können. Diese Informationen sind hinreichend genau für die Untersuchung hanghydrologischer Prozesse und für die Ableitung von Gebietsfeuchtezuständen.
Kurzfassung auf Englisch: The aim of this thesis was the investigation of the flood generation processes at different spatial scales in the Frankelbach basin (Northern-Palatinate Highlands, NW-Germany). The test site is an example of an agriculturally and silviculturally used basin in low mountain ranges of the temperate zone. One major task was to quantify the contribution of different runoff components to the peak discharge of flood events. A further important part was the identification of relations between the soil moisture dynamic and the runoff reaction. To capture the soil moisture an innovative Spatial-TDR-measurement system has been used. Thus, the efficiency of this measurement system should be evaluated within the scope of this thesis, too.
The Frankelbach basin of 5 km² size and an altitude of 200 to 450 m AMSL features deeply incised, v-shaped, forested valleys and agriculturally used plateaus. The annual precipitation is 750 mm\a. The geological basement (Rotliegend sediments) is covered by sandy and loamy debris layers that originate from periglacial solifluction. The thickness of the soils, mainly cambisols, increases downslope. Remarkably, numerous springs, that are partly large pipes, are situated at the same altitude.
To investigate the runoff generation processes at the plot-, the hillslope- and the subbasin-scale various field experiments have been conducted and hydro- and chemographs have been analysed. Sprinkling and infiltration experiments were used to evaluate the surface runoff reaction of plots with different landuse. By hourly Spatial-TDR-measurements at 13 sites (vertically installed three-rod probes of 60 cm length) lateral subsurface flow could be identified. Between 2005 and 2009 the runoff of four nested basins and of one spring was captured in 10min-intervalls and the event characteristics were analysed for 87 floods. Using data of electric conductivity and a two-component mixing model the fraction of event water was determined for the highest floods. Complementary to the field experiments, a rather simple model was build up that allows for a quantification of the surface and subsurface fluxes into an stream reach.
For the purpose of comparison with 31 other research basins a coding was developed that allows for an indexing of both the geological characteristics of a basin and the observed flood events. Accordingly, the Frankelbach basin is classified as rather dry within the field of hillslope hydrology research. However, it is assumed that the basin is very wet in spring and that the processes are similar to those in generally wet research basins.
The Frankelbach shows a seasonally very different runoff behaviour. While high precipitation is nearly totally stored in the basin in summer, the runoff coefficients of some winter floods without snowmelt are higher than 50 %. The highest observed peak flow features a runoff coefficient of 55 % but a rather low specific discharge of 140 l\(skm²).
The results of the larger sprinkling experiments, the spring runoff measurements, the event analysis and the modelling indicate that higher floods, resulting from long term precipitation or snowmelt, consist mainly of interflow. Here, two subsurface runoff components can be distinguished: (i) a preferential flow component (fraction of event water: 60 %), probably originating from the topsoil near the stream and (ii) a one to two days delayed deeper component that results from subsurface runoff concentration on impermeable layers. The latter is visible in the spring runoff and Spatial-TDR data. Additionally, during very intense precipitation, the Hortonian overland flow from bare and hydraulically connected fields might increase the peak flow.
At all Spatial-TDR sites the infiltration and percolation rates seem to be high. A saturation of the sites was not observed. However, for the wet winter months very little Spatial-TDR data exists. One probe that is installed in a thalweg indicates the switch of the entire basin from dry to wet states. Here, during two long term rainfall events the soil moisture increases strongly due to the subsurface runoff concentration.
The advantages of the Spatial-TDR-measurement system are the nearly undisturbing installation, the possibility to connect up to 40 probes to one TDR-pulse-generator, the continuous and frequent measurements down to 60 cm depth and the fast reconstruction of the soil moisture. However, besides the uncertainties related to the probe installation and the soil heterogeneity, the inverse reconstruction of the soil moisture is error prone at certain circumstances. Thus, in this thesis only the raw signal of the Spatial-TDR-measurement was used as soil moisture indicator. By transforming this signal from time to space information on relative changes of the soil moisture are achievable that are sufficiently accurate for the investigation of hillslope flow processes and for the derivation of the basin's moisture state.

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