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Wasserwirtschaft

Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von hochwasserrelevanten Flächen

18/2006

Bestimmungsschlüssel zur Identifikation von hochwasserrelevanten Flächen

Redaktion

Dr. Andreas Meuser Norbert Demuth

Autor

Dr. Simon Scherrer, Scherrer AG, Hydrologie und Hochwasserschutz, Stockackerstraße 25, CH-4153 Reinach

Bericht 18/2006 Mainz, November 2006

Impressum

Herausgeber: Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz (LUWG) Amtsgerichtsplatz 1 55276 Oppenheim

Titelbild: OberflächenabflussaufeinemWaldwegimPfälzerWald Dr. Ulrich Steinrücken, SOILUTION GbR 2004

Herstellung: LUWG

Auflage: 75Exemplare

© November 2006 Nachdruck und Wiedergabe nur mit Genehmigung des Herausgebers

Inhalt

Zusammenfassung 1

1 Einleitung 3

1.1 Ausgangslage 3

1.2 ZieleundAufbaudesBestimmungsschlüssels 4

2 Grundlagen zu den Abflussprozessen 5

2.1 Einleitung 5

2.2 Oberflächenabflussprozesse(OverlandFlow) 5HortonscheAbflussprozesse(HOF)1 5SaturatedOverlandFlowundReturnFlow(SOFundRF) 7

2.3 FließprozesseimBoden(SubsurfaceflowSSF) 7

2.4 IntensitätderProzesse 8

2.5 GegenseitigeBeeinflussungderAbflussprozesse 9

3 Vorgehensweise bei der Beurteilung von Flächen nach Abflussprozessen 10

3.1 Einleitung 10

3.2 Vorerkundung 103.2.1 ZusammentragenvonGrundlagendatenundHilfsmittel 103:2:2 GeländebegehungundAuswertungvonGrundlagenalsBestandteil

derVorerkundung 133.3 DetaillierteGeländeuntersuchungen 16

3.3.1 PlanungundDurchführungvonspezifischenFelduntersuchungen 163.4 ÜbertragungaufFläche(Punkt–Hang–Einzugsgebiet) 17

3.5 PlausibilisierungdesErgebnisses 18

4 Bestimmungsschlüssel zur Identifikation hochwasserrelevanter Flächen 19

4.1 Einleitung 19

4.2 Prozessbeurteilungs-Schemata(PBS) 194.2.1 Einleitung 194.2.2 PBSfürWiesenundWeiden 204.2.3 PBSfürAcker 304.2.4 PBSfürWald 30

4.3 DieKriterienderProzessbeurteilungundihreHerleitungamStandort 304.3.1 Einleitung 304.3.2 Vegetations-DeckungsgraddesBodens 304.3.3 VerschlämmungsneigungdesBodens 314.3.4 Hydrophobizität 324.3.5 Oberflächenrauigkeit 334.3.6 MakroporositätamBeispielvonWurmröhren 334.3.7 Packungsdichte(Dichteresp.VerdichtungderMatrix) 384.3.8 Matrixdurchlässigkeit 394.3.9 LateraleFließwege 404.3.10 Hydromorphie17 424.3.11 Geologie 42

5 Zusatzuntersuchungen im Feld zur Verifikation der hergeleiteten Prozesse 44

5.1 Einleitung 44

5.2 VersuchemitDoppelringinfiltrometer 44

5.3 VersuchemitKleinberegnungsanlage 44

5.4 EinsatzvonTracernbeiInfiltrometer-undKleinberegnungsversuchen 46

5.5 TracerversucheanHängen 47

6 Beispiele der Prozessbeurteilung auf verschiedenen Raum-Skalen 48

6.1 Einleitung 48

6.2 DieProzessbeurteilungamStandort 486.2.1 UnterlagenzurErhebung 48

6.3 DieProzesseamHangundimEinzugsgebietdesIdarbaches‚(Allenbach-Idaroberstein) 626.3.1 Einleitung 626.3.2 Prozess-Catena 626.3.3 AbflussprozesskartedesIdarbach-Einzugsgebiets 62

7 Literatur 67

Anhang 78

Anhang 1: Grundlagen zu den Abflussprozessen auf verschiedener Landnutzung 81

A: AckerbaulichgenutzteFlächen 81

B: Weinberg 82

C: Grünland 83

D AbflussprozesseimWald 84

Anhang 2: Weitergehende Untersuchungen zur Vorerkundung (Sauer & Harrach, 2002) 86

Vernässungsgrad 86

ZeigerpflanzenaufGründland 86

Nutzungsgrenzen 88

BefragungortskundigerPersonen 88

OptimalerZeitpunktderGeländebegehung 88

Anhang 3: Abflussreaktionskurven 90

Anhang 4: Fotodokumentation 91

Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte (Harrach&Sauer 2002, Kap. 4) 98

ErfassungvonGefügemerkmalen 98

FürdieBestimmungderPackungsdichtewichtigeGefügemerkmale 101

AbleitenderPackungsdichteausGefüge-undDurchwurzelungsmerkmalen 107

Anhang 6: Verschiedene Formulare zur Erfassung hochwasserrelevanter Kriterien 110

Vorwort

InnahezuallenGemeindechronikenundStadtgeschichtenfindensichBeispieleextremerHoch-wasserereignisse. Dies zeigt, mit Hochwasser ist überall und jederzeit zu rechnen. Wie die Historie aberauchzeigt,kommtinderFolgeeinesEreignissessofortdieDiskussionauf,wiedieseHochwas-serentstandensindundvonwelchenFlächenimEinzugsgebietbesondersvielAbflussstammt.DiescheinbareinfachenFragen,wievielWasserinfiltriert,wievielWasserhältderBodenzurückundwievielWasserfließtsofortab,sinddabeifürdieHochwasserentwicklungentscheidend.Nachwievoristesaberschwierig,verlässlicheAussagenhierüberzutreffen,umdaraufaufbauendwirksameMaßnahmen abzuleiten.

Zur Versachlichung der Diskussion bedarf es eingehender hydrologischer Kenntnisse der Hochwas-serentstehungvorOrt.DiesgiltinallenMaßstabsebenen,vonkleinenbishinzukomplexen,groß-enEinzugsgebieten.UmhiereineLückezuschließenwurdeimAuftragderWasserwirtschaftsver-waltungRheinland-Pfalzein„BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen“inkleinenEinzugsgebietenentwickelt.MitHilfegeologischerundbodenkundlicherInfor-mationenundgestütztaufUntersuchungenimGeländekönnenEinzugsgebieteinTeilflächenun-terschiedlicher Reaktionsweisen gegliedert werden. Basierend auf diesen Kenntnissen lassen sich EntstehungsweiseundGrößevonHochwasserbessererklären.DieseräumlichdifferenziertenInfor-mationenüberdiedominantenAbflussprozesseerlaubeneinerealistischeEinschätzungderAbflüsseausextremenNiederschlägen.

Im Rahmen eines Interreg III B Projektes WaReLa (Water Retention by Land Use) wurde das Ver-fahreninmehrerenkleinenEinzugsgebietenerfolgreichgetestet.DerAufwandderartigerUnter-suchungenlässtsichjedochhäufignurfürkleineGebieteundkonkreteProjekterechtfertigen.Fürmeso-skalige Betrachtungen kommen vereinfachte Verfahren auf Grundlage vorhandener digitaler Daten(Boden,Reliefetc.)zurAnwendung.AberauchdafürwerdendieErgebnisseregionalerDe-tailkartierungennachderhiervorgestelltenMethodikzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlä-chenbenötigt.DieseflächenhaftenInformationenüberdiedominantenAbflussprozessewerdendieGrundlagenfürdiehydrologischeModellierunginHinblickaufdieBewertungvonextremenNie-derschlag-Abfluss-EreignisseninkomplexenEinzugsgebietendeutlichverbessern.EntsprechendeArbeiten hierzu sind im Gange.

Mainz, Oktober 2006

Sven Lüthje

Abteilung Wasserwirtschaft

BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 1

LandesamtfürUmwelt,WasserwirtschaftundGewerbeaufsichtRheinland-Pfalz

18/200615/2006

Zusammenfassung

BeiStarkregentragenFlächenjenachihremAufbau(Landnutzung,Geologie,Böden,Relief)un-terschiedlichstarkzumAbflussunddamitzumHochwasserbei.Aufun-odergeringdurchlässigenFlächenbeispielsweiseentstehtsofortoderleichtverzögertAbfluss,währendaufFlächenmitdurch-lässigenundtiefgründigenBödenvielWasserinfiltriertundzurückgehaltenwerdenkann.DasZu-sammenspielderAbflussreaktionvonTeilflächenunterschiedlicherAbflussbereitschaftentscheidetschliesslich,wievielWasserabfließtundwiegroßdieHochwasserwerden.Zubeurteilen,wiestarkdieAbflussreaktioneiner(Einzugsgebiets-)Teilflächeist,setztdieKenntnisseüberdiebeiHoch-wasserablaufendenAbflussprozessevoraus.DieseKenntnisseermöglichenzuentscheiden,obeineFlächehochwasserrelevantist–alsostarkzumHochwasserbeiträgt–odernicht.Dervorliegende“BestimmungsschlüsselzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächen”legtein“Rezept”vor,wiesolcheFlächenzuermittelnsind.

ImKapitel2werdendieGrundlagenderAbflussprozessebereitgestellt.DerAblaufbeiderIdentifi-kationhochwasserrelevanterFlächenwirdimKapitel 3 aufgezeigt. Damit entschieden werden kann, obeineFlächeimHochwasserfallrelevantistodernicht,müssenKenntnisseüberdiedominantenAbflussprozessedurchAuswertungvonvorhandenenGrundlagenundmittelsFelduntersuchungengesammelt und erarbeitet werden. Die Vorgehensweise sieht das Zusammentragen von Grundla-gendaten,eineVorerkundungmiterstenGeländeuntersuchungenundeinedetaillierteStandortun-tersuchungvor.DieStandortuntersuchungenbefassensichhauptsächlichmitdenBödenundalsResultatwirdeindominanterAbflussprozesseermittelt.EinVorschlagfürdieÜbertragungdieserStandortuntersuchungenaufHängeundschliesslichaufganzeEinzugsgebiete(Up-Scaling)wirddis-kutiert.EswerdenTipsgegeben,woraufsichdieAbgrenzungderProzessflächenstützensollte.DieidentifiziertenAbflussprozessemüssenamEndeeinerPlausibilisierungunterzogenwerden.Eswer-denVorschlägeunterbreitet,wiedieProzessbeurteilunggeprüftundverifiziertwerdenkann.

Der Bestimmungsschlüssel wird im Kapitel 4 im Detail vorgestellt. Im Zentrum stehen die Pro-zessbeurteilungsschemata(PBS).AlsEntscheidungsbaumaufgebaut,beinhaltensiedieProzesskri-terien(key-points),welchedieAbflussprozessemaßgebendbeeinflussen.DieeinzelnenKriterienwerden im Kapitel4.3detailliertaufgeführtundVorschlägefürderenBeurteilunggegeben.DieBe-antwortung dieser Kriterien im PBS führt schliesslich zu dem an diesem Standort dominanten Ab-flussprozess.Damitlässtsichbeurteilen,obeineFlächehochwasserrelevantistodernicht.Zusatz-untersuchungen (Kapitel5)erlaubenes,bestimmteProzessezuverifizieren.ImKapitel6wirddieProzessbeurteilungaufverschiedenenräumlichenSkalengezeigt(ProzessbeurteilungamStandort,aneinerHangsequenzundineinemganzenEinzugsgebiet).

Der vorliegende Bestimmungsschlüssel versteht sich als Diskussionsgrundlage. Die praktische An-wendungwirdzeigen,woErgänzungennötigundVereinfachungeninderVorgehensweisemöglichsind.


� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006

0 Summary

Intensefieldstudiesonrunoffprocesseshavebeenperformedtoimprovetheknowledgeonfloodformation.Themeasurementsofoverland,subsurfaceflowandsoilwaterchangesduringsprinklerexperimentsyieldedgoodinformationtoidentifythedominantrunoffprocesses.Certainkey-pointscould be recognised, which play a cardinal role in runoff formation. The combination of such key-pointsservedtoexplaintherunoffphenomenaobservedontheinvestigationsites.Thisknowledgeprovidedthebackgroundtodevelopageneralusableguide-linetodefinefloodcontributingareasandfinallytoestimatefloodpeakflows.Thecentralpartofthisprocedureconsistsofaprocessdecisionscheme to indicate the dominant runoff process on plot scale. With additional effort such informati-on can be used to obtain a process map of entire catchments.

Chapter 1 gives insight into the goal and motivation for this guideline. A short introduction on runoff processes is given in chapter 2 and chapter 3 shows the procedure how to collect the necessary infor-mation on dominant runoff processes in a catchment. Details of the procedure are given in chapter 4. It’s shown how the different key-points have to be evaluated. Then a set of additional hydrological experimentsareshown,whichcanbeusedtoimprovetheevaluation(chapt.5).Inchapter6examp-lesofprocessidentificationsondifferentscalearegiven.

First applications of the guideline performed in micro- and meso-scale catchments in Rhineland-Pa-latinate(Germany)confirmedthesuitabilityofthistoolforpracticaluse.Thisguidelineforprocessidentificationcanbeconsideredasaproposalwhichmaybediscussed.



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1 Einleitung

1.1 Ausgangslage

Nach einem großen Hochwasserereignis kommt oft die Diskussion auf, wie ist dieses Hochwasser entstandenundvonwelchenFlächenimEinzugsgebietstammtebesondersvielAbfluss.DieseFra-gestelltsichineineretwasanderenFormauchbeiHochwasserabschätzungenfürdiePlanungvonHochwasserschutzmaßnahmen.DiescheinbareinfachenFragen,wievielWasserinfiltriert,wievielWasserhältderBodenzurückundwievielWasserfließtsofortab,sinddabeientscheidend.

NachwievoristdieVoraussage,wievielAbflussaufEinzugsgebietsflächenimStarkregenfallentsteht,schwierig.Dervorliegende„BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasser-relevantenFlächen“sollmithelfen,FlächenunterschiedlicherAbflussbereitschaftmitgeeignetenUntersuchungen zu erkennen. Damit sollen ein Beitrag zur Versachlichung der Diskussion über Hochwasserentstehung geleistet und die Grundlagen für die Planung von Hochwasserschutzmaßnah-men verbessert werden.

UmfangreicheForschungsarbeitenimThemenbereichAbflussprozessewurdenindenletztenJahrengeleistet(PESCHKEETAL.,2000;FAEH,1997;SCHERRER,1997;IHW,2000;LEIBUNDGUTUNDUHLENBROOK,1997).WenigeAutorenhabenbisherversucht(PESCHKEETAL.,2000,LÖHMANNSRÖBEN,2000;BOORMANATAL.,1995,IHW,2000)vonverfügbarenInformati-onenaufeinefundierteAussageüberdieAbflussprozesseresp.dieAbflussreaktionzugelangen.DieArbeitenvonBOORMANATAL.,1995(HydrologyofSoilTypes)oderERNSTBERGER,2000undCARSON, 2000 zeigen deutlich, wie schwierig es ist, von bodenkundlichen Informationen (Boden-geneseresp.Bodenfruchtbarkeit)aufhydrologischeresp.abflussrelevanteAussagenzugelangen.

Der hier entwickelte Bestimmungsschlüssel baut auf den umfangreichen Untersuchungen des In-stitutsfürHydromechanikundWasserwirtschaft(IHW)derEidgenössischenTechnischenHoch-schuleZürichauf.DarunterwurdeneineVielzahlvonEinzugsgebietennachihrerAbflussreaktionkartiert(z.B.NAEFETAL.,1999),soauchdreiEinzugsgebieteinRheinland-Pfalz(IdarbachbeiAllenbach,Sulzbach/Sulzhof,KatzenbachbeiSt.Katharinen/BadKreuznach;IHW,2000).MitdemvorliegendenBerichtwirdversucht,dieverfügbarenErkenntnisseüberAbflussprozessezusammen-zufassenundHilfsmittelfürdieBeurteilungvonFlächenhinsichtlichAbflussprozesseundAbfluss-reaktion bereitzustellen.

Im zweiten Kapitel dieses Berichts werden in Anlehnung an IHW, 2000 die Grundlagen zu den Ab-flussprozessendargelegt.ImdrittenKapitelwerdendieArbeitsschrittebeiderAnwendungdesBe-stimmungsschlüsselsaufgeführt.Eswirdgezeigt,welcheHinweiseaufAbflussprozesseausGrund-lagenundeinererstenFeldbegehunggezogenwerdenkönnen.DenKernderArbeitbildetdasvierteKapitel, in dem die Prozess-Beurteilungsschemata (PBS) für intensive und weniger intensive Nie-derschlägedargestelltunddieeinzelnenKriterien(key-points)behandeltwerden.UmeineobjektiveBeurteilungderKriterienzugewährleisten,werdendortmethodischeHilfenaufgezeigtunddisku-tiert.ZusatzuntersuchungenzurVerifikationderProzessewerdenimKapitel5aufgeführtundihreAussagekraftdiskutiert.BeispielederProzessbeurteilungamStandortundganzerEinzugsgebietewerdenimsechstenKapitelpräsentiert.


4 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006

1.2 ZieleundAufbaudesBestimmungsschlüssels

DerLeitfadendientderErmittlungmaßgebenderAbflussprozesse(hochwasserrelevanterFlächen)inEinzugsgebieten.Damitlässtsicherkennen,welcheFlächenineinemEinzugsgebietstärkerzumAbflussbeitragenundwelcheweniger.DieseKenntnisseerlaubenaucheineBeurteilungderAbfluss-bereitschaftvonEinzugsgebietenalsGrundlagefürHochwasserabschätzungen.ZudemlässtsichsodieWirkungvonLandnutzungsänderungenaufHochwasserschutzabflüsse(VerbesserungdesGe-bietsrückhalts,sieheNAEFETAL.,2002)einschätzen.

EinezentraleRolleimBestimmungsschlüsselspielendieProzessbeurteilungsschemata(PBS).Die-seerlauben,diejenachBodenaufbau,unterschiedlichenAbflussprozessenzuermitteln.DieaufdieNutzungsartenWiese/Weide,AckerlandundRebhängeausgelegtenPBSsindalsEntscheidungs-bäumeaufgebaut,wobeidiewichtigenBoden-oderGeländemerkmale(Prozesskriterienoder„key-points“)dieBausteinebilden.BeiderAnwendungderSchematabestehtdieAufgabedarin,zuent-scheiden, welche Kriterien erfüllt sind. Grundlagen dazu sind Feldarbeiten mit dem Schwergewicht aufbodenkundlichenFeldaufnahmen.MitzusätzlichenhydrologischenFelduntersuchungen(z.B.Infiltrometer-undKleinberegnungsversuchemitundohneFarb-Tracer)lässtsichdieBeurteilungüberprüfen.

DiesesVorgehenerlaubtzubeurteilen,wieAbflussentstehtundobeineFlächebeiStarkniederschlä-gensofort,leichtverzögert,starkverzögertodersehrstarkverzögertzumAbflussbeiträgt,d.h.inwelchemMaßsiehochwasserrelevantist.ZurQuantifizierungdertatsächlichbeiHochwasserauf-tretendenAbflüssesindallerdingsweitereArbeitennotwendig.DieUmsetzungdieserräumlichdif-ferenziertenInformationüberdieAbflussbildungineineAbflussreaktioneinesganzenGebietskannmitHilfeeinesNiederschlag-Abflussmodellserfolgen.InIHW,2000undNAEFETAL.(2002)wur-denfürdreiEinzugsgebieteinRheinland-PfalzAbflussberechnungenaufderBasisderhochwas-serrelevantenFlächenangestellt.



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2 GrundlagenzudenAbflussprozessen

2.1 Einleitung

AbflusskannaufverschiedeneArtenentstehen.ImfolgendenwerdendiewichtigstenProzesseauf-geführt,dieinnatürlichenEinzugsgebietenzuAbflussführen.DieseProzessesindinAbbildung2/1an einem Hang dargestellt. Dabei werden die englischen den deutschen Begriffen vorgezogen, da z.T. adäquatedeutscheÜbersetzungenfehlen.DieGrundlagenzudenAbflussprozessenwurdedemBe-richt(IHW,2000resp.SCHERRER,1997)entnommenundstellenweiseergänztundaufdieheutigeTerminologie angepasst.

DerInfiltrationsprozessistfürdieArtdesAbflussesentscheidend.KannnurwenigWasserindenBodeninfiltrieren,werdenOberflächenabflussprozesseinGanggesetzt.DringtWasserindenBodenein,kannesvorübergehendimBodenoderlängerfristigimGrundwassergespeichertwerdenoderaberrelativschnellalsunterirdischerAbflussprozesszumAbflussbeitragen.

2.2 Oberflächenabflussprozesse(OverlandFlow)

Hortonsche Abflussprozesse (HOF)1

Horton(1933)gingdavonaus,dassOberflächenabflussentsteht,wenndieNiederschlagsintensitätdiemomentaneInfiltrationsratedesBodensübersteigt(InfiltrationExcessOverlandFlow).DiesistvorallembeiundurchlässigenoderschwachdurchlässigenBödenderFall.HierwerdeninderFolgeso-fortiger(HOF1)undverzögerter(HOF2)HortonischerOberflächenabflussunterschieden.

Absolute Hortonian (HOF1) und Delayed Hortonian Overland Flow (HOF2)

WenndieNiederschlagsintensitäthochundderBodenwenigdurchlässigist,kannbereitskurznachNiederschlagsbeginnkaummehrWasserindenBodeninfiltrieren,undesbildetsichOberflächenab-fluss,deralsAbsoluteHortonianOverlandFlow(HOF1)bezeichnetwird.

WenndieNiederschlagsintensitätgeringeroderderBodendurchlässigerist,sokannderBodenvor-erstsämtlichesWasseraufnehmen.AufgrundderzunehmendenBefeuchtungdesBodensnimmtdieInfiltrationsratejedochab,undesentstehtzeitlichverzögerterOberflächenabfluss,deralsDelayedHortonianOverlandFlow(HOF2)bezeichnetwird(Bergsma,1983).

Temporary Hortonian Overland Flow (THOF)

Oberflächenabfluss,deraufgrundzeitweiligerInfiltrationshemmnisseimOberbodenentsteht,wirdalsTemporaryHortonianOverlandFlowbezeichnet.InfiltrationshemmnissekönnenbeistarkerAus-trocknung durch den Benetzungswiderstand der Bodenpartikel oder durch chemische Substanzen in hydrophobenHumusformenentstehen(Burchetal.,1989;Holzhey,1969;Doerretal.,2000).

Abbildung2/1:Abflussprozesse(nächsteSeite)

Fußnoten finden Sie im Anschluß an den Text auf Seite 84 ff



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Abb. 2/1: Abflussprozesse an einem Hang (SCHERRER, 1997).



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Saturated Overland Flow und Return Flow (SOF und RF)

Saturated Overland Flow (SOF), Gesättigter Oberflächenabfluss

DieseFormdesAbflussesentsteht,wennnachSättigungdesBodenprofilsdessenSpeicherkapazitäterschöpftist.Böden,dieraschgesättigtsind,lösenSOF1aus,BödenmitgrößeremSättigungsdefi-zitSOF2oderSOF3.JedeweitereWasserzugabefließtunabhängigvonderNiederschlagsintensitätoberflächlichab(KirkbyundChorley,1967).

Return Flow (RF)

IndenBodeninfiltriertesWasser,dasnacheinerkurzenFließstreckewiederanderOberflächeer-scheint,wirdalsReturnFlowbezeichnet(DunneundBlack,1970).DasWasserkannkonzentriertausbevorzugtenFließwegenwiePipesoderMakroporenaustreten,oderdiffusalsFolgevonGefälle-wechseln im Hang oder als Folge des Ausstreichens von Verdichtungshorizonten.

2.3 FließprozesseimBoden(SubsurfaceflowSSF)

DurchdringtdasNiederschlagswasserdieOberflächenschichtunddringtesindenBodenein,sokanndasWasserinderBodenmatrixgespeichertwerden,oderessickertbiszueinemallfälligvor-handenenGrundwasserkörper.DasWasserbewegtsichentwederkapillarindenPorenderBoden-matrix(Mikro-oderFeinporen(d<0.2µm)undMeso-oderMittelporen(d=0.2-10µm)odernicht-kapillaringrößerenMakroporen(Grobporen).BödenbestehenausverschiedenenHorizontenvonunterschiedlicherDurchlässigkeit.SokannineinemgutdurchlässigenBodenhorizont,derübereinerwenigerdurchlässigenodergarundurchlässigenSchichtliegt,lateralerAbflussentstehen.

ImFolgendenwerdensechsverschiedeneFormendesWasserflussesimBodenunterschieden.

Matrix Flow, Matrixfluss

BeimMatrixFlowbewegtsichdasWasserdurchdieMikro-undMesoporenderBodenmatrix,be-einflusstdurchdieherrschendenDruckunterschiedeundderKapillarspannung.DieGeschwindig-keitderWasserbewegunghängtvonderlokalenDurchlässigkeitdesBodensab,dievonKörnung,PorositätundvomlokalenPotentialgradientbestimmtwird.

Macropore Flow, Fluss durch Makroporen

DerMacroporeFlowunterliegtnurderSchwerkraftundkannvertikal(InfiltrationoderTiefensicke-rung)oderlateralerfolgen.MakroporenentstehendurchWurzelgänge,AktivitätvonBodentieren(Regenwürmer,Ameisen,Mäuse,Maulwürfeetc.),SchrumpfrisseundKlüfteinfolgephysikalischerProzesse(Austrocknung,Verwitterung,Frost,etc.).DerEinflussvonNiederschlagsintensität,Vor-feuchtederBodenmatrixundWasseraustauschzwischenMakroporenundumliegenderBodenma-trixsindGegenstandintensiverForschungen.Sicheristjedoch,dassdieMakroporen,obwohlsienur0.2bis5%desGesamtbodenvolumensausmachen,aufgrundihrerhohenhydraulischenLeitfähigkeitundderAusbildungvonBypassFlowinkurzerZeitbedeutendeWassermengentransportierenkön-nen.IndenMakroporen(d=0.01-10mm)könnenFließgeschwindigkeitenbiszu2cms-1auftreten(Mosley,1982).DieGeschwindigkeitenhängenvomAufbauderBöden,ihrerFeuchteundderBe-schaffenheit der Makroporen (Durchmesser, Topologie sowie Interaktion mit der umgebenden Ma-

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Abb. 2/1: Abflussprozesse an einem Hang (SCHERRER, 1997).



trix)ab.DerFlussindenMakroporenkannimGegensatzzumkapillarenFließeninderBodenmatrixbedeutendzurAbflussspitzeinVorfluternbeitragen(Wilsonetal.,1990;Mosley,1979),daschnelleunterirdischeAbflussprozesseinduziertwerdenkönnen.Makroporenkönnenaberauchhochwas-serverminderndwirken,wenndurchdieMakroporendieInfiltrationerhöhtwirdunddasWasserimBoden oder im geologischen Untergrunde gespeichert werden kann.

Pipe Flow, Fluss durch Bodenröhren

KonzentrierterlateralerAbflussimBodenkanninnatürlichentstandenenPipes(Röhren,d>10mm)erfolgen.DieEntstehungsolcherHohlräumegehtaufFeinmaterial-Auswaschungen,aufabgestor-beneundverwesteWurzelnsowieaufvonBodentieren(z.B.Mäusen)verursachteHohlräumezu-rück.EineklareGrenzezwischenMakroporenundPipesgibtesnicht;oftwerdenPipesauchzudenMakroporengezählt.WasserflüsseinPipesentstehen,wiebeiMakroporen,wennderNiederschlags-inputgrößeralsdieVerlusteandieMatrixist.ObPipeFlowauftritt,hängtauchvonFeuchteundDurchlässigkeitderumgebendenMatrixab.OfttrittdasWasseralsoausPipesanUnterhängen,Ge-fälleknickenundStellen,woeinWechselderBodeneigenschaftenauftritt,wiederandieOberfläche.DieseErscheinungwirdReturnFlowgenannt.

Flow in Highly Permeable Layers, Fluss in hoch durchlässigen Schichten

ÜberFelsoderschwachdurchlässigenSubstratenkönnendurchflächigereAuswaschungvonFein-materialhochdurchlässigeSchichtenentstehen.Mosley(1982)stelltesolcheSchichteninbewal-detenHangbödenfest.ImZusammenwirkenmitHohlräumenverwesterWurzelnvermögendiesegutdurchlässigenSchichtendasWasseralsSubsurfaceFlowschnelldurchdenBodenzuleiten.

Groundwater Flow, Grundwasserabfluss

AuchdasimUntergrundangesammelte,dieHohlräumederLockersedimenteundGesteinefüllendeGrundwasserkannuntergewissenUmständenzumHochwasserabflussbeitragen.Voraussetzungisteine“ungehinderte”VerbindungzwischenOberfläche,GrundwasserundVorfluter.ZweiKonzeptewurdenentwickelt,umdiesenAbflussprozesszuverstehen:GroundwaterRidgingundPistonFlow.EinedetaillierteProzessbeschreibungunddieBedeutungderMechanismenfürdieHochwasserent-stehunggibtLeibundgutundUhlenbrook(1997).

Deep Percolation (DP), Tiefensickerung

IndenBodeninfiltriertesWasserkann,soferndiegeologischeUnterlagedurchlässigist,indiesewei-tersickern,entwederalsMatrixflowoderauchalsFlowalongPreferentialPathways.

2.4 IntensitätderProzesse

Tabelle2/1zeigtdieverschiedenenAbflussprozesseimÜberblickundihreEinteilunginAbflusstypen.AnalogzudenOberflächenabflüssenwirdauchderFließprozessimBodenjenachIntensitätundEin-flussaufdieHochwasserentstehunginverschiedeneKlasseneingeteilt.DieserfolgtaufgrundderReaktionszeitunddesAnsprechverhaltensdesentstehendenAbflussesinsofortige,leichtverzögerteundstarkverzögerteAbflussreaktion.

DieIntensitätsabstufunggiltnurinnerhalbeinerProzessgruppeundistzwischendenGruppennichtvergleichbar.RascherAbflussimBoden(z.B.alsFolgevonPipeFlow,BypassFlowoderFlussin



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hochdurchlässigenSchichten)wirdalsSSF1eingestuft;leichtverzögerterAbflussalsSSF2undstarkverzögerterAbflussalsSSF3.

JenachihrerStärkewerdendieAbflussprozesseinsog.Abflusstypeneingeteilt(Tab.2/1).DieStärkederAbflussbildungwirdmittelsAbflussreaktionskurvenangegeben,diedenAnteildesabfließendenNiederschlagesinAbhängigkeitderNiederschlagssummebeschreiben(Anhang3).

Tab.2/1: AufteilungderAbflussprozesseinverschiedeneIntensitätsklassen(IHW,2000)

Fließ-weg

Prozessgruppe Abk. IntensitätdesAbflussprozesses Abflusstyp

Hortonscher Oberflä-chenabfluss

HOF1 Sofortiger Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen

1

HOF2 Leicht verzögerter Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen

1

Ober- fläche

Gesättigter Oberflä-chenabfluss

SOF1 Sofortiger Oberflächenabfluss als Folge sich schnell sättigender Flächen

1

SOF2 Verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich sättigender Flächen

2

SOF3 Stark Verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich langsam sättigender Flächen

4

Unter- irdisch

Laterale Fließprozesseim Boden

SSF1 Rascher Abfluss im Boden 2

SSF2 Verzögerter Abfluss im Boden 3SSF3 Stark verzögerter Abfluss im Boden 4

Tiefensickerung DP Tiefensickerung in geologische Schichten 5

2.5 GegenseitigeBeeinflussungderAbflussprozesse

GleicheAbflussprozessebenachbarterStandortekönnenzueinergrößerenFlächedesgleichenAb-flussprozesseszusammengefasstwerden.ZuberücksichtigensindjedochgegenseitigeBeeinflus-sungen.SokönnenobenaneinemHangablaufendeAbflussprozessedieVorgängeuntenamHangbeeinflussen,vorallem,wennimoberenTeilderHängestärkerwirksameAbflussprozessealsimmittlerenoderunterenTeilderHängestattfinden(SOF1,SSF1,HOF1).DamitändertsicheinlokalerAbflussprozessdurchdieBeeinflussungvonbenachbartenFlächen.



3 VorgehensweisebeiderBeurteilungvonFlächennachAbflussprozessen

3.1 Einleitung

Abbildung3/1zeigtdasAblaufschemazurErmittlungdermaßgebendenAbflussprozesse.

Im ersten Schritt werden die Grundlagendaten zusammengetragen (Kap. 3/2 und IHW, 2000, Kap. 2.3). In der Vorerkundung erfolgt eine Gebietsbesichtigung und eine erste Auswertung von Grund-lagendaten,dieeineAbgrenzunghinsichtlichBoden,Geologie,LandnutzungundReliefähnlichauf-gebauterGebieteermöglicht.JenachGütederGrundlagendatenvariiertderdarauffolgendeArbeits-aufwand. Fehlt beispielsweise eine Bodenkarte in einem angemessenen Maßstab, muss zuerst ein bodenkundlicherÜberblickerstelltwerden.DaeineräumlichdifferenzierteProzessbeurteilungdasZielist,sindBodenkartenimMaßstab1:25.000oderineinemgrößerenMaßstabnotwendig(Bo-denkartenderLandesämter).DieErfassungvonErscheinungenimGelände(Geländebegehung),dieunmittelbaroderimweiterenSinneHinweiseaufAbflussprozesseliefern(Gerinne,Vernässungsare-ale,Quellen,ProzessspurenwieErosions-undAblagerungsspurenu.a.),istauchimArbeitsschrittderVorerkundungsinnvoll(Kap.3.2.2).JenachInformationsdichtekönnenprovisorischeProzessarealeabgegrenzt werden. Anhand der Resultate der Vorerkundung wird entschieden, wo detaillierte Stand-ortuntersuchungenstattfindensollen(Kap.3.3.1.1).

Die Untersuchungen im Feld bestehen aus einer Standortkartierung sowie der Aufnahme von Bo-denprofilen(Abb.6/1).DiesermöglichteineersteEinschätzungdesmaßgebendenAbflussprozessesmit dem Prozessbeurteilungsschema.(PBS) Sind die im PBS enthaltenen Kriterien eindeutig zu be-urteilen, ist die Prozessevaluation am Standort abgeschlossen. Treten hingegen bei der Beurteilung Unsicherheitenauf,lohntessichzusätzlicheUntersuchungen(Infiltrometeruntersuchungen,Tra-certests u.a.) vorzunehmen. Nach Auswertung der FelduntersuchungenwirddanneinedefinitiveProzessbeurteilungvorgenommen.DieStandortuntersuchungenwerdendannaufdieFlächeübertra-gen.AbschließendsolltediesoerarbeiteteProzesskarteresp.KartenderabflussrelevantenFlächeneiner Plausibilisierung unterzogen werden.

3.2 Vorerkundung

3.2.1 Zusammentragen von Grundlagendaten und Hilfsmittel

Die Grundlagendaten und Hilfsmittel zur Prozessbeurteilung werden hier kurz aufgeführt. In IHW, 2000 (Kap. 2.3) wurde die Aussagekraft dieser Hilfsmittel ausführlich diskutiert.

• Bodenprofile,• Bodenkarten, • Bodenschätzung,• Topographische und geomorphologische Karten,• PflanzensoziologischeKarten,



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• Geologische, hydrogeologische (Versickerungs- oder Grundwasserkarten), geotechnische und geo-ökologischeKarten,Sondierprofile,Versickerungstests,

• Digitale Karten (ATKIS), • Forstliche Standortkartierung, • Luftbilder und Fernerkundungsdaten, • Dränagepläne.JebesserderAufbaudesGebietsdemBearbeiteroderderBearbeiterinvertrautist,destorascherundfundierter werden die folgenden Beurteilungen ablaufen. Informationen über Vegetation und Land-nutzung, Bodengeographie, wichtigste Bodenkennwerte, Geomorphologie und Geologie werden aus GrundlagendatenoderdurcheigeneErhebungenzusammengetragen.WichtigsindInformationen,dieimZusammenhangmitdemAbflussprozessresp.derHochwasserentstehungstehen.

Die Tabelle 3/1 gibt eine Zusammenstellung von wichtigen Informationen aus verschiedenen Be-reichen wieder.

Tab.3/1: InformationenfürdieVorerkundungausGrundlagendaten,welchefürdieBeurteilungvonFlächennachderAbflussprozessenwichtigseinkönnen.

Bereich InformationenLandnutzung Räumliche Verteilung der wichtigsten Nutzungsarten (nach ATKIS), Angaben über Nut-

zungsintensität;Vegetation Räumliche Verbreitung von Pflanzengesellschaften mit Zeigereigenschaften (Feuchte-

oder Nässezeiger);Boden Räumliche Verbreitung der Bodentypen, wichtige Bodenkennwerte wie Körnung,

Gründigkeit, Feuchtegrad (z.B. aus Bodenschätzung extrahieren (Sauer und Harrach, 1999), Durchlässigkeit u.a.;

Geologie Räumliche Verbreitung der geologischen Schichten, Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Stellung im Schichtverband;

Relief Ausgestaltung des Reliefs (extreme Steilhänge, sanfte Hänge, Flachbereiche), Spuren, welche auf hydrologische Prozesse hindeuten (Rutschungen, Gleitbewegungen an Hängen, Rinnen, Ablagerungen etc.);

Hydrogeologie, Hydrographie, Prozessspuren

Vorkommen von Grund- oder Hangwasser, Quellen, Nass- oder Feuchtareale, Gerinne-dichte, ephemere, intermittierende Gewässer, Hinweise auf Fließwege, die bei Hoch-wasser aktiv sind, Spuren von fließendem Wasser (Auswaschungen, Erosionsspuren, Ablagerungen von Geröll oder Feinmaterial etc.), Entwässerungen (Dränagen) etc.

MitdiesenInformationenlassensichimGebietunterschiedlichaufgebauteFlächenerkennenunder-steRückschlüsseaufdieAbflussprozesseziehen.EventuellistbereitsdieersteAbgrenzungvonPro-zessarealenmöglich.DiesistwichtigfürdieFestlegungderUntersuchungsstandorte.

Abbildung3/1:Vorgehensweise(nächsteSeite)


1� BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006

Grundlagen zusammentragen: Geologische,hydrogeologische, bodenkundliche,topographische Daten und Karten,Bodenschätzung,Landnutzung (ATKIS), Luftbilder,

Erste Vorerkundung(Gebietsbesichtigung)Mögliche Repräsentativflächen bestimmen,Planung Feldkampagne mit Fest-legung der Untersuchungsstandorte

Aufnahme der Standorte und Boden-profile nach massgebenden Kriterien,

Erste Einschätzung gemäss PBS undBeurteilung des Abflussprozesses,

Festlegung allfälliger Zusatz-untersuchungen,

Zuhilfenahme weiterer Daten,

Definitive Festlegung der Abflussprozesse,

Übertragung der Standortergebnisseauf grössere Flächen,

Vorerkundung:

Untersuchungen im Feld:

Auswertung der Felduntersuchungen:

Plausibilisierung der Ergebnisse:

Abb. 3/1: Vorschlag für die Vorgehensweise bei der Anwendung des Bestimmungsschlüssels.

Überschlägige Abflussberechnungen,Vergleich zu beobachteten historischen Hochwasser etc.



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3.2.2 Geländebegehung und Auswertung von Grundlagen als Bestandteil der Vorerkundung

ImRahmenderVorerkundungsollteaucheineGeländebegehungdurchgeführtwerden,ummitver-hältnismäßiggeringemAufwandwichtigehochwasserrelevantePhänomeneoderHinweisezuermit-teln.Sauer&Harrach,2002habeneinfürdiesenBestimmungsschlüsselspezifischesKonzeptei-nerstandort-bodenkundlichenGeländebegehungvorgelegt.TeilediesesKonzeptssindimfolgendenberücksichtigt.DeridealeZeitpunktfürdieGeländebegehungliegteherimFrühling.NacheinemWintermitSchneeschmelzeundausgiebigenNiederschlägenlassensichProzessspurenbesondersgut beobachten (Anhang 4, Foto 21).

a) Verschlämmung

Definition und hydrologische Relevanz

UnterVerschlämmungverstehtmandasZerfließendesBodensaufgrunddesNiederschlags,wodurcheinerseits Strukturelemente (Aggregate und Makroporen) bei hohem Wassergehalt und bei geringer Gefügestabilitätzerstörtwerden.AndererseitsbewirktdieWuchtderTropfeneinesGewitternieder-schlags, dass ungeschützte Bodenaggregate zerschlagen werden (vgl. auch Anhang 1, Anhang 4 Foto 1-4). Der Benetzungsvorgang kann auch zur Luftsprengung von Aggregaten führen, wenn aufgrund deshohenSchluffgehaltsderZusammenhaltgeringist.TonarmeschluffreicheBöden,z.B.lessivierteLößbödenverschlämmenleicht.VerschlämmungenkönnendieInfiltrationvermindernundführenzwangsläufigzuOberflächenabfluss(HOF)undBodenerosion.2

Kartierung

DieBeurteilungdesVerschlämmunggradesistimAbschnitt4.3.3abgehandelt.

b) Erosion

Definition und hydrologische Relevanz aktueller und historischer Erosionsformen

BodenerosiondurchWasseristdiedurchdenMenschenermöglichteunddurchnatürlicheProzesseausgelösteVerlagerungvonBodendurchWasser(DVWK,1996).Hydrologischinterpretierbareak-tuelleErosions-(Anhang4,Foto4)sowieAblagerungsformen(Anhang4Foto2)sindaufAcker-oderWeinbergflächengutzuerkennen.FlächenhafteAbtragsformenkönnenanVerspülungen(Abtragstie-fe<2cm)erkanntwerden.LineareAbtragsformenzeigensichalsRillenmitTiefenvon2bis10cm,alsRinnenmitTiefenvon10bis40cmundeigentlichenGräbenmitmehrals40cmTiefe.

Aktuelle ErosionsformensindFolgevonVerschlämmungundBeweisfürmassivenOberflächenab-fluss(HOFoderSOF)oderReturnFlow(RF).RezenteErosionsformenbildenaufAckerflächenoftdieeinzigenerfassbarenHinweiseaufAbflussprozesse.Allerdingsisteswichtig,dieUrsachenvonOberflächenabflusszueruieren(z.B.Fahrspuren,EntwässerungswasservonFahrwegen,etc.),umkeine falschen Schlüsse zu ziehen.

Kartierung

DiekartiertenErosionserscheinungen(flächenhafteundlineareAbtragsformensowieeindeutigeAk-kumulationszonen)solltenparzellenscharfinmöglichstgroßmaßstäblicheKartenübertragenwer-den.



Historische Erosionsformen sind Hohlwege, Schluchten, Gerinne, Dellen oder Stufenraine und wei-senauffrüherenOberflächenabflusshin(vgl.Anhang4,Foto5).HistorischeErosionsformensindimLuftbildoderaufKartengutzuerkennen.BesondersinLößlandschaftenlässtsichderErosionsgradderBödenauchschonimRahmeneinerGeländebegehunggrobeinstufen.

c) Nassstellen


VernässteBödenzeichnensichdurchanhaltendenoderzeitweiligenLuftmangelimWurzelraumaus.Beistarken,längeranhaltendenVernässungenbildensichimBodenHydromorphiemerkmale.DerLuftmangelführtzuWachstums-undEntwicklungsstörungenderKulturpflanzen.

Großflächige,langanhaltendvernässteBödenwerdennichtalsAcker,sondernalsGrünlandgenutzt,esseidenn,siewurdendurchgeeigneteEntwässerungsmaßnahmenmelioriert.DasAusstreichenun-durchlässigerSchichtensowieabrupteÄnderungenderHangneigungkönnenzueinemganzjährigenodertemporärenWasseraustrittführen(ReturnFlow,RF).BeiBächenmitnatürlichenUfernoderFlanken lassen sich z.T. Wasseraustrittsstellen beobachten, die auf SSF (od. RF) zurückzuführen sind. NassstelleninPlateaulagensindmeistaufStaunässezurückzuführen.

Kartierung

FolgendeHinweisekönnenimZusammenhangmitVernässungenerfasstwerden:Oberflächenwasser,Bodenfarbe(nurAcker),KonsistenzdesBodens(nurAcker),Befahrbarkeit,Begehbarkeit,Entwick-lungsstörungenbeiKulturpflanzen(nurAcker),Pflanzengesellschaft,Zeigerpflanzen(z.B.Feuchte-zeigernachEllenberg).EinBeurteilungsschlüsselistimAnhang2(Tab.1)angegeben.

d) Relief


AusdemRelieflassensichz.T.direktHinweiseüberAbflussprozesseersehen,oderindirektsindausdem Relief Gegebenheiten abzuleiten, die Voraussetzung für bestimmte Prozesse sind.

ZumeinenlassensichbevorzugteFließwegevonOberflächenabflussermitteln(Mulden,Rinnen,Ge-rinnedichte etc.). Zum andern kann mit der Auswertung von topographischen Karten, aufgrund der SteilheitderHängeundKenntnissenüberdasAusgangsgesteinHinweiseüberdiemöglicheBoden-mächtigkeitgewonnenwerden(VoraussetzungfürSSF).EsistauchmöglichausdenmitHöhenli-niendargestelltenGeländeformationeninKombinationmitdemGerinnenetz,Kenntnisseüberre-zentoderinderVorzeitabgelaufeneAbflussprozessezugewinnen.

Kartierung

DieInterpretationderHöhenlinienmöglichstgroßmaßstäblicherKarten(z.B.TK10V)ermöglichteineersteÜbersichtüberdasUntersuchungsgebietundeineVorauswahlpotenzieller,hydrologischbedeutsamer Reliefpositionen. Die Interpretation von Neigungsstufenkarten (DHM) bzw. reliefana-lytischerarbeitetergeomorphografischerKarten(s.a.Leser&Klink1988)kannu.U.dabeihilfreichsein. Die Tabelle 3/2 stellt eine Auswahl wichtiger Hinweise dar.



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Tab.3/2: IngroßmaßstäblichenKartenvermerkteReliefinformationenunddarausinterpretierbareHinweiseaufAbflussprozesse.

Phänomene HinweiseMulden, Rinnen, Tälchen Sie bilden bevorzugte Fließwege für oberflächlich abfließendes Wasser und

weisen je nach Größe ihres Einzugsgebiets u.U. ein geringes Sättigungsde-fizit (feuchte bis nasse Böden) auf. Aufgrund des Feuchtegehalts sind die Böden schlechter strukturiert (weniger Bodenlebewesen und daher weniger Makroporen) (SOF, HOF)

Allg. Reliefformen Zerfurchtes Relief: Hinweis auf meist rasch reagierende Prozesse wie HOF, SOF1,2 und SSF1,2 (rezent oder historisch).Gleichmäßiges Relief, leicht kupiert, Muldentälchen: Hinweise auf eher

„langsame“ Prozesse. Auf Ackerflächen werden allerdings durch die Bearbei-tung Prozessspuren regelmäßig beseitigt. Wird eine Hangsequenz als Gan-zes betrachtet, hinterlassen stark reagierende Flächen in unterhalb davon liegenden Flächen ihre Spuren.

Ablagerungen gravitativer Prozesse

Viele Fels-, Steinblöcke und fächerartige Ablagerungen gehen auf Berg-sturz- oder Hangschuttbewegungen zurück, die mächtige Lockermateriala-blagerungen bilden können. Je nach Korngrößenzusammensetzung dieser Ablagerungen weisen sie hohe Durchlässigkeit und Speichervermögen auf (DP) auf.

Fluviale Ablagerungs-formen

Am Ausgang von Tälern und Kerben lagert(e) sich je nach Gefällsverhält-nissen erodiertes Bodenmaterial oder sonstiges Schwemmgut ab. Je nach Korngrößenzusammensetzung, können solche Ablagerungen hohe bis sehr hohe Durchlässigkeiten und großes Speichervermögen aufweisen (DP, SOF3).

Hohe Gerinnedichte Sie verweist auf oberhalb liegende Flächen mit starker Abflussreaktion (z.B. HOF, SOF, SSF1, 2).

Quellen Sie deuten auf Speicher im Boden oder im tieferen Untergrund hin. Je nach Schüttcharakteristik können dadurch Rückschlüsse auf die Größe der Spei-cher gezogen werden. Ausdauernde Quellen sind ein guter Hinweis auf große Speicher (SOF3, SSF3, DP).

Episodisch oder perio-dische Austrittstellen, Return Flow

Zeigen an, dass oberhalb der Austritte Wasser infiltriert und im Boden oder der Geologie abfließt (SSF1-3)

Rinnen ohne oberfläch-liche Fließspuren

Sie können u.U. auch auf laterale Fließwege verweisen. Solche Rinnen kön-nen in der Vorzeit entstanden sein aber auch durch das langsame Zusam-mensacken von durch SSF geschaffenen Hohlräumen.

Markante Geländekanten Sie deuten einen lithologischen Wechsel der Geologie an und sind ein Indiz für flachgründige Böden (SSF1, 2 oder SOF1, 2).

Verlauf von Höhenlinien Höhenlinien mit rundlichem Verlauf weisen auf mittleren bis großen Ab-stand des Fels zur Oberfläche hin. Kantige Höhenlinien zeigen, dass der Fels oberflächennah oder gar anstehend ist.

e) Gebietsentwässerung

Fließgewässer

FließgewässerundihreWasserführunglassenRückschlüsseaufdenLandschaftswasserhaushaltzu.EineBegehungwasserführenderTiefenlinienoderauchtemporärerTrockentälern(z.B.inKarst-gebieten)ermöglichtdieIdentifikationweitererhochwasserrelevanterFließwege.Aufgrundder Gerinnemorphologie(Querschnitt,Fließspuren,KorngrößenzusammensetzungdesGerölls,Fließ-



spurenu.a.)könnenKenntnisseüberHäufigkeitundGrößedesAbflussesermitteltwerden.Dieskannu.U. ein Hinweis auf die Art der Prozesse in einem Gebiet sein.

Oft ist man in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten mit der Problematik konfrontiert, dass ehemalsnatürlicheFließgewässerbegradigtodergarbeseitigtunddurchEindolungenersetztwur-den.

Hydromeliorative Maßnahmen

DräneundEntwässerungsgräbendienenderAbfuhrvonüberschüssigemBodenwasserimInteressederlandwirtschaftlichenBodennutzung.BeimFehlenvonDränplänenistdasAufspürenderDrä-nauslässedurchBegehungderVorfluteroderdurchBefragungortskundigerLandwirtehilfreich.Ent-wässerteBödenweisenoftmalsnurnochreliktischeHydromorphiemerkmaleauf,diebeieineraus-schließlichbodenkundlichenKartierungzuFehlinterpretationenführenkönnen.

f) Bioindikatoren

DieBeurteilungvonGeologie,ReliefundBodenlässtRückschlüsseaufhochwasserrelevantePhäno-menezu.InKombinationmitvegetationskundlichenUntersuchungenkönnenweitergehendeKennt-nisseüberhochwasserrelevantePhänomenegewonnenwerden.

Zeigerpflanzen auf Grünland

DieAnsprachevonleichterkennbarenNässezeigernermöglichtauchbeigeringerArtenkenntnisdieIdentifikationvonNassstellenaufGrünlandstandortenresp.vongrund-oderstauwasserbeein-flusstenBöden.

AllePflanzenmiteinerFeuchte-Zahlvon≥6(Ellenberg,1979)weisenaufeinenÜberschussanBo-denwasser hin. Frische- bis Feuchtezeiger haben eine F-Zahl von 6, Feuchtezeiger eine F-Zahl von 7 undNässezeigereineF-Zahlvon9.SiesindtypischfürPseudogleyeundhydromorpheBöden.Ta-belle2imAnhang2gibteinenÜberblicküberhäufigeFeuchteundNässezeigeraufGrünlandundkorrespondierende F-Zahlen.

AuchfürAckerstandortegibtesZeigerpflanzeninderArtenzusammensetzungderAckerbegleitflora(vgl.Anhang2).AuchderZustandvonKulturpflanzengibtHinweiseaufz.B.periodischauftretendeFeuchtstelleninÄckern.

3.3 DetaillierteGeländeuntersuchungen

3.3.1 Planung und Durchführung von spezifischen Felduntersuchungen

3.3.1.1 Planung

NebenderZugänglichkeitsindweitereKriterienfürdieFestlegungderUntersuchungsstandortewichtig.FlächenmäßigdominanteGebietesollenerfasstwerden.InEinzugsgebieten,diesichdurchverzögerteAbflussreaktionauszeichnen,isteswichtig,dieflächenmäßigbegrenzten,starkreagie-renden Gebiete zu erkennen. Mit der geeigneten Wahl der Untersuchungsstandorte soll auch die Vo-raussetzung für die Übertragung(Up-Scaling)vonStandortuntersuchungenaufgrößereFlächengewährleistetwerden(vgl.Kap.3.4).DafürgibteskeinstandardisiertesVorgehen.FolgendesVorge-henhatsichbislangaberbewährt:



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1. DiewesentlichenGebietseigenschaften(Geologie,Böden,Landnutzung,Geomorphologie,Gerin-nenetz,Dränagen,Vernässungen)sindausderVorerkundungundGeländebegehungbekannt.

2.ImEinzugsgebietliegenHangsequenzen,dieaufgrunddesReliefs,dervorhandenenBödenmitderLandnutzung vergleichbar und typisch fürs Gebiet sind (Vorerkundung). Unterschiedlich aufge-baute,aberfürsGebiettypischeHangsequenzenwerdenausgewählt.

3. In diesen Hangsequenzen (Kap. 6.3.2) werden die Untersuchungsstandorte festgelegt, so dass die wesentlichenEigenschaftendereinzelnenHangelementeerfasstunddiedominantenAbfluss-prozessebeurteiltwerdenkönnen.Überlegungenwerdenangestellt,inwieweitAbflussprozesse,dieobenamHangstattfinden,dieAbflussprozesseweiteruntenbeeinflussenkönnen3 (Untersu-chungen im Feld und Auswertung der Resultate).

4.MitderÜbertragungaufdieFläche(Up-Scaling)werdendiepunktuellenresp.linearimEinzugs-gebieterarbeitetenProzessinformationenzueinerKarte„synthetisiert“.(Kap.3.4)

3.3.1.2 Durchführung der Felduntersuchungen

Die Felduntersuchungen konzentrieren sich auf den Bodenaufbau und die im Kapitel 4.3 aufge-führten Kriterien (key-points), die an Bodengruben erfasst werden4. Die einzelnen Kriterien sind aufdemFeldblatt(Abb.6.1)ausgewiesen.Esempfiehltsich,dieBodenuntersuchungenbeitrockenenWitterungs-undBodenverhältnissendurchzuführen,damitGrabarbeitenimfeuchtenodernassenZustandwichtigeBodenstrukturenwieMakroporenteilweisezerstörtwerden.

ZusätzlicheFelduntersuchungensindratsam,wenndieProzessevaluationbeiverschiedenenKrite-rienwesentlicheUnsicherheitenzeigt.SokönnenbeispielsweiseInfiltrometerversucheaufzeigen,obdervorhandeneBodentatsächlichso(un-)durchlässigist,wiedieBeurteilungderKriterienergebenhat.FürdieErhebungderMakroporen(Kap.4.3.6)wirdderBodenhorizontalfreigelegt.SindMa-kroporenimBodenprofilresp.anHorizontalschnittenschlechtsichtbar,kanndemInfiltrometerwas-ser Farbstoff (Tracer) zugefügt werden, um die Fließstrukturen aber auch die Ausbreitungsmuster des WassersimBoden(InteraktionMakroporen–Bodenmatrix)besserzuerkennen.NachAuswertungderFelduntersuchungenkönnenalle,indenPBS,aufgeführtenKriterienbeurteiltunddieAbfluss-prozesse evaluiert werden.

3.4 ÜbertragungaufFläche(Punkt–Hang–Einzugsgebiet)

DieÜbertragungvonPunktinformationenaufdieFlächewirdoftmitHilfevonGeographischenIn-formationssystemen(GIS)getätigt.InderHydrologieistbisheutedieserArtdes„Up-Scalings“nochkeingroßerErfolgbeschieden5.BisheuteliegenkeinebrauchbarenAnsätzeinderLiteraturvor,wiesolcheÜbertragungenerfolgenkönnten.ImKapitel3.3.1.1.wurdedasdazunotwendigVorgehenbe-reits angesprochen. Unser Vorschlag des Up-Scaling gliedert sich in vier Schritte.

1.NachdeminderFalllinieliegendeStandorteeinzelnnachAbflussprozessenbeurteiltwordensind,musseingeschätztwerden,inwieweitamHangweiteruntenliegendeProzessarealedurchoberhalbliegendeStandortebeeinflusstwerdenkönnen.

2. Ausgehend von solchen Catenen6kanndannaufgrundvonAnalogieschlüssenaufdieAbflusspro-zessevergleichbarerCatenengeschlossenwerden.DasVerständnisderAbflussprozesseanver-schiedenenCatenenimEinzugsgebietermöglichtdanndieBeurteilungderübrigenFlächen.Eine



wesentliche Voraussetzung für das Up-Scaling ist jedoch, dass die Prozessevaluation am Standort fundiert und zutreffend ist7.

3.UmvondenCatenenaufdieFlächezugelangen,istzuüberlegen,inwieweitdieStandorteaus-serhalbderCatenenähnlicheEigenschaftenhaben.WenntatsächlichtypischeCatenenzurUn-tersuchungausgewähltwurden,solltediesderFallsein.WichtigeKriterienzurÜbertragungderInformationsindähnlicheReliefeigenschaftenwieGeländeneigung,LageimRelief,Bodeneigen-schaften, Geologie und Nutzung. So lassen sich viele Punkte im Gebiet beurteilen.

4. Die untersuchten Catenen und die übertragenen Punkte liefern ein Netz an Prozessinformationen, dassichschliesslichzueinerKarteverdichtenlässt

3.5 PlausibilisierungdesErgebnisses

DasEndproduktisteineProzesskarte(Kap.6.3.3),diezeigt,woimGebietwelcherProzesszuerwar-tenist.DiePlausibilitätdieserProzessbeurteilungresp.Prozesskartemussuntersuchtwerden.Wieweit dieser Arbeitsschritt geht, richtet sich nach dem Verwendungszweck des Resultats. Folgende FragenkönnenzurPlausibilisierungderResultatebeitragen:

• DecktsichdieEinschätzungdesGebietsmitdenBeobachtungen,welchebeivergangenenStark-regen oder Hochwassern gemacht wurden?

• WurdenrascheAbflüsseoderSpurendavon(z.B.vielOberflächenabfluss,ReturnFlow,Erosions-spurenetc.)aufdenbetreffendenFlächentatsächlichbeobachtet?

• WenndiebeurteiltenFlächeneinenGroßteilanraschbeitragendenFlächenaufweisen,stelltsichdieFrage,obimVorfluterauchtatsächlichdieentsprechendenAbflüsseaufgetretensind.

• BestätigtsichdieBeurteilunganhandvonAbflussmessungenoderBeobachtungenbeihistorischenHochwassern?

• AusgehendvonderProzessbeurteilungkönnenfürdasEinzugsgebietdesGewässersAbflussschät-zungenoderdetaillierteAbflussberechnungenmiteinemNiederschlag-Abflussmodellvorgenom-menwerden.ZeigendieseAbschätzungeneinähnlichesBildwievergangeneHochwasser?



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4 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächen

4.1 Einleitung

DerKerndesBestimmungsschlüsselszurIdentifikationhochwasserrelevanterFlächensinddiePro-zessbeurteilungs-Schemata.UmdiedarinenthaltenenKriterien(„key-points“)beurteilenzukönnen,wurdedieLiteraturnachBeurteilungshilfen(Methoden,Richtlinien)untersucht.Eineweitgehendob-jektive Beurteilung der Kriterien wird dadurch angestrebt. Bei der Auswahl der Kriterien und Richt-linien wurden folgenden Punkten Beachtung geschenkt.

• Die meisten Kriterien sind qualitativer Natur. • DieBeurteilungderkey-pointskönnenweitgehendimFeldeaneinerBodengrubeerfolgen.Auf

aufwändigeLaboruntersuchungen(ProbenentnahmeundAnalysen)wirdverzichtet.• NachMöglichkeitstütztsichdieBeurteilungaufdieBodenkundlicheKartieranleitung(AGBO-

DEN,1994),aufDIN-NormenoderaufWerteundAngabenausderLiteratur.

4.2 ProzessbeurteilungsSchemata(PBS)

4.2.1 Einleitung

DieZuordnungdesAbflussprozesseseinesStandortslässtsichmitdennutzungsorientiertenProzess-Beurteilungsschemata(PBS)vornehmen.DiesezeigendieSchlüsselstellen,dieeinenAbflussprozessauslösenresp.beeinflussen.

AbflüssewerdendurchGewitter,Landregen,oderLandregeninKombinationmitSchneeschmelzeodergefrorenenBödenausgelöst.DamitergibtsicheineVielfaltvonklimatisch-,bodenkundlich-,to-pographisch-undnutzungsbedingtenKombinationen.ImfolgendenwirdsowohldieAbflussbildungbei intensiven Starkregen (I>ca.20mm/h)alsauchdieAbflussbildungdurchergiebige,aberwe-niger intensive Landregen (I<ca.20mm/h)betrachtet.

Die PBS basieren auf den in Kap. 4.3 aufgeführten Kriterien. Das Hauptgewicht liegt auf der Land-nutzung, der Vegetation und dem Boden. Relief (Hangneigung) und Geologie sind ebenfalls berück-sichtigt.

EinigeKriterienbeziehensichauf(Boden-)Eigenschaften,dieereignisabhängigsindoderjahreszeit-lichemWandelunterliegen(Wasserspiegel,Deckungsgradu.a.).BeiderenBeurteilungistabzuwägen,wiewahrscheinlichsolcheZuständesind.

UmeinebessereÜbersichtlichkeitzugewähren,wurdenfürGrund-oderStauwasserbeeinflussteStandorteingewissenFälleneigeneSchemataentwickelt.SieweiseneinenblauenHintergrundauf.DaackerbaulichgenutzteFlächenauchaufhydromorphenBödenanzutreffensind,wurdedieserFallebenfallsberücksichtigt.WeinbergehingegenbeschränkensichaufunvernässteBöden.Dieverfüg-barenPBSsindinAbb.4/1–4/9dargestellt.

DieGrundlagen,dervorliegendenPBSsindimAnhang1ausführlichdargestellt.DienötigenÜber-legungenundfälligenEntscheidungen,diezudendominantenAbflussprozessenführen,sindan-handdesPBSfürWiesenundWeidenexemplarischaufgeführt.DieUnterschiedezwischendenPBS


�0 BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen 18/2006

geringerundhoherNiederschlagsintensitätergebensichhauptsächlichdurchdenunterschiedlichenEinflussderMakroporosität(vgl.auchKap.4.3.6).

4.2.2 PBS für Wiesen und Weiden

Die Prozessbeurteilung für Wiese- und Weidestandorte erfolgt aufgrund vergleichbarer struktureller Bodeneigenschaften (Regenwurmbesatz, Durchwurzelung, Verdichtungserscheinungen) mit dem-selbenSchema.ZuerstwirdderEntscheidungsprozessfürwenigerintensiveNiederschläge(I<ca.20mm/h)unddannfürintensiveNiederschläge(I>ca.20mm/h)vorgestellt.

4.2.2.1 PBS für „normale“ Böden und geringe Niederschlagsintensität (I < ca. 20 mm/h)

Die Ausführungen beziehen sich auf Abb. 4/1. Der Deckungsgrad des Boden bestimmt, ob eine po-tentiell verschlämmbare OberflächeauchtatsächlichimStarkregenfallverschlämmbarist.Fallsdies zutrifft, entsteht HOF1.

Liegt ein Hydrophober Humus vor, ist der Hydrophobizitätsgrad zu prüfen. Niederschlagswasser kannineinenstarkhydrophobenHumusodereineverdichteteoderwenigdurchlässigeBodenmatrixnur über ein gut ausgebildetes Makroporensystem eindringen, andernfalls entsteht HOF1. Die Ge-samtmächtigkeit des Bodens ist für die Speicherung des Niederschlagswassers von großer Bedeu-tung. Liegt ein flachgründiger Boden(<0.5m)übereinerdurchlässigen Geologie(durchlässigerSchotter, Schutt, Karst) und ist der Unterboden durch ein wirksames Makroporensystem und eine gut durchlässige Matrix ausgestattet, entsteht DP.

FehlteingutentwickeltesMakroporensystem,istdieMatrixschwachdurchlässigundistderUnter-bodenbeiLandregenfürSpeicherungvonWasserbegrenztnutzbar,entstehtHOF2.IstdasGeländegeneigt(J>ca.10%),derBodenflachgründigundüberundurchlässigerGeologiegelegen,dieMa-triximUnterbodengutdurchlässigundleistungsfähige laterale Fließwege vorhanden, wird leicht verzögerterAbflussimBoden(SSF2)ausgelöst.SinddieEigenschaftenidentisch,dieMatrixdurch-lässigkeithingegengering,ergibtsichnureingeringerAustauschzwischenMakroporenundMatrix,undesentstehtrascherAbflussimBoden(SSF1).IstderBodenzwischen0.5mund1mmächtigundübereinergutdurchlässigenGeologiegelegen,miteinemgutenMakroporensystemundgutdurch-lässigerMatrixausgestattet,entstehtDP.BeigleichenEigenschaftenabereinerwenigerdurchläs-sigen Geologie entsteht SOF2, resp. bei Vorhandensein wirksamer lateraler Fließwege, SSF2.

SinddieBödenwesentlichmächtigerals1m,mitguterMakroporositätundgutdurchlässigerMatrixausgestattet,entstehtSOF3odersogarDP.BeigeringerMatrixdurchlässigkeitermöglichendieMa-kroporendieInfiltrationundverbesserndieVerteilungdesWassersimBodenprofil.DieMakropo-rositätwirdmitderFrage„Makroporositätgroß(Pd1-2)“abgefragt.DieKlammernbedeuten:„ent-wederistMakroporositätgroßoderPackungsdichte(Pd)1-2“.

4.2.2.2 PBS für „normale“ Böden und hohe Niederschlagsintensität (I > ca. 20 mm/h)

BeiintensivenNiederschlägenspieltdieMakroporositäteinewesentlicheRollefürdieInfiltration.FehlteineffizientesMP-System,istdieInfiltrationbegrenzt.InAbbildung4/5nimmtdaherdieMa-kroporositätimOberbodeneinewichtigeReglerfunktionein.IstderOberbodenarmanMakropo-ren,entstehtbeiGewitterereignissenHOF.AuchimUnterbodenwirddieMakroporositätvorrangigbehandeltundistbeiintensivenStarkregenfüreineeffizienteVerteilungdesWassersimBodenver-antwortlich.

BestimmungsschlüsselzurIdentifikationvonhochwasserrelevantenFlächen �1


18/2006

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Abb. 4/1: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide (niedrige Niederschlagsintensität)

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Massgeblich von Grund- oder Stauwasserwasser beeinflusste BödenWasserspiegel

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Abb. 4/2: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide für stau- oder grundwasserbeeinflusste Böden (niederigeNiederschlagsintensität).

Prozess-Beurteilungsschema: Grünland (Wiese und Weide)Niederschlag: Extensive aber lange NiederschlägeHangneigung: J > 3%

Oberfläche

Oberboden0 - 30 cm

Unterboden




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SAG - April 2004



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Abb. 4/3: Prozessbeurteilungsschema Acker (niedrige Niederschlagsintensität).

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Prozess-Beurteilungsschema: WeinbergeNiederschlag: Extensive aber lange NiederschlägeHangneigung: J > 3%

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Verschlämm-barkeit gross ?

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Makroporosität gross (Pd 1-2) ?

oberflächennahe Verdich-tung (Pd 4-5)?

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SSF1

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Mulchung vorhanden ?

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Stauschicht vorhanden (Pd 4-5), Geologie schwach durchlässig ?

janein

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Abb. 4/4: Prozessbeurteilungsschema Rebberg (niedrige Niederschlagsintensität).

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J > 5%

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SOF2 Laterale Fliess-wege ?

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SOF3 Laterale Fliess-wege ?

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geologischer Untergrund/Verwitterungsdecken

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Abb. 4/6: Prozessbeurteilungsschema Wiese, Weide für stau- oder grundwasserbeeinflusste Böden (hoheNiederschlagsintensität).

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Prozess-Beurteilungsschema: Grünland (Wiese und Weide)Niederschlag: Intensive, kurze NiederschlägeHangneigung: J > 3%

Oberfläche

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SAG - April 2004



18/2006

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Abb. 4/7: Prozessbeurteilungsschema Acker (hohe Niederschlagsintensität).

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Abb. 4/8: Prozessbeurteilungsschema Rebberg (hohe Niederschlagsintensität).

Prozess-Beurteilungsschema: WeinbergeNiederschlag: Intensive, kurze NiederschlägeHangneigung: J > 5%

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Makroporosität gross, (Pd 1-2)?

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4.2.3 PBS für Acker

DiePBSfürAckermisstderVerschlämmungsneigungdurchBodenverdichtung(Oberbodenverdich-tungdurchLandwirtschaftsmaschinenoderUnterbodenverdichtungenalsPflugsohle)größereBe-deutung zu.

4.2.4 PBS für Wald

InWäldernsorgenverschiedeneFaktorenfüreinegroßeStandortvielfalt.AbgesehenvonBoden-typenbeeinflusstderPflanzenbestanddenAbflussmaßgeblich(Interzeption,Kronentraufe,Stam-mabflussetc.).

DaderNiederschlagnichtunmittelbaraufdieBodenoberflächefällt,sindalsohydrologischePro-zesse vorgeschaltet, welche eigentlich in die PBS einbezogen werden müssten. Die Vielzahl von Standortvarianten hat dazu geführt, dass ein stark vereinfachtes PBS entwickelt wurde, das sowohl geringewieauchhoheNiederschlagsintensitätenberücksichtigt(Abb.4/9).

Oberflächenabfluss,deraufInfiltrationshemmnissezurückgeht,istinWäldernseltenzubeobachten.Dieser Prozess wird zu Beginn der PBS abgehandelt.

4.3 DieKriterienderProzessbeurteilungundihreHerleitungamStandort

4.3.1 Einleitung

ImBerichtIHW,2000wurdeeinÜberblickderhochwasserrelevantenPhänomenebeidenverschie-denen Nutzungsarten gegeben (Anhang 1). Hier werden nur noch die Kriterien behandelt, welche in den PBS enthalten sind.

Tab.4/1: IndenPBSenthalteneKriterien.

Oberfläche Oberboden UnterbodenundGeologieDeckungsgrad Matrix verdichtet PflugsohleHydrophobizität, hydrophober Humus

Makroporosität groß Matrixdurchlässigkeit

Hangneigung Verschlämmungsneigung Mächtigkeit hohe Oberflächenrauigkeit Packungsdichte laterale Fließwege und Dränagen

Flurabstand GrundwasserStauschicht (in mächtigen bis sehr mächtigen Böden)VergleyungsgradLage der VergleyungsmerkmalePackungsdichteLaterale FließwegeDurchlässigkeit (Geologie)



18/2006

4.3.2 Vegetations-Deckungsgrad des Bodens

UnterdemDeckungsgradderVegetationwirdhierdiesenkrechteProjektiondesPflanzenbestandesaufdieAufnahmeflächeverstanden,wobeidasGesamtareal100%beträgt.DerDeckungsgradacker-baulicherKulturenkannmitdemSchemavonRohretal.,1990eingeschätztwerden(Anhang5/1).

4.3.3 Verschlämmungsneigung des Bodens

UnterVerschlämmungverstehtmandasZerfließendesBodens,d.h.dieZerstörungvonStrukture-lementen(AggregatenundMakroporen)durchWasseranderBodenoberflächebeihohemWasser-gehalt,wenndieGefügestabilitätgeringist.DerAufpralldesNiederschlagsaufeineunbedeckteBodenoberflächeunddieLuftsprengungvonAggregaten,wennschluffreichetrockeneAggregatebefeuchtetwerden,sindwichtigeauslösendeProzesse.TonarmeschluffreicheBöden,z.B.lessivierteLößbödenoderBödenausschluffreicherHauptlageinMittelgebirgslandschaften,verschlämmenleicht.

DieFolgenderVerschlämmungsind:

• VerschlämmungskrustenmitdichtemKohärentgefügeohneMakroporen,• starkbehinderteInfiltrationvonNiederschlagswasserunddarausresultierendeNeigungzuOber-

flächenabfluss(HOF)undBodenerosion,• behinderteDurchlüftungdurchdieVerschlämmungskrusteimfeuchtenZustand.

VerschlämmteFlächenlassensichaufgrundderdeutlichenEntmischungvonSchluff-undTonteil-chensowiederhelleren,wenigeMillimetermächtigenSchluffschichtanderBodenoberflächeleichterkennen(Anhang4,Foto6).DieFlächenanteilevonEinzelaggregaten,Regenschlag-undSediment-krusten(vgl.Roth,1992)kennzeichnendenAusprägungsgradderVerschlämmung(Tab.4/2):

Tab.4/2: KartierschlüsselzurBeurteilungdesVerschlämmungsgrades(vgl.Foto1,2Anhang4)

Verschlämmungsgrad Flächenanteilin%Einzel-aggregate

Regenschlag-kruste

Sediment-kruste

Nichtverschlämmt(V0)Aggregate nicht oder kaum gerundet, nicht zusammen-hängend, viele offene Aggregat-Zwischenräume

100 0 0

Sehrschwachverschlämmt(V1)Aggregate etwas gerundet (abgetragen), etwas zusam-menhängend, noch viele offene Aggregat-Zwischenräu-me, kaum Sedimentbildung

> 70 < 30 < 10

Schwachverschlämmt(V2) > 50 < 40 10 - 30Mäßigverschlämmt(V3) Aggregate deutlich gerundet, zum großen Teil zusam-menhängend, nur wenige offene Aggregat-Zwischen-räume, großer Sedimentkrustenanteil

< 50 < 70 30 – 50

Starkverschlämmt(V4) Sedimentkrustenanteil überwiegt

< 30 < 50 50 – 70

Sehrstarkverschlämmt(V5) 0 < 30 > 70Extremstarkverschlämmt(V6) 0 < 10 > 90



DadieVerschlämmungsneigungnichtnurvonderBodenart,sondernvonFaktoren,wiedemC-unddem CaCO3-GehaltdesBodensabhängt,schlagenwirnebstderBeurteilungnachAGBODEN(1994)vor, weitere Faktoren zu berücksichtigen.

• DievisuelleBegutachtungderBodenoberflächenacheinemNiederschlaggibtHinweiseaufdieVerschlämmmungsneigungundermöglichtnachTab.4/2dieBeurteilung.IstdieBodenstruktureinerbearbeitetenOberflächenahezuintakt,istdieVerschlämmungsneigunggering;sindkeinekantigenAggregatesichtbar,istdieVerschlämmungsneigunggroß.

• BödenmiteinemCaCO3-GehaltnachAGBODEN(Tab.12)vonc0(carbonatfrei)bisc2(carbona-tarm)könnenalspotentiellverschlämmbarbetrachtetwerden.

• BödenmiteinemHumusgehaltnachAGBODEN(Tab.10)vonh0(humusfrei,0%Masse)undh1(sehrschwachhumos,<1%Masse)dürftenverschlämmungsanfälligsein.

• Einvereinfachter„Nass-Siebungstest“ermöglichtimFeldedirektdieAggregatsstabilitätzutestenunddieVerschlämmungsneigungeinzuschätzen.EinBodenstückvon5-10cmDurchmesserwirdineinmitWassergefülltesGefässgetaucht.DieZeitwirdgemessen,dieverstreicht,bisdasStückBodeninkleinereAggregateodersogarindieeinzelnenBodenpartikelzerfallenist.ZerfälltderBodenwährend10Minutenüberhauptnicht,istdieVerschlämmungsanfälligkeitsehrgering;zer-fälltesgänzlich(SedimentaufdemGefässboden),istdieVerschlämmungsneigungstark.

4.3.4 Hydrophobizität

BesondereVerhältnisseliegenvor,wenndieBodenoberflächewasserabstossend(hydrophob)ist,undsomitdieBenetzungerschwertist(Anhang4,Foto20).HydrophobeEffektekönnenalsFolgestarkerAustrocknung,durchdasVorhandenseinwasserabstossenderPflanzenmaterialien(bestimmteGrä-ser,Pilze,Tannennadeln,Blätter),durchorganischeStoffeaufWaldbrandflächenoderalsKombina-tiondieserFaktorenauftreten.WährendAustrocknungzuvorübergehender(transienter)Hydropho-bizitätführt,könnendieanderenFaktorenanhaltende(persistente)Hydrophobizitäterzeugen.DieshatAuswirkungenaufdieInfiltration.Holzhey,1969undDoerretal.,2000gebeneineumfassendeÜbersichtüberdasWesenderHydrophobizitätvonnatürlichenMaterialien.Doerretal.,2000zeigtihrEinflussaufdieAbflussbildung.EinausgebildeterWurzelfilzkannbesondersimSommerbeistarkerAustrocknungdieInfiltrationhemmen(Scherrer,1997).

AufintensivlandwirtschaftlichgenutztenFlächeninRheinland-PfalzdürftenkaumhydrophobePflanzenartenvorkommen.AufextensivbewirtschaftetenoderaufgelassenenFlächenhingegenistdiesesPhänomenschoneherzuerwarten.BeispielsweiseHeidevegetationwieCallunaVulgaris,Eri-caarborea,Vacciniumspp(Doerretal.,2000)unddasBorstgras;Nardusstricta(MarkartundKohl,1996)erzeugenwasserabstossendeOberflächen.AufVerdachtsflächenlässtsichdieHydrophobizitätmitfolgendemTestklassifizieren:

WDPT-Test(WaterDropPenetrationTime)nachLetey(1969):ManbringteinenodermehrereTrop-fenWasseraufdieBodenoberflächeauf,misstdieZeit,wielangedieBenetzungderOberflächedau-ert.DerVersuchwirdwiederholtundderMittelwertermittelt.Bisdometal.(1993)unterscheidenge-mässBenetzungstest5Hydrophobizitätsgrade(Tab.4/3).



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Tab.4/3: DieKlassifizierungvonBödennachihrerBenetzungszeit(Bisdometal.,1993).

Stufe Hydrophobizitätsgrade Benetzungszeit[sec.]1 Nicht hydrophob < 52 Leicht hydrophob 5-603 Stark hydrophob 60-6004 Sehr stark hydrophob 600-36005 Extrem hydrophob > 3600

ImPBSwirdauchdieFragenachhydrophobenHumusgestellt.Dieslässtsichanhanddervorkom-mendenPflanzenarten(vgl.oben),anhanddesorganischenGehaltsdesOberbodens(z.B.C-Gehalt>5%)oderbeiVorhandenseineinesWurzelfilzesentscheiden.IneinemweiterenSchrittwirddieFragegestellt,obdieHydrophobizitätpersistentist.BeiStufe4und5(Tab.4/3)istvonpersistenter(andauernder)Hydrophobizitätauszugehen.BeikurzenGewitterniederschlägenkannschonStufe3(nichtpersistent)zuvorübergehendemOberflächenabfluss(THOF)führen8.

4.3.5 Oberflächenrauigkeit

BeiderBeurteilungderAbflussbildungaufAckerflächenkannderBearbeitungszustandwichtigsein.EinemgepflügtenAckermitintaktenSchollenwirdeinehoheRauigkeitzugeordnet,einemge-pflügtenAckermitverschlämmterOberflächeeinemittlereundeinerfeinbearbeitetenOberflächeeine geringe Rauigkeit. Bei mittlerer bis geringer Rauigkeit ist auch der Rückhalt in Mulden wenig relevant.MitzunehmenderSteilheitderAckerflächewirdderRückhaltinUnebenheitenundMul-den geringer.

4.3.6 Makroporosität am Beispiel von Wurmröhren

4.3.6.1 Einleitung

MakroporenhabeneinengroßenEinflussaufdieInfiltration(Ehlers,1975;Germann,1981;Syersetal.,1983;Bouma,1991;Boumaetal.1982;BooltinkundBouma,1991)besondersbeiintensivenNie-derschlägen.TrotzintensiverForschungstätigkeitgibtesbisheutekeinenAnsatz,umdenEinflussvonMakroporenaufdieInfiltrationaufeinfacheWeiseeinzuschätzen.BeidenMakroporen(Mp)unterscheidet man im wesentlichen Risse, die auf Schrumpfen und Quellen des Bodens zurückgehen oderentlangdesBodenskelettsauftretenundbiogeneMakroporen,wieTiergängeoderHohlräumeerzeugtdurchlebendesoderabgestorbenesPflanzenmaterial.DiegefügebedingteMakroporositätistschwierigzuquantifizieren,nichtzuletztdeshalb,weilsieeinemjahreszeitlichenGangunterliegt.DieBeurteilungderMakroporositätgehtdahervondenWurmröhrenaus(Foto1und2)undnimmtdiegefügebedingteMakroporositätanhandderPackungsdichte9ergänzenddazu.

AufGrün-,AckerlandundWeinbergenentstehteinüberwiegenderTeilderMpdurchdieWühltä-tigkeitvonRegenwürmern.IhreRöhrenkönnenbiszu11mmDurchmesserundLängenvonbiszu3maufweisen.DieZahlderKanälewirdnachEhlers(1975)mitzunehmenderTiefegrößerunder-reichtihrMaximumoftmalsbei50-60cm.VieleRegenwurmartenlegenvertikaleKanälean,einigeaberauchhorizontale.DiedurchRegenwürmererzeugteMakroporositätistnatürlichvonderRegen-wurmdichteabhängig.SiewirdvonverschiedenenFaktoren(pH,Klima,Bodenart,Bodenfeuchte,



Nutzung,Vegetation,organischerGehalt,usw.)beeinflusst(Glasstetter,1991).DadasVorkommenvonRegenwürmernvonderBodenchemieabhängigist,kannsichdieErfassungvonMpaufsaurenBödennichtnuraufdiesebiogenenMpstützen.AllerdingsistdieEinschätzungdergefügebedingtenDurchlässigkeitschwierig10.NebenderZahlderMpistauchihreLängeundKonnektivitätwichtig.Weiler(2001)konntezeigen,dassdieInitiierungdesMp-FlussesanderOberflächeaberauchimOber-oderUnterbodenerfolgenkann.ImFallederInitiierunganderOberflächezeigteer,dassgroßeMpjenachMikroreliefeingroßesbissehrgroßesEinzugsgebiethabenkönnen.DamitsindeinzelneMpinderLagedieInfiltrationeinerFlächevonmehrerendm2 zu dominieren.

Foto1: PerforationeinesBtHorizontesdurchRegenwürmer(Profilwand)[FotoDr.S.Sauer]

Foto2: PerforationeinesBtHorizontesdurchRegenwürmer(Aufsicht)[FotoProf.T.Harrach]



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In der Literatur wurden unter Grünland 200-400 Individuen/m2, auf Acker zwischen 20-250 festge-stellt. Für einen Ackerstandort wird hier der Zusammenhang zwischen Zahl und Durchmesser der Mp aufgezeigt (Tab. 4/4).

Tab.4/4: ZahlderWurmgänge(Makroporen)prom2aufeinemAckerbodenaufgeteiltinzweiKlassennachihremDurchmesser(verschiedeneAutoren11).

Klasse Durchmesserd>2mm Durchmesser>5mmMakroporen/m2 200-700 100-200

Bis700MpmiteinemDurchmesser>2mmwurdenprom2festgestellt.DiemaximaleAnzahlfür d>5mmlagbeietwa200Mp.AlsobildenMpzwischen2und5mmDurchmesser(100bis500Mp/m2)diegrößteGruppe.

UnterGrünlandistdieMp-Zahlum50bis100%größeralsunterAcker.DortkonntenauchEhlers,1975undWarner,199860-80%derausgezähltenMpderKlassed=2-5mmund20-40%derKlas-sed=5-8mmzuordnen.

4.3.6.2 Herleitung des Zusammenhanges zwischen Wurmdichte und Infiltration

MpsindfürdenraschenvertikalenTransportvonWasseringrößereTiefenundfürdieVerteilungdesWassersindieumgebendeBodenmatrix(Interaktion)verantwortlich(Weiler,2001).Jebesserdieses System funktioniert, um so mehr Wasser kann gespeichert werden.

FürdieInfiltrationistdieBeziehungzwischenDurchmesserundZahlderMp,ihreKontinuitätundDurchgängigkeitvonderOberflächebiszumUnterbodenwichtig.Jefeinkörnigerunddamitweni-gerdurchlässigdieMatrixeinesBodenist,destowichtigersindMpfürdenInfiltrationsprozess(wei-ler, 2001)

ZurEinschätzungderhydrologischenWirksamkeitvonMpstützenwirunsaufdieUntersuchungvonEhlers(1975),diefolgendeResultateergab(Tab.4/5).

Tab.4/5: ZusammenhangzwischenDurchmesserderMakroporen,AnteilandergesamtenMakroporositätundAnteilanderInfiltration.

Klasse(Durchmesser) AnteilderMakroporosität AnteilanderInfiltration< 2 mm 50 % 1 %2-5 mm 40 % 33 %> 5 mm 10 % 66 %

DanachträgtdieKlasse0-2mmkaumzurInfiltrationbei,obwohlihrAnteilanderMakroporositätsehrgroßist.Wurmröhrenmit5bis8mmDurchmessersindmaßgebendfürdieInfiltration.Mit10%derMakroporositätsindsiefür2/3derInfiltrationverantwortlich,ihreInfiltrationskapazitätistalsoimjenenFallca.8malgrößeralsdiederKlasse2-5mm.

4.3.6.3 Bewertung der Makroporosität

Tabelle 4/6 zeigt den verwendeten Ansatz für die Beurteilung der Wirksamkeit von Mp. Demnach ist bei weniger als 40 Mp/m2derEinflussaufdieInfiltrationverhältnismäßiggering.Ab70Mpprom2isteinegroßeundab150einesehrgroßeInfiltrationzuerwarten.DerBereich40bis70Mp/m2

istkritisch.ZusätzlichzurMp-ZählungwerdenhierInfiltrationsversuchebeitrockenenBodenver-



hältnisseninKombinationmitTracer(z.B.BrilliantBlue)empfohlen,umdievorhandenMpbessersichtbarzumachenunddieInfiltrationskapazitätzutesten.

Tab.4/6: BeurteilungderhydrologischenWirksamkeitderMakroporenanhandderZahlderMakroporen.

Makroporenzahlprom2 Makroporosität0-40 geringe Infiltration klein40-70 kritischer Bereich mäßig70-150 normale Infiltration großab 150 große Infiltration sehr groß

DieBeurteilungderMakroporositätimGeländemussjedochderTatsacheRechnungtragen,dassdiegroßenMpwesentlichmehrWasserindieTiefeleitenkönnenalskleinereMp.Umdiesenhy-drologischenUnterschiedzuberücksichtigen,wirddieZahldergroßenMp>5mmmitdemFaktor5multipliziert. Werden beispielsweise in einem Oberboden insgesamt 40 Mp/m2 festgestellt, und wei-sendavon10MpeinenDurchmesservon5mmundmehrauf,soergibtsichfolgendeEinschätzung:Die10großenMpwerdenmitFaktor5multipliziert(5x10)was50Mpergibt.50Mp+32kleineMp ergeben insgesamt 82 Mp. Die Wirksamkeit aller Mp entspricht also 82 Mp. In der Tabelle 4/6 liegenwirdamit(knapp)imBereich„Makroporositätgroß“undkönnenmit„normalerInfiltration“rechnen.

4.3.6.4 Erhebung der Makroporen im Felde

DieZahlderMpkannanhandvonstichprobenhaftenFeldzählungenerfasstwerden.DieseMetho-dewurdebereitsvonSmettemundCollis(1985)fürdieErfassungvonbiogenenMakroporenange-wandt. Dabei werden an horizontalen (quadratischen) Bodenschnitten im Abstand von 20 cm die Mp ausgezählt.MiteinerBürstemussdazudieOberflächederSchnittflächevonlosenBodenteilenbe-freitwerden12.Diesgelingtnur,wennderBodenverhältnismäßigtrockenist.Isterfeucht,werdendieHohlräumeverstopftundetlicheMpwerdensonichterfasst.Abbildung4/10zeigtsolcheHori-zontalschnitte.

Besonders Mp mit Durchmesser von weniger als 2 mm sind zwar weniger wichtig als große Mp, werdenaberselbstbeisorgfältigemArbeitenleichtübersehen.Manmussdavonausgehen,dassdiesoermittelteMp-Zahlschätzungsweisebiszu30%höherliegenkann,wennsämtlicheMperfasstwürden.DieRegenwurmaktivitätunterliegtaucheinersaisonalenSchwankung,dieRöhrendürftendemzufolge nicht immer gleich gut sichtbar sein.

Ein abgekürztes Verfahren der Mp-Erfassung istmöglich,wennsichanhanddesBodenprofilszeigt, dass sehr viele Makroporen vorhanden sind und daher der Boden keinesfalls kritisch hinsicht-lichMakroporositätist.Wennca.5–8Mpaneinerca.50cmbreitenProfilwandinetwagleicherHöheangeschnittensind,istdieMpgroßbissehrgroß,undeserübrigtsicheinedetaillierteMp-Un-tersuchung.

ZeigtsichaneinemBodenprofil,dassdiePackungsdichte(Kap.4.3.7)bei1-2liegt,kannvoneinemsehrlosenbislosenBodengefügeausgegangenwerden.InsolchenBödenbestehenausreichendRäu-mezwischendenBodenaggregaten,dieeinpräferentiellesFließenvonWassergestatten.

Abb.4/10nächsteSeite



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ca. 50 cm

ca. 50 cm

-10 cm

- 30 cm

- 50 cm

Horizontalschnitt an derBodengrube

x

x

x

Kleine, grosse WurmröhrenWurzelnSkelett

+

+- 10 cm

- 30 cm

- 50 cm

Aufsicht Anz. Mp d > 5 mm

Anz. Mp d < 5 mm

Total (nach Multiplikation*) Total Mp/m2Tiefe

Abb. 4/10: Die Beurteilung der Makroporosität am Boden-Horizontalschnitt. (*Die Zahl der grösseren Mp (d > 5 mm) werden mit Faktor 5 multipliziert).



4.3.7 Packungsdichte (Dichte resp. Verdichtung der Matrix)

DieVerdichtungvonBödenlässtsichdurchverschiedenequalitative(LagerungsdichtenachAGBODEN,1994;PackungsdichtenachHarrach&Sauer,2002oderDIN,1998)oderquantitativeGrö-ßen(z.B.mitStechzylinderermittelteLagerungsdichte,EindringwiderstandmitPenetrometer13) be-schreiben. Der Bestimmungsschlüssel bedient sich für die Beurteilung von Verdichtungen resp. der DichtedesBodensdes„integrativen“BegriffsderPackungsdichte.

Die theoretschen Grundlagen zur Packungsdichte sind in Harrach & Sauer (2002) im Detail beschrie-ben. So wird unter Packungsdichte (Pd)14 der mit gefügekundlichen Feldmethoden ermittelte Grad derKompaktheitbzw.LockerheiteinesBodenhorizontesverstanden,dereinenfundamentalenEin-flussaufwichtigeBodeneigenschaftenundBodenfunktionenwiePorengrößenverteilung,Wasser-durchlässigkeit,Durchlüftung,Durchwurzelbarkeit,Ertragsfähigkeit,Verdichtungsempfindlichkeitusw. ausübt. Diese Bodeneigenschaften bzw. Bodenfunktionen werden nicht durch die Packungs-dichteallein,sonderndurchdieKombinationvonKörnung(Textur),PackungsdichteundteilsauchWassergehalt bestimmt.

Bei Zunahme der Packungsdichte (Verdichtung des Bodens) oder bei ihrer Abnahme (Lockerung) ändertsichbesondersderSekundärporenanteildesBodens.UnterSekundärporenverstehtmanimGegensatzzudenkorngrößenbedingtenPrimärporendieaufbiogeneTätigkeit,Frost,Schrumpfung,mechanische Lockerung usw. zurückführbaren Grobporen. Die Packungsdichte ist folglich ein Aus-druckfürdenSekundärporenanteil,derz.B.fürdieLuft-undWasserdurchlässigkeitvonbesondererBedeutungist.DerfürdieInfiltrationwichtigeZusammenhangzwischenPackungsdichteWasser-leitfähigkeit(kf)wurdevonHarrach&Sauer2002untersucht.

DiePackungsdichtewirdin5Stufeneingeteilt:Pd1-5(Pd1sehrgering;Pd2gering;Pd3mittel;Pd4hoch;Pd5sehrhoch).FürdieBestimmungderPackungsdichtewerdenfolgendeKriterienmitun-terschiedlicher Gewichtung herangezogen:

Tab.4/7: DieKriterienundihreunterschiedlicheGewichtungzurBeurteilungderPackungsdichtenachHarrach&Sauer(2002).

Kriterien GewichtungMechanischer Eindringwiderstand mittlere GewichtungAggregatgröße mittlere GewichtungZusammenhalt des Bodengefüges (Verfestigungsgrad) mittlere GewichtungLagerungsart der Aggregate hohe GewichtungAnteil biogener Makroporen hohe GewichtungWurzelverteilung sehr hohe Gewichtung

Tab. 4/8 zeigt den Zusammenhang zwischen den Gefügemerkmalen, Wurzelverteilung und ihre di-agnostischeGewichtung.Siezeigt,dassbeisehrhoherPackungsdichtePd5einhoherEindringwi-derstand zu beobachten ist, die Lagerungsart der Aggregate meist geschlossen und damit der Anteil biogener Makroporen gering ist. Dies führt dazu, dass sich das Wurzelwachstum v.a. an Rissen ori-entiert.ImGegensatzdazuistbeisehrgeringerPackungsdichtePd1dermechanischeEindringwi-derstand gering, der Zusammenhalt des Bodens lose, die Lagerungsart der Aggregate sperrig und damitderAnteilderbiogenenMakroporenrechthoch.DieWurzelnkönnensichineinemsolchen



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Bodengleichmäßigundfreientfalten.DieBeurteilungderPackungsdichtekannweitgehendnachdieserTabelleerfolgen.ImAnhang5istdieBestimmungderPackungsdichteimDetailerklärt.

ImPBSerscheintdasKriterium„Matrixverdichtet“.LiegtdiePackungsdichtebei4oder5,giltdieMatrixalsverdichtet,liegtsiebei3,handeltessichumeinenÜbergangsbereichundessindu.U.wei-tergehende Untersuchungen notwendig.

Tab.4/8: TendenziellerZusammenhangzwischenGefügemerkmalen,WurzelverteilungundPackungsdichtesowieihrediagnostischeGewichtungnachHarrach&Sauer2002.

GefügemerkmalemittlererGewichtung GefügemerkmalehoherGewichtung

Gefüge-indikatorsehrhoherGewichtung

Mechanischer Bodenwider-stand

Aggregat-größe

Zusammenhalt des Bodengefüges (Verfestigungsgrad)

Lagerungs-art der Ag-gregate

Anteil bio-gener Ma-kroporen

Wurzelver-teilung

Packungs-dichte (Pd)

sehr gering sehr fein bis fein

sehr lose (nicht verfestigt)

sperrig sehr hoch gleichmäßig Pd 1 sehr gering

gering sehr fein bis mittel

lose (nicht verfestigt)

offen hoch gleichmäßig Pd 2 gering

mittel fein bis grob

mittel (schwach verfestigt)

halboffen mittel etwas ungleich- mäßig

Pd 3 mittel

hoch ittel bis sehr grob

fest (mittel bis stark verfestigt)

fast ge-schlossen

gerinr starke Häufung in Rissen

Pd 4 hoch

sehr hoch grob bis sehr grob

sehr fest (stark bis sehr stark verfestigt)

geschlossen sehr gering sehr starke Häufung in Rissen

Pd 5 sehr hoch

4.3.8 Matrixdurchlässigkeit

BeiderBeurteilungderAbflussprozessemitdenPBSfürintensiveNiederschlägespielendieMakro-poreneinezentraleRolle.BeiwenigerintensivenNiederschlägen(<ca.20mm/h)gelangtdasWas-serweitgehendalsSickerfrontdurchdieMatrixindenBoden15.

WenigerintensiveNiederschlägebiszu20mm/h(20mm/hentspricht5.5*10-6 m/s) liegen im Be-reichdergesättigtenLeitfähigkeiteinergutdurchlässigenMatrix.Siekönnenalsoweitgehend–zu-mindestübereinegewisseZeit–durchdieMatrixinfiltrieren.BeihöhererIntensitätistdieInfiltra-tionskapazitätderMatrixnichtmehrausreichend.DannisteingutausgebildetesMakroporensystemnötig,umeineguteInfiltrationzugarantieren.

Rawls&Brakensiek(1989)habendiegesättigteWasserleitfähigkeitvon2000Bodenprobenauswer-tet.DaraufbasierendwerdenhierverschiedeneDurchlässigkeitsbereichevorgeschlagen(Abb.4/11,Tab.4/9).ZusätzlichsindauchdieinderAGBODEN(1994)angegebenenDurchlässigkeitenfürver-schiedeneKorngrößenklasseninderAbbildungeingetragen.



Tab.4/9: DieBodenartenuntergruppendesFeinbodenseingeteiltinDurchlässigkeitsklassen.

Durchlässigkeitsklasse Korngrößekaum durchlässig Tt, TL, Tu2, Ts2, Ts3, Lts, Lt2, Lt3, Tu3Übergangsbereich Lu, Ls2, Ls3, Ls4, St3, Ts4, Ut4 gut durchlässig uU, Us, Su4, Su3, Su2, St2, Sl2, Sl3, Sl4, Slu, Uls, Ut2, Ut3, (Ut4)hoch durchlässig Ss, (St2, Sl2, Su2)

Eswirdempfohlen,imÜbergangsbereich(kritischeDurchlässigkeit)diePackungsdichteeinzubezie-hen.HorizontemitPd1-2dürftensicherlichundPd3bedingteineausreichendeMatrixdurchlässig-keitaufweisen.ZusätzlicheInfiltrations-oderKlein-BeregnungsversucheverleihenderBeurteilungmehr Gewicht (Kap. 5).

4.3.9 Laterale Fließwege

ImKap.2.3wurdendieFließwegeimBodenvorgestellt.HierwerdenhinsichtlichEntstehungdreiverschiedene Arten von Fließwegen (vgl. auch IHW, 2000) nochmals unterschieden:

Geologisch-pedologisch bedingte Fließwege

ÜberdemintaktenFelsgesteinliegtofteineVerwitterungsschicht,diewesentlichhöhereDurchläs-sigkeit als der darunterliegenden Fels resp. der darüberliegende Boden aufweist (Anhang 4, Foto17). ErreichtdasinfiltrierendeWassersolchehochdurchlässigenSchichtenkommteszuraschemlateralenFließen(Scherrer,199716).

Pedologisch bedingte Fließwege

DichteunterschiedeinBödenkönnenzuStauerscheinungenundzulateralemAbflussvonNieder-schlagswasser führen. Durch Auswaschung (Suffosion) von Feinmaterial oder durch die Wühlakti-vitätvonBodentieren(Anhang4,Foto18),abgestorbene(Baum-)WurzelnkönnenimBodeneigent-liche Pipes entstehen.

IndenPBSwirdbeitrockenen(„normalen“)Bödendavonausgegangen,dasslateraleFließwegebeieinerNeigung>10%einenHangentwässernkönnen.BeinassenBödenwirdhingegendavonaus-gegangen,dassdieserlateraleFlussschonab5%möglichist.

Dränagen

DränagendienenderunterirdischenEntwässerungvonBödenundgeltenebenfallsalspräferentielleFließwegeimBoden.UntersuchungenvonStamm,1999habengezeigt,dassdasZusammenwirkenvonvertikalenMakroporenundDränagenzuraschemAbflussführt.Dränagepläne,AussagenvonLandwirten,SchächteundAusläufeamBachsindwichtigeHinweiseaufdasVorhandenseinvonDränagen.ImGegensatzzulateralenFließwegenimBoden,dienebstanderenRandbedingungenzurAktivierungeineGeländeneigungvonetwa10%benötigen,könnenAbflüsseinDränagenschonbeisehrkleinenGeländeneigungenerfolgen.

LateraleFließwegelassensichkaumanBodenaufschlüssenbeobachtenoderdirektimGeländekar-tieren.SiekönnendeshalbindirektdurchAuswertungvonLuftbildern,ZurückverfolgenvonQuell-



18/2006

100

80 65 50 40 30 25 15 10

6510

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Ton

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Ts3

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Abb

. 4/1

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mm

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AB



wasser-oderReturnFlow-Wasseraustritten,ErfassenvonoberflächennahenWühlgängen,SuchenvonschmalenRinnenohneoberflächlicheFließspuren,welcheaufunterirdischeAuswaschungsvor-gängeverbundenmitNachsackendesBodenshindeutenu.a.,ermitteltwerden(vgl.Kap.3.2.2).Oftkann dabei weniger das effektive Vorkommen solcher Fließwege, als das Potenzial zu deren Bildung aneinemStandortoderHangeingeschätztwerden.

4.3.10 Hydromorphie17

Rabenhorstetal.(1996)gebeneinengutenÜberblicküberVernässungeninBödenundderenErfas-sung. Die Hydromorphie wird auf zwei verschiedene Arten in den PBS berücksichtigt. Zum einen beiderEntscheidung,obessichum„normale“Bödenoderum„maßgeblichvonGrund-undStau-wasserbeeinflussteBöden“handelt,undzumanderndurchverschiedeneKriterienimPBS.ObbeieinemStandortvoneinem„maßgeblichvonGrund-oderStauwasserbeeinflussten“Bodenauszuge-hen ist, kann anhand von Anzeichen für Hydromorphie oder eines vorhandenen Wasserspiegels be-urteilt werden.

Unterscheidung „normale“ Böden oder von Grund- und Stauwasser beeinflusste Böden

• WasserspiegelerzeugtdurchGrundwasser:UnterdieseKategorie fallensämtlicheGrund-wasserstufengemässTab.42AGBODEN(GWS1-GWS6).FürdieProzessbeurteilungsollzuerstvoneinemmittlerenGrundwasserabstand(MGW)ausgegangenwerden.JenachFragestellungkann aber auch der mittlere Hochstand des Grundwassers (MHGW) von Belang sein.

• WasserspiegelerzeugtdurchStauwassersindoftvorübergehenderNatur.OberflächennaheWas-serspiegelverschwindenmeistraschbeimÜbergangvonderNass-zurTrockenphase(AGBO-DEN,1994).ImFeldistdahernuranhandderVergleyungsspurenamBodenprofilaufsolcheStau-wasserspiegel zu schliessen.

Im PBS enthaltene Kriterien:

• AlsFlurabstandwirddervertikaleAbstanddesGrund-oderStauwasserspiegelszurOberflächebetrachtet.

• MitderLagederVergleyungsmerkmalesindOxidations-undReduktionserscheinungengemeint.• DerVergleyungsgradwirdüberdenVernässungsgrad(AGBODEN,Tab.44)beurteilt.DieStu-

fenVn0–Vn1(KA4,Tab.44)werdendem„Vernässungsgradschwach“(Vergleyungsgrad)zuge-teilt.

4.3.11 Geologie

DieGeologiebeeinflusstzusammenmitanderenFaktorendieEntstehungvonBöden.JenachVer-witterungsproduktderGeologieentstehendurchlässigereundwenigerdurchlässigeBöden.Aberauch der geologische Untergrund kann je nach Zusammensetzung der Schichten unterschiedlich durchlässigsein.SandigeFlussschotteroderstarkverkarsteteKalkeweisenextremhoheDurchläs-sigkeitenbiszu10-3m/sauf.ImGegensatzdazuzeigtunverwittertesKristallinDurchlässigkeitenvon10-11m/s.BeigroßerDurchlässigkeitistmitTiefensickerungzurechnen.KenntnisseüberdieDurchlässigkeitderGeologiesinddaherwichtig.



18/2006

In Rheinland-Pfalz sind verschiedene geologische Karten (1 : 25 000, 1 : 50 000) verfügbar, die in denErläuterungenAngabenüberdieDurchlässigkeitenbeinhalten.ZudemexistierenimMaßstab1 : 200 000 Kartenwerke der Grundwasserlandschaften oder der Hydrogeologie.



5 ZusatzuntersuchungenimFeldzurVerifikationderhergeleitetenProzesse

5.1 Einleitung

AnhandderimKapitel4.3aufgeführtenKriterienundBeurteilungsrichtlinienlässtsichderdominan-teAbflussprozessidentifizieren.BeiUnsicherheitenundzurVerifikationderProzessidentifikationsoll auf hydrologische Zusatzuntersuchungen zurückgegriffen werden. Tabelle 5/1 (IHW, 2000 leicht verändert)bewertetdieAussagekraftverschiedenerMethoden.

DieTabellezeigt,dassInfiltrometer-undKleinberegnungsversucheetlicheInformationenhinsicht-lichInfiltrationshemmnissenliefern.FürdieBeurteilungvonSOFsindKleinberegnungsversuchebessergeeignetalsInfiltrometer.DieDurchführungvonInfiltrometer-undKleinberegnungsversuchemit und ohne Tracer werden im folgenden Abschnitten beschrieben. Laterale Fließprozesse im Boden lassensichmitdiesenHilfsmittelnnurinbesonderenFällenerfassen.

5.2 VersuchemitDoppelringinfiltrometer

BeimDoppelringinfiltrometer(Abb.5/1)werdenzweiMetallringe(Durchmesser30cmund50cm)indenBodengetrieben.EswirdvorsichtigWassereingefülltundanschliessendiminnerenRingdieÄnderungderWasserspiegelhöheunddamitdieInfiltrationinzeitlicherAuflösunggemessen.DeräussereRingdientdazu,Randeffektezuverringern.BeiInfiltrometerversuchenwirdanderBoden-oberflächeeinAufstauerzeugt,wasbeieinemNiederschlagnormalerweisenichtvorkommt.DeshalbistdiegemesseneInfiltrationsratehöheralsbeinatürlichenNiederschlägen.DennochbietetdieseMethodeeineMöglichkeit,verschiedeneStandortezuvergleichenundbeivorsichtigerInterpretati-onauchAussagenüberdienatürlicheInfiltrationsratezutreffen.

5.3 VersuchemitKleinberegnungsanlage

Abbildung 5/2 zeigt die vom IHW entwickelte Kleinberegnungsanlage. Andere Anlagen sind die von BorkundBork,1981undMarkartundKohl(mündl.Mitteilung).Hierwirdmiteinerbatteriebetrie-benenPumpeWasserübereinenSchlauchvomVorratsbehälterzurDüsegepumptundübereinerkreisförmigenFlächevon1m2verregnet.BeikontinuierlicherBeregnunglassensichIntensitätenvon 50 mm h-1 bis 150 mm h-1 erzeugen, mit Intervall-Beregnung solche von 1 mm h-1 bis 50 mm h-1.DieBeregnungsflächewirddurcheinenMetallringabgegrenzt,der10cmindenHumusabgeteuftwird.DerÜbergangsbereichamMetallringwirdmitTonabgedichtet.AuftretenderOberflächenab-flussverlässtdenRingdurcheinenAuslassandertiefstenStelleundwirddurcheinenSchlauchzueiner Wippe geführt18.

DerAufbauderAnlage,diemitsämtlichemZubehöretwa80kgwiegt,dauertzwischen30und45min.JenachVersuchsdauerkönnenmitdieserAnlage4bis6BeregnungenproTagdurchgeführtwerden.



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Pumpe

Wippe

Düse

Metallring

1.1 m

Abb. 5/1: Doppelringinfiltrometer (IHW, 2000)

Abb. 5/2: Versuchaufbau Kleinberegnungsanlage (IHW, 2000)



Tab.5/1:InformationenundHinweise,dieInfiltrometerundKleinberegnungsversucheliefern.

Abfl

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D detaillierte Aussagen mit großem Informationsgehalt

b bedingt Aussagen möglich

z zum Teil Aussagen möglich

- keine Aussagen möglich

5.4 EinsatzvonTracernbeiInfiltrometerundKleinberegnungsversuchen

MitdemEinsatzvonTracernkannderInformationsgehaltderInfiltrometer-undKleinbereg-nungsversuchedeutlicherhöhtwerden(Ghodrati,1990;Fluryetal.,1994).EingeeigneterTracerzurVisualisierungvonFließwegenistderFarbstoffBrilliantBlueFCF.ErstellteinengutenKompro-misszwischengeringerSorption,SichtbarkeitundeinerhohenUmweltverträglichkeitdar(Flury&Flühler,1995).DerTracerwirdjenachFragestellungdemBeregungswasserkontinuierlichodernacheinerbestimmtenInfiltrationsmengezugegeben.NachdemBeregnungsversuchwerdenaufderVer-suchsflächevorsichtighorizontaleund/odervertikaleBodenprofilepräpariertundfotografiert.Mitdieser Methode lassen sich einzelne Fließwege und das Ausbreitungsmuster des Wassers im Boden untersuchen.DamitwirddieZuordnungvonFlächenzubestimmtenAbflussprozessenerleichtert.



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5.5 TracerversucheanHängen

MitFluoreszenztracern(Uranin,Eosin)oderanionischenTracern(Chlorid,Bromid)lassensichla-teraleFließwegeanHängenuntersuchen.DazuwirdaneinerStelleimHangoberflächlichoderimBodenderTracereingespeistundhangabwärtsdasaustretendeWasseroderdasWasserinderge-sättigtenZoneaufseineTracerkonzentrationhingetestet.SolcheVersuchekönnenunterstationärenBedingungen durchgeführt werden, was aber eine künstliche Beregnung voraussetzt, oder unter in-stationärenBedingungen,beinatürlichenNiederschlagsereignissen,wasmeisteinelangeVersuchs-dauer bedingt. Besonders in Gebieten, wo die Prozessevaluation ausgedehnte Areale mit lateralen AbflussprozessenimBodenergibt,werdensolcheVersucheempfohlen.



6 BeispielederProzessbeurteilungaufverschiedenenRaumSkalen

6.1 Einleitung

AndieserStellewerdeneinzelneBeispielederProzessevaluationvorgestellt.DamitlässtsichdieVorgehensweise am praktischen Beispiel nachvollziehen. Zudem wird auch ein Feldformular zur ErfassungderKriteriengezeigtundanhandzweierStandortemitunterschiedlicherLandnutzungwirddieErfassungderStandorteigenschaftenunddieEvaluationderdominantenAbflussprozessedemonstriert.AmEinzugsgebietIdarbachbeiAllenbachwerdenaneinerProzess-Catenadieunter-schiedlichenAbflussprozessepräsentiert.DieflächendeckendeProzesskartestelltdasEndproduktderräumlichenÜbertragungdervomStandortausgehendenAbflussprozess-Kartierungdar.

6.2 DieProzessbeurteilungamStandort

6.2.1 Unterlagen zur Erhebung

Die Untersuchungen der Standorte laufen nach einem einheitlichen Vorgehen ab, welches beispielhaft inderAbbildung6/1,6/4und6/5dargestelltist.Abbildung6/1zeigtdasFormularzurErfassungab-flussrelevanterKriterien.NebstdenStandortdaten(Lage,Relief,Bodentyp,Geologie)sinddieinden PBS enthaltenen Kriterien aufgeführt. Die Mp-Zahl kann in das Formular dem Bodenhorizont entsprechendeingetragenundanhanddesMaßstabesdieMakroporositätbestimmtwerden.FürdieBeurteilungderMatrixdurchlässigkeitbestehteinKorngrößen-DreieckmitdefiniertenDurchläs-sigkeitsbereichen.AllfälligeZusatzuntersuchungen(InfiltrometerversucheundKleinberegungsver-suchemitundohneTracerzugabe)könnenalsGraphen(Infiltrations-oderOberflächenabflussmengeinAbhängigkeitderZeit)odereinfachalsWerteindiefreieFlächeeingetragenwerden.BasierendaufdenAngabenaufdiesemFormularkönnensämtlicheEntscheidungsfragenimPBSbeantwortetwerden. An den Beispielen Massweiler P02 und P07 werden zwei Standortuntersuchungen und Pro-zessbeurteilungen vorgestellt.

6.2.2 Die Prozessbeurteilung an zwei Standorten und Prozesskarte Massweiler-Kneispermühle

6.2.2.1 Einleitung

Im September 2000 wurden in der Gegend von Massweiler nordwestlich von Pirmasens verschie-deneStandortenachAbflussprozessenuntersucht.DasUntersuchungsgebietMassweilerstellteinetypischeRaumeinheitSaarländisch-PfälzischenMuschelkalkgebietsdar.DasUntersuchungsgebietist im Kartenausschnitt (Abb. 6/2) dargestellt und die im Landwirtschaftsgebiet liegenden Untersu-chungsstandorte (P01 bis P07) sind eingetragen. Die zertalte Plateaulandschaft wird zu einem über-wiegendenTeilderSüdwestpfälzischenHochflächezugeordnetundbestehtausHochflächenum350mü.NNundverzweigtenTälernmiteinerTalsohleaufca.230mü.NN.DiesteilerenAbhängeweisenmeistWaldauf,währenddieHochflächenvorwiegendackerbaulichaber,z.T.auchalsGrün-land genutzt werden.



18/2006

6.2.2.2 Geologie

DieAngabenzuGeologie,BödenundKlimaentstammendenErläuterungenzurgeologischenKartePirmasens-Nord(Konrad,1975).InderAbbildung6/3istdieVerbreitungdergeologischenSchichtendargestellt.DiehöhergelegenenGebietebestehenausdemtriadischenUnteren Muschelkalk (mu2 und mu1). Der Wellenkalk (mu2) tritt kaum auf.

HingegensinddieMuschelsandsteineunddiemergeligenSchichtenstarkvertreten.EineWechsel-folge von gelblichgrauen Sandsteinen und grüngrauen mehr oder minder sandigen Tonsteinen bau-en diese Schichten auf. Gegen unten schliessen die Schichten des Oberen Buntsandsteins (so2 und so1)an.DieSchichtendesVoltzien-Sandstein(so2)bestehenauswenigerdurchlässigenFeinsand-stein,währenddieanschliessendenSchichtendesso1,diesog.Zwischenschichten,ausbesserdurch-lässigengröberenSandsteinenbestehen.

6.2.2.3 Klima

DerjährlicheNiederschlagliegtimBereichzwischen600und900mm/a,diemittlereJahres-temperatur bei 8.7 ° C.

6.2.2.4 Massweiler, Standort P02: Ackerstandort auf Muschelsandstein

Die Lage der Bodengrube PO2 ist aus der Karte und der Standortcharakterisierung ersichtlich (Abb. 6/2 und 3 und 6/4).

Bodenansprache

Auf den Schichten des Voltzien-Sandsteins hat sich ein Pseudogley-Boden entwickelt. Unter dem 0.2 mmächtigenAp-HorizontliegteinbeigebraunerSw-HorizontmitgrauenFlecken.Eshandeltsichum einen regenwurmreichen sandigen Silt. In 0.6 m Tiefe folgt der ebenfalls beigebraune sandig-sil-tigeSd-Horizont.JedochtrittmitzunehmenderTiefediebeigebrauneFarbezuGunstenvonrotenundgrauenFleckensowiestarkenMarmorierungen(25%)indenHintergrund.ImganzenProfilwarkein Skelett feststellbar.

Beurteilung der abflussrelevanten Kriterien

DieAbbildung6/5zeigtdieBeurteilungabflussrelevanterKriterien.TrotzergiebigerNiederschlägeimVorfeldderUntersuchungenwurdenkaumHinweiseaufVerschlämmungenaufderBodenober-flächefestgestellt.ZudembliebenbeimVerschlämmungstest(einfacherNass-Siebungstest)dieBo-denaggregatestabil.DieMakroporendichtewurdeaufgrundderAuszählungalshochangesprochen.Der Tracerversuch hingegen brachte aufgrund der hohen Bodenfeuchte nicht die gewünschten Re-sultate.AndiesemStandortwürdesichein(nochmaliger)InfiltrometerversuchkombiniertmitTra-cereinsatzbeiwenigerfeuchtenBodenverhältnissenlohnen.

Prozessbeurteilung

DieAbbildungen6/6(niedrigeIntensität)und6/7(hoheIntensität)zeigendieProzessbeurteilung.BeiniedrigerNiederschlagsintensitäterfolgtSOF3.DankgünstigerInfiltrationsbedingungen(fürAcker-standortehoheMakroporosität)kanneingroßerTeildesoftfeuchtenBodenprofilsgesättigtwerden.DeshalbtrittOberflächenabflusserstverzögertauf.19



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niedrige Niederschlagsintensitäthohe Niederschlagsintensität

Abb. 6/1: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien.

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18/2006

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Abb. 6/2: Topographische Karte (1:50'000, L6710, Pirmasens-Nord, Landesvermessungsamt Rheinland-Pfalz, 1993) mit der Lage der Untersuchungsstandorte (P01-P07).

Kalksteine, blaugrau,feinschichtig,an der Basis Karbonatbreccie

Sand-, Schluff-, und Tonsteine, grau, teilweise karbonatisch, im oberen Teil Mergel mit Dolomitbänken, τ = Haupt-Terebratelbank

Sandsteine, rot und gebleicht, mittel- bis grobkörnig,Tonsteine rot untergeordnet auch grüngrau

Sandsteine, im unteren Teil rötlichgrau, grob geröllführend; nach oben graurot, glimmerführend, geröllfrei, mit Karbonatknauren und Dolomit-bröckelbänken; oberste Partien Sandsteine, mittel- und grobkörnig

Abb. 6/3: Geologische Karte im Massstab 1 : 25'000 (Geologisches LandesamtRheinland-Pfalz, Mainz, 1974, Blatt 6711, Pirmasens-Nord).

Mergelige Schichten, Muschelsandstein Wellenkalk

Zwischenschichten, Hauptkonglomerat, Obere Felszone Voltziensandstein

1 cm

250 m

PO1

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PO4

PO5

PO6,7



6.2.2.5 Massweiler, Standort P06: Mähwiese auf Voltzien-Sandstein

An diesen Standort wurde eine lange Schürfgrube (Graben) angelegt, welche sowohl die Acker- als auch die Grünlandparzelle erfasste.

Bodenansprache

An diesem, 12% geneigten Standort wurde auf den Zwischenschichten (Ob. Buntsandstein) eine flachgründigeRanker-Braunerdeaufgeschlossen(Abb.6/8).DerlangeGrabenzeigtedievariierendeGründigkeitdesBodenssehreindrücklich.Diesandig-lehmigeBodenmatrixwieswederVerdich-tungen,nochvieleMpimOberbodenaus(Abb.6/9).ImUnterbodenkonntenetlicheMpbeobach-tet werden und mit der Tiefe nahm der Skelettgehalt auf ca. 10% zu. Die Zwischenschichten des ob. Buntsandsteins,dieausgrobkörnigenSandsteinenaufgebautsind,zeigenbessereDurchlässigkeitalsder Voltzien-Sandstein. Die Grabarbeiten brachten einen plattigen Sandstein mit etlichen Fugen zu-tage,diefürinfiltrierendesWasserdurchdringbarscheinen.

Prozessbeurteilung

AufgrundderBeurteilungderabflussrelevantenKriterienkanndieProzessbeurteilunginAbbildung6/10(niedrige)und6/11(hoheIntensität)vorgenommenwerden.AufgrundderhohenDurchlässigkeitderMatrixundder(wahrscheinlich)gutenDurchlässigkeitderGeologiedürftesichbeiergiebigen,wenigintensivenNiederschlägenTiefensickerungalsdominanterProzesseinstellen.Ebenfallseinge-tragen ist der Beurteilungsweg, wenn von stauendem Untergrund ausgegangen wird (SSF3).

BeiintensivenNiederschlägenstelltdieMp-ArmutimOberbodeneinHemmnisfürdieInfiltrationdar.InjenemFallstelltsichHOF2alsdominanterProzessein.DieErfassungderMpinderUm-gebungdiesesStandortsundweitereUntersuchungen(Kleinberegnungs-undInfiltrometerversuchemitoderohneTracer)müssenhingegenAufschlussüberdieInfiltrationsverhältnissebeiGewitter-niederschlägengeben.



18/2006

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Abb. 6/4: Die Bodenansprache am Standort Massweiler P02.



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niedrige Niederschlagsintensität hohe Niederschlagsintensität

Abb. 6/5: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien aus Standort Massweiler (P02).

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2000

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18/2006

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Abb. 6/7: Prozessbeurteilung am Standort Massweiler P02 (hohe Niederschlagsintensität).Die punktierte Linie markiert den Entscheidungsgang.



18/2006

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niedrige Niederschlagsintensität hohe Niederschlagsintensität

Abb. 6/9: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien aus Standort Massweiler P06.

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Abb. 6/10: Prozessbeurteilung am Standort Massweiler P06 (niedrige Niederschlagsintensität).Die punktierte Linie markiert den Entscheidungsgang.

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Abb. 6/11: Prozessbeurteilung am Standort Massweiler P06 (hohe Niederschlagsintensität).

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18/2006

6.2.2.6 Prozesskarte Massweiler-Kneispermühle

Prozesskarte wenig intensive Niederschläge

Abb.6/12zeigtdieProzesskarteMassweilerfürNiederschlägegeringerIntensität.Imlandwirt-schaftlich genutzten Gebiet (oberer Gebietsteil) überwiegt SOF3 als dominanter Prozess. In den ebenenFlächenMüllkopfundHäselbergerhofisttrotzteilweisesehrflachgründigerBöden(P03)DPzuerwarten,daderSandsteinrechtdurchlässigist.SOF2istlediglichaufschmaleMuldenarealenbegrenzt,wosichdieBodenfeuchtelängerhältundsichstellenweisepseudovergleyteBödenentwi-ckelt haben. Beim Standort P02 (Pseudogley) wurde SOF3 (Grenzfall zu SOF2) als dominanter Pro-zessevaluiert.AllerdingsistdiesesBandmitpseudoverleytenBödenimGeländeschmal(Breite:we-nigeMeter,Höhenlage:ca.auf360mü.NN),sodassesalsProzessarealeohnehinnichtabgegrenztwerden muss.

Die bewaldeten HängeliegenimBereichdesoberenBuntsandsteins.DieBödensindsehrsandigundtrotzteilweisebeachtlicherHangneigungrechttiefgründig.Fließgerinne,dieaufAbflussbildungimWaldgebiethindeuten,fehlengänzlich.AllerdingshatesGerinne,derenUrsprungaufdenland-wirtschaftlichgenutztenFlächenliegen.DiebegutachtetenAufschlüsseimWaldzeigeneinzelne,meistkurzeundwenighoheFelskanzeln.DasFehlendurchgehenderFelsbänderdeutetdaraufhin,dasswahrscheinlichdieZwischenbereichestärkerverwittertsindundnichtnurinGefällsrichtungsondernauchhorizontalgrößereUnterschiedeinderDurchlässigkeitdieserFelsformationenbeste-hen.

Aufgrunddersandigen,tiefgründigenunddurchlässigenBödendürfteindenHängenmeistDP,anwenigenStellenSSF3dominieren.GebietemitstärkeremlateralenAbflussimBoden(SSF2)sindaufgrunddesFehlensvonStauschichtenkaumwahrscheinlich,abgesehenvonextremsteilenWald-flächenmitnahezuanstehendemSandssteinfels.

InderAuedesSchwarzbachs(GrundwasserspiegelwenigedmunterFlur)dürfteaufdennassenBö-den SOF2 auftreten. Mit SOF1 ist aufgrund der geringen Hangneigung kaum zu rechnen.

Als Gesamtbeurteilung kann festgestellt werden:

• DieverzögertenAbflussprozesseSOF3,SSF3undDPsindflächenmäßigdominantimGebiet.• RascheAbflussbildungsindaufwenigeMuldenflächenbegrenzt.• BeilangenNiederschlägendürftenzuersteinzelneStrassenflächen(HOF)undMuldenflächen(ge-

ringeresSättigungsdefizit)ansprechen.• DiestarkeundrascheAbflussbildungkonzentriertsichjedochaufkleineAreale.Insgesamtwird

indiesemGebieteinestarkbissehrstarkverzögerteAbflussbildungbeianhaltendenNiederschlä-gen zu erwarten sein.

Prozesskarte intensive Niederschläge

DieStandortkartierunghatergeben,dasssichaufgrunddergutenDurchlässigkeitderBödenkeinewesentlichenUnterschiedederAbflussprozesseresultieren.VonderNiederschlagsintensitätabhän-gigeUnterschiedeimAbflussverhaltensindnuraufkleinenArealenzuerwarten.DieseArealeliegeninTiefenliniendesReliefs,welchedenOberflächenabflusssammelnundihnabführen.DerNieder-



schlagderaufdieseFlächenfällt,fließtalsHOFab.StrassenundWege,dieinsolchenMuldenver-laufen,nehmenden(marginalen)AbflussderÄckerauf.

Dass Wege und Strassen als Wasserleitlinien dienen, zeigte sich auch auf dem Weg Kneispermühle- Häselberg,woderKiesbelagerheblicheErosionsspurenaufwies.

Dabeikurzen,intensivenNiederschlägenkaumdieNiederschlagsvolumenanfallen,diezumAuslö-senvonSOF3oderSSF3ausreichendsind,istaufjenenFlächenDPzuerwarten.AufnassenBödenderBachaue(Schwarzbach)hingegenreichtdieInfiltrationskapazitätbeiStarkregennichtausundesentstehtHOF2(J>ca.3%).

Abb.6/12,13(nächsteSeite)

6.3 DieAbflussprozesseanverschiedenenHängenundineinemEinzugsgebiet

6.3.1 Einleitung

IndiesemKapitelwerdenHangsequenzen(Catena)ausverschiedenenEinzugsgebietendargestelltunderläutert.DieProzess-Evaluationbeziehtsichaufwenigintensive,ergiebigeNiederschläge.Diessollzeigen,wiedieProzessabfolgeanHängenaussehenkannundwiesichdieverschiedenenProzes-sarealeaneinemHangbeeinflussenkönnen.ZudemwirddieProzesskartedesIdarbach-Einzugsge-biets vorgestellt (IHW, 2000).

6.3.2 Beispiele einiger Prozess-Catena

6.3.2.1 Prozess-Catena Idarbach 1 (Ringelkopf-Schwarzenbruch)

Abbildung6/14zeigteinLängsprofildesHangesmitGeologie,BödenundLandnutzung(InstitutfürHydromechanikundWasserwirtschaftderETHZürich,2000).DerHangweistimoberenTeilmit-telgründigeBödenauf,dieimunterenTeildesHangesüberGehängeschuttundGehängelehmliegenundanMächtigkeitzunehmen.EinedetaillierteBeschreibungderBodenprofilebefindetsichinIHW(2000).ÜberdemkompaktenQuarzitsandsteinliegteinewenigeMetermächtigeVerwitterungs-schicht,dieklüftigunddurchlässigist.DieausdemVerwitterungsproduktentstandenenBödensindebenfallsdurchlässig.(s.Abb6/14)

DarausergibtsichdasfolgendeProzessbild:AufdemflacherenRingelkopfundimoberstenTeildesHangessickertNiederschlagswasserdurchdiedurchlässigeMatrixundentlangvonMakroporen(Pflanzenwurzeln)indieBödenundweiterindenverwittertenUntergrund(Abb.6/14a).AufgrunddesbeachtlichenSpeichervermögensderBödenundderdarunterliegendenVerwitterungsschichtistaufdiesenFlächenTiefensickerung(DP)zuerwarten.ImMittelhangfließtinfiltriertesNieder-schlagswassererstnachausreichenderBenetzungstarkverzögert(SSF3)hangabwärts(Abb.6/14b).AufgrundderbeachtlichenBodenmächtigkeitdürftendieseBödenkaumvollständiggesättigtwerden.ImunterenHangteilwirddasSättigungsdefizitmitzunehmenderGerinnenähegeringer,daHang-wasserkontinuierlichindiesenBereichentwässert.EsentstehtverzögerterAbflussimBoden(SSF2undSSF1,Abb.6/14c)entlanglateralerFließwege(Pipes,hochdurchlässigeHorizonteinderVerwit-terungsschicht). In einem schmalen Saum entlang des Idarbachs liegt der Wasserspiegel nur wenige ZentimeterunterFlur,undesentstehtOberflächenabfluss(SOF1)alsFolgederraschenBodensätti-



18/2006

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Abb. 6/12: Dominante Abflussprozesse bei langen, wenig intensiven Niederschlägenim Einzugsgebiet Massweiler-Kneispermühle.

Abb. 6/13: Dominante Abflussprozesse bei intensiven Niederschlägenim Einzugsgebiet Massweiler-Kneispermühle.

Untersuchungsgebiet

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gung.TrotzderbeachtlichenSteilheitdesHangesistdieAbflussbildunginfolgederverhältnismäßigmächtigenBodenprofileunddemFehleneinerdichtenStauschicht(Fels)verzögert.

6.3.2.2 Prozess-Catena Idarbach 2 (Am Sand - Honigsack)

Abbildung 6/15 zeigt eine Prozess-Catena des unbewaldeten Teils des Idarbach-Einzugsgebiets. Im Hang wechselt der Untergrund von Taunusquarzit zu Hunsrückschiefer. Der mittlere Teil des Hanges im Bereich der trockenen Böden wird ackerbaulich genutzt, der untere Teil mit feuchten bis nassen Böden dient als Mähwiese und Weide.

Im flacheren, obersten Teil des Hanges haben sich auf Quarzit tiefgründige, durchlässige Böden entwi-ckelt. Dank guten Infiltrations- und Speichereigenschaften findet dort DP statt. Im bewaldeten Ober-hang fließt das Wasser verzögert lateral im Boden ab (SSF3). Im Mittelhang sind über dem Hunsrück-schiefer relativ mächtige Böden entstanden, die ackerbaulich genutzt werden. An der Bodenoberfläche besteht keine Verschlämmungsneigung, sodass die sandig-lehmigen Böden günstige Infiltration zei-gen. Sie sättigen sich daher langsam und es entsteht SOF3. Im steileren Teil des Mittelhanges sind die Böden flachgründiger und die Voraussetzungen für lateralen Abfluss im Boden günstig (SSF2). Dieses Wasser gelangt im flacher werdenden Unterhang wieder an die Oberfläche (RF) und sorgt für ver-nässte Böden in jenem Bereich. Dies ermöglicht SOF2, in Gerinnenähe sogar SOF1. (s. Abb 6/15)

6.3.2.3 Prozess-Catena Ror (Kanton Zürich, Schweiz)

Die Prozess-Catena Ror liegt in einem Kleineinzugsgebiet ca. 20 km südöstlich von Zürich, das von Schmocker-Fackel (2004) detailliert nach Abflussprozessen untersucht wurde. Abbildung 6/16 zeigt die Prozesscatena eines 500 m langen, landwirtschaftlich genutzten, NE exponierten Hanges. Der oberflächennahe Untergrund bildet die Moräne eines Drumlins und ein Kolluvium, der tiefere Unter-grund besteht aus Sandsteinen und Mergeln der Oberen Süsswasser Molasse. Die Prozessevaluation stützt sich zusätzlich auf Messungen ab (Piezometer GW1, 3, 6. 8, 9).

Im Oberhang (GW9) bildet die schwach durchlässige Moräne ein Hindernis für die vertikale Sicke-rung und die laterale Durchlässigkeit des Bodens ist gering (SOF2). Beim abrupten Gefällewechsel bei GW8, tritt Wasser als Return Flow (RF) aus und sorgt kleinräumig für SOF1. Weiter unten liegt ein besser durchlässiges Kolluvium, das nur bei sehr ergiebigen Niederschlägen gesättigt wird (SOF3) und leichten lateralen Abfluss im Boden (SSF3) ermöglicht. Weiter unten liegt ein weiterer Gefälls-knick bevor der Hang über der Molasse ausflacht. Beim Gefällsknick wurde austretendes Hangwasser beobachtet (RF) was kleinflächig SOF1 erzeugte. Dieses Wasser infiltriert wieder, sodass unterhalb davon auf den zeitweise feuchten bis gar nassen Böden SOF2 kartiert wurde. In der Nähe des Baches (GW1) wurde der Boden drainiert. Die häufige Sättigung des Bodens in jenem Bereich deutet auf ein-geschränkte Funktionstüchtigkeit der Drainagen hin (SOF1). (s. Abb. 6/16)

6.3.2.4 Prozess-Catena Grundsgraben, Zemmer (Rheinland-Pfalz)

Das Einzugsgebiet des Grundsgrabens bei Zemmer liegt ca. 15 km nördlich von Trier. Dieses Gebiet wurde von Schobel detailliert nach Abflussprozessen untersucht (Steffen Schobel, 2004). Die darge-stellte Catena basiert auf Scherrer AG (2005). Der Hang liegt im Bereich des Oberen Buntsandsteins, der aus den Sandsteinen der Zwischenschichten (so1) und den Wechsellagerungen aus Sand-, Schluff- und Tonsteinen des Voltziensandsteines (so2) aufgebaut ist. Die Böden des oberen, ackerbaulich ge-nutzten Hangteils sind je nach Durchlässigkeit des Ausgangsmaterials Braunerden und Pseudogleye. Im unteren, steileren und bewaldeten Bereich liegen Braunerden und Regosole.



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Abbildung6/17zeigtdieProzesscatena.ImKastenüberdemHangprofilsinddieErgebnissederPro-zessbeurteilungnachPBSfürdenStandortangegeben,daruntersindunterdemBegriff„Catena“dieevaluiertenProzesseaufgeführt,wennzusätzlichnochhanghydrologischeAspekteberücksichtigtwerden.

InderKuppenlageamoberenEndedesHangesergibtdasPBSSOF3.AngesichtsderFlachheitdesGeländeundderperipherenLagedieserFlächewurdedieFlächealsnichtbeitragendbeurteilt.Dermittlere Teil des Hanges wird als SOF3 beurteilt. Im steileren, bewaldeten Unterhang ergibt das PBS aufgrundderteilweisehochdurchlässigenSandsteineDP.Dieswürdebedeuten,dassdasalsSOF3abfließendeNiederschlagswasserdesOberhangesinjenembachnahenSaumversickernwürde.DadieserSaumnurwenige10er-Meterbreitist,isteinewesentliche„Pufferung“desAbflusseskaumwahrscheinlich. Die Besichtigung des Steilhanges zeigte auch, dass verschiedene Rinnen vom Wald-rand bis zum Bach hinunter reichen, d. h. der landwirtschaftlich genutzte Bereich des Hanges ist also ans Gerinne angeschlossen. (s. Abb. 6/17)

6.3.2.4 Prozess-Catena mit starker gegenseitiger Beeinflussung der Prozessflächen

Abbildung6/18zeigteineProzesscatenamitstarkergegenseitigerBeeinflussungProzessflächen.ImOberhang liegt ein schmales Kalksteinband. Unterhalb davon bilden Tonschichten den geologischen Untergrund,worauffeuchtebisnasseBödenentstandensind(Gleye,Pseudogleye).HangabwärtsstreichteineetwasbesserdurchlässigeMergelformationausundamHangfussbildenKalkgesteineden Untergrund.

Im obersten Hangabschnitt über Kalkgestein versickert das Niederschlagswasser (DP). Der Abschnitt mitTonuntergrundmitfeuchtenbisnassenBödenwirdgemässPBSalsSOF1bis2klassifiziert.DeranschliessendeBereichmitMergeluntergrundwirdgemässPBSalsSOF3klassifiziert,derHangfussalsSSF2.DadieimoberenTeildesHangesliegenden,starkreagierendenSOF1-2-Flächendenunter-halbdavonliegendenSOF3-FlächenWasserzuführen,wirddieProzessintensitätvonSOF3aufSOF2erhöht.ImBereichdesHangfusseserhöhtsichdieIntensitätvonSSF2aufSSF1.(s.Abb.6/18)

6.3.3 Abflussprozesskarte des Idarbach-Einzugsgebiets

DerIdarbachliegtimHunsrückzwischen478und766mü.NN.DerJahresniederschlagbeträgt1055mm. Der geologische Untergrund bildet der Hunsrückschiefer und der Taunusquarzit. Darauf ent-wickeltensichstarksaureBraunerdenmitsandig-lehmigerTextur.DieBödenaufGehängeschuttab-lagerungendesQuarzitssindteilweisevernässt,undesentwickeltensichGleyeunterschiedlichsterAusprägung.

MittelsderzusammengetragenenGrundlagenundderProzess-CatenenkonntedieAbflussprozess-karteermitteltwerden(Abb.6/19).Abbildung6/20zeigtdenAnteilderverschiedenenAbflusspro-zesseimEinzugsgebietbeiwenigintensivenNiederschlägen.Auf12%derGebietsflächefindetent-langderGerinneundindenvernässtenBereichensofortigerOberflächenabfluss(SOF1)alsFolgederBodensättigungstatt.IndenlandwirtschaftlichgenutztenUnterhängenimunterenTeildesEinzugs-gebietsliegenArealemitverzögertemOberflächenabfluss(SOF2:8%).ImForstsinddieFlächenmitsofortigemAbflussimBoden(SSF1)klein(8%)undliegenoftoberhalbvongesättigtenBereichen.DominantsindhingegenleichtundstarkverzögerterAbflussimBoden(SSF2undSSF3)mit18resp.32%.KaumodergarnichtanderAbflussbildungbeteiligtsind16%derGebietsfläche(DP).RascheAbflüssealsFolgevonInfiltrationshemmnissenspielenimIdarbachbeilanganhaltendenNiederschlä-gen kaum eine Rolle. (s. Abb. 6/19 und Abb. 6/20)



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Abkürzungsverzeichnis:

AGBODEN Kartieranleitung4(AG,Bodenkunde,1994).

ATKIS Amtlich topographisch-kartographisches Informationssystem der Landesver

messungsämter

c Carbonatgehalt

h Humusgehalt

Vn Vernässungstufe

Ver Verschlämmungsneigung

W Durchwurzelungsintensität

I Niederschlagsintensität

Mp Makroporen,Makroporosität

PBS Prozess-Beurteilungsschema

Pd Packungsdichte

SSF SubsurfaceFlow(AbflussimBoden)

HOF HortonischerOberflächenabfluss

THOF TemporaryHortonianOverlandFlow(vorübergehenderOberflächenabfluss)

SOF SaturationOverlandFlow(gesättigterOberflächenabfluss)

DP Deep percolation (Tiefensickerung)



Anhang

Anhang1: GrundlagenzudenAbflussprozessenaufverschiedenerLandnutzung

Anhang 2: Weitergehende Untersuchungen zur Vorerkundung

Anhang3: Abflussreaktionskurven

Anhang 4: Fotodokumentation

Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte nach Harrach & Sauer, 2002

Anhang6: VerschiedeneFormularezurErfassunghochwasserrelevanterKriterien

Fußnoten

1DieUnterscheidungzwischenHortonschemOberflächenabfluss(HOF)undgesättigtemOberflä-chenabfluss(SOF,sieheS.7)istoftschwierig.VerschiedeneAutorensprechenvonSOF,wenneinOberboden,derübereinemwenigerdurchlässigenUnterbodenliegt,gesättigtwird.DaalsUrsa-chefürdenOberflächenabflusseinInfiltrationshemmnisdesUnterbodensvorliegt,gehenwirinsolchenFällenvonHOFaus.VonSOFwirdhiergesprochen,wenn(weitgehend)diegesamteBo-densäulegesättigtist.

2DerVorgangderVerschlämmungkanndurcheinenhohenRegenwurmbesatzunddiedamitver-bundenePerforationderVerschlämmungskrustekompensiertwerden.

3FachliteraturwieHillslopeHydrology(Kirkby,1978)oderProcessstudiesinhillslopehydrology(Anderson&Burt,1990)vermitteltAnschauungsmaterial,wiemansichdasZusammenwirkenvonAbflussprozessenvorstellenmuss.

4 Die Anwendung der PBS stützt sich auf Informationen ab, die an Bodengruben erhoben werden können.SondierungengebenzwarAufschlussüberSchichtung,Textur,Bodenfarbe,etc.,hinge-gen sind Aussagen über die Struktur an einer Sonde (Pürkhauer oder Rammkernbohrung) kaum machbar.

5DieEntwicklungvongeographischenInformationssystemenhatdazugeführt,dassverschieden-artige,digitalverfügbareGeländedatenmiteinanderkombiniert(„verschnitten“)werden,undsobeispielsweiseaufdieAbflussreaktionvonEinzugsgebietengeschlossenwird.DieseVerfahrenhabenbisheutenichtdenerwartetenErfolggehabt.VerschiedeneGründesinddafürverantwort-lich,wiebeispielsweisedieKomplexitätdesAbflussbildungsprozesses,fehlendesoderunvollstän-digesProzessverständnis,UnkenntnisdermaßgebendenParameterundderenZusammenwirken,gegenseitigeräumlicheBeeinflussungderProzesse,mangelndeVerfügbarkeitwichtigerParame-terwiez.B.Makroporositätu.v.a.

6EineCatenaisteineregelhafteAbfolgevonBödenaneinemHang,diedurchUmlagerungsprozessedifferenziert wurden.

7HeterogenitätenbeiAufbauundEigenschaftendesBodenssindbeinatürlichenaberauchanthro-pogenüberprägtenBödenüblich.BeilandwirtschaftlichgenutztenFlächenkommtdieArtderBearbeitung (unterschiedlicher Verdichtungs- und Deckungsgrad auf Fahrspuren und in den Zwi-schenbereichen,u.a.)insSpiel.AufFahrspurenisthäufigHOFzubeobachten,währendimZwi-



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schenbereichdurchausguteInfiltrationseigenschaftenvorherrschenkönnen.ObsolcheFahrspurenabflussrelevantwerdenkönnen,hängtvonverschiedenenFaktorenu.a.auchvonderBewirtschaf-tungsrichtungab.BeimÜbertrageneinerStandortbeurteilungaufdieFlächemussderBearbeiterdiesem Umstand Rechnung tragen.

8 Bei einem Beregnungsversuch in Hospental in den Schweizer Zentralalpen entstand auf der Ober-flächeeinesflachgründigensandigenBraunerdebodens,dereinenoberflächennahenWurzelfilzaufwies,raschabervorübergehendOberflächenabfluss.AlsUrsachewurdediestarkeAustrock-nungunddiestarkeoberflächennaheDurchwurzelungangesehen.

9UnterPackungsdichtewirddermitgefügekundlichenFeldmethodenermittelteGradderKompakt-heitbzw.LockerheiteinesBodenhorizontesverstanden,dereinenfundamentalenEinflussaufwichtigeBodeneigenschaftenundBodenfunktionenwiePorengrößenverteilung,Wasserdurchläs-sigkeit,Durchlüftung,Durchwurzelbarkeit,Ertragsfähigkeit,Verdichtungsempfindlichkeit,usw.ausübt. Diese Bodeneigenschaften bzw. Bodenfunktionen werden nicht durch die Packungsdichte allein,sonderndurchdieKombinationvonKörnung(Textur),PackungsdichteundteilsauchWas-sergehalt bestimmt (Harrach&Sauer, 2002).

10StrukturelleEigenschaftenwiePackungsdichte,Gefügeetc.beeinflussendiehydraulischeLeitfä-higkeitvonBöden(DIN,1998).EinKonzeptfürdieQuantifizierungvonBodenstrukturenwurdevonLinetal.,1999aundbvorgestellt.AllerdingssprengtdieVerfahrensweisedenAufwand,derimZusammenhangmiteinerProzessbeurteilungzuleistenmöglichist.EinewesentlicheVerein-fachungmüssteerarbeitetwerden,dieaberdenRahmendieserArbeitgesprengthätte.

11WarnerundNieber,1991;Ehlers,1975;TrojanundLinden,1998;Edwards,1990;Edwards,1998,Warner,1998.

12Weiler(2002)benützteeinenIndustriestaubsauger,umdieSchnittflächevonBodenteilchenzurei-nigen und damit die Mp freizulegen.

13Penetrometer,bestehendauseinerStabsondeundeinerRegistriereinheit,diedenEindringwider-standaufzeichnet.NuraufskelettarmenBödenliefertdiesesInstrumentrealistischeResultate.AufgrundderbegrenztenEinsatzmöglichkeitwirdaufdenEinsatzverzichtet.

14 Hilfestellung bei der Beurteilung von Bodengefüge gibt auch die Anleitung „Bodenstruktur erken-nenundbeurteilen“(BayerischesLandesanstaltfürBodenkulturundPflanzenbau,1997).

15Scherrer,1997hatbeispielsweisemittelsTensiometerinunterschiedlichenBodentiefenaneinersandigen Braunerde (Standort Therwil) gezeigt, wie bei einem Niederschlag von über 100 mm in zweiTagenderNiederschlagalsSickerfrontweitgehendüberdieMatrixinfiltrierte.BeidenBe-regnungsversuchenmithohenNiederschlagsintensitätenvonbiszu100mm/hspieltendieMakro-poreneinwichtigeRollebeiderInfiltrationundbeiVerteilungdesWassersimBoden.

16BeiBeregnungsversuchenimSandsteingebietdersubalpinenMolassewurdestarkerAbflussinsolchen lateralen Fließwegen beobachtet (Beregnungsversuch Willerzell-Hang).

17HydromorphieistdiedurchStau-oderGrundwasserhervorgerufenegrauebisrötlicheVerfärbung(Flecken)derBöden.OxidationsprozesseführenzurRotfärbung,ReduktionzurGraufärbungderBodenmatrix.

18ZusätzlichkanndieBodenfeuchteänderungunterhalbderBeregnungsflächemitdemTimeDo-mainReflectrometry(TDR),SystemMoisturePoint,derFirmaEnvironmentalSensorsInc.ge-messenwerden,umdieVerteilungdesWassersimBodenzuuntersuchen.DiesesSystemermög-licht die Bestimmung des Bodenwassergehaltes in mehreren Tiefen mittels einer einzigen, 100 cm



Anhang1:GrundlagenzudenAbflussprozessenaufverschiedenerLandnutzung

Die Ausführungen in Anhang 1 entstammen IHW, 2000.

A AckerbaulichgenutzteFlächen

DieAbflussbildungaufÄckernhängtvomAufbauundderBearbeitungdesBodenssowievonderKulturab(DVWK,1985).DieDurchlässigkeitderBödenwirdvonBearbeitungstiefe,Makroporen,Bodenart,Wurzeldichte,DurchwurzelungstiefeundVerdichtungenbeeinflusst.DieDurchlässigkeitderOberbödenkanndurchverschlämmