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Um zu wissen, ab welcher Niederschlagsmenge ein Bachlauf ausufert, müssen aus den Niederschlagswerten die Abflussmengen abgeleitet werden. Gleiche Niederschlagsmengen können dabei eine erheblich unterschiedliche Abflusscharakteristik zur Folge haben (Schlenkhoff und Oertel, 2009). Der Prozess, bei dem aus Niederschlag der Abfluss entsteht, wird als Abflussbildung bezeichnet.

Schema der Abflussbilanz - Abflussbildung ist ein Teil eines komplexen Systems. Diese Prozesse können mit Fachsoftware abgebildet werden. (Quelle: www.lfu.bayern.de)

Die Abflussbildung setzt sich aus verschiedenen hydrologischen Prozessen zusammen, die sich auf der Landfläche abspielen: Interzeption (Zurückhalten auf der Oberfläche, in der Vegetation etc.), Verdunstung, Infiltration (Eindringen in den Boden), Schneeschmelze und Speicherung. Zum Abfluss wird der Anteil an Niederschlagswasser, welcher weder verdunstet, noch von der Vegetation zurückgehalten oder vom Boden aufgenommen wird. Dabei können geomorphologische, klimatische und anthropogene Faktoren die Abflussbildung in dessen zeitlicher Intensitätsverteilung beeinflussen.

Diesen Zusammenhang kann man empirisch bestimmen oder mithilfe von Abflussmodellen beschreiben. Als Ergebnis solcher Modellierung erhält man die Abflusshöhe, die bei entsprechender Niederschlagsintensität zu erwarten ist. Solcher Zusammenhang kann sowohl aus physikalischen Zusammenhängen durch ein Modell beschrieben (deterministischer Ansatz) oder durch eine statistische Auswertung (stochastischer Ansatz) gewonnen werden.

stochastische Modelle für Abflussbildung

Bei stochastischen Modellen wird unmittelbar aus Niederschlagsdaten der Abfluss abgeleitet. Dafür werden auf der Grundlage historischer Ereignisse die Wahrscheinlichkeitsverteilungen gebildet. Wenzel (2004) stellt fest, dass bei einem Einzugsgebiet von unter 15 km2 stochastische Abflussmodelle mit hohen Unsicherheiten verbunden sind und der DVWK (1982) führt an, dass stochastische Modelle sich allgemein nicht zur Darstellung der hydrologischen Vorgänge in kleinen Einzugsgebieten eignen.

Deterministische hydrologische Modelle

Deterministische hydrologische Modelle stellen eine mathematische Korrelation zwischen der Abflussmenge und den zugehörigen Einflussparameter dar. Sind diese Parameter bekannt, spricht man von einem detaillierten Modell, wobei wie auch bei Klimamodellen, nur ein repräsentativer Ausschnitt realer Prozessen modelliert wird, ohne das System selbst abzubilden (Ostrowski u. a., 2011).

Abflussbildung im Wald - ein Teil des Wasserkreilaufes

Bei der Modellierung des Abflusses aus Niederschlag gibt es eine Vielzahl von Einflussfaktoren, die die Abflussmenge bestimmen. Darunter maßgebend sind Bodenparameter (z. B. Bodenfeuchtigkeit und Wasserkapazität des Bodens, Infiltrationskapazität des Bodens, Bodenpermeabilität, vertikales Bodenprofil), Eigenschaften des Einzugsgebiets (z. B. Größe und Form, Steigung, Rauheit der Oberflächen, Stromdichte, Flächennutzung) und weitere Faktoren wie zum Beispiel die Jahreszeit. In der Praxis können nicht alle Parameter in einem Modell vollständig berücksichtigt werden, sodass nur bestimmte maßgebende Einflussgrößen abgebildet werden. Wenn ein Niederschlag-Abfluss-Modell für das Einzugsgebiet erstellt ist, kann die Verbindung zwischen dem Niederschlag und dem Abfluss für die Bewertung der Gefahr und der möglichen Ausuferungen verwendet werden.

Ein bekanntes Software in Deutschland dafür ist z.B. NASIM:

Charakteristik der Starkregenüberflutungen

Ähnlich wie beim Begriff Starkniederschlag werden auch unter dem Begriff Starkregenüberflutung mehrere Phänomene verbunden. Scene (2013) unterscheidet Überschwemmungen, die durch Starkniederschläge verursacht werden nach der Ursache in vier Kategorien:

Das Gemeinsame bei allen Formen der Überflutungen aus Starkniederschlägen für diese Kategorien formuliert Scene (2013) wie folgt:

Im urbanen Raum sind zwei Überflutungsmuster aus Starkniederschlägen besonders deutlich, die sich vor allem in ihrer Strömungs- und Abfluss-Charakteristik unterschieden (Castro et al., 2008).

Das eine Muster ist eine Folge von großen Niederschlagsmengen in relativ langen Zeiträumen, häufig auch als Platzregen bezeichnet, die zum plötzlichen Ausufern der Bachläufe führen. Nachdem die Bodensättigung erreicht ist, erhöht sich die Intensität der Abflussbildung. Abhängig von der Bemessung, kann die städtische Infrastruktur bzw. das Kanalnetz auch große Niederschlagsmengen über lange Zeit bei mäßiger Intensität effizient abtransportieren. Kleine Flüsse und Bäche haben allerdings eine geringe Aufnahmekapazität, bis sie ausufern. In solchen Fällen ist ein Monitoring der Bachläufe ein Weg, um eine (Vor-) Warnung zu ermöglichen.

Von anderer Art sind kurze und sehr intensive Regenereignisse, die in einem kleinen Einzugsgebiet zu starken, schnell abfließenden Wasserströmen führen können. Häufig wird dieses Phänomen als Sturzflut bezeichnet, wobei auch dieser Begriff mit etwas unterschiedlichen Bedeutungen belegt wird. Im deutschsprachigen Raum bezieht sich der Begriff Sturzflut auf kleinste Einzugsgebiete von 10 bis etwa 100 km2, während im englischen Sprachraum auch schnell abfließende Hochwässer in Gewässern wie z. B. der Wupper noch als „Flash Flood“ bezeichnet werden (Schlenkhoff und Oertel, 2009). Bei solchen Ereignissen entsteht der Schaden meistens durch die Überschreitung der Kanalnetzkapazitäten. Verschlimmert wird dieser Effekt dadurch, dass solche Abflüsse, vor allem bei Regenereignissen im Hügelland bzw. Mittelgebirge, eine hohe zerstörerische Kraft und hohe Transportkapazität haben, wodurch die Durchlässe durch Fremdkörper und Treibgut verstopft werden. So führte im Jahr 2011 in Königswinter eine von dem Abfluss mitgenommene Mülltonne dazu, dass ein sonst unauffälliger Bachdurchlass sich verstopfte und ein Gewerbegebiet überflutete (Groß, 2017). Solche Einzelfälle sind nicht vorhersagbar, der Schaden aus solchen Ereignissen kann aber durch Vorsorge gemindert werden. Im Fall von Königswinter wurde an der betroffenen Stelle ein trapezförmiger Rechen installiert, sodass das Treibgut beim Anströmen auf dem Gitter aufschwimmt, statt den Rechen zu blockieren.

Abfluss Königswinter, Starkregen 2013, Trapezförmiger Rechen
Bacheinlauf an der Kreuzung Bahnhofstraße und Winzerstraße in Königswinter. Vor 2013 (links) und nach dem Starkregen im Jahr 2013 (mittig). Grund des Versagens war die Verstopfung des Rechens durch eine Mülltonne. Um das zukünftig zu verhindern, wurde ein trapezförmiger Rechen installiert (rechts) (Krämer et al., 2015).

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Verwendete Quellen:

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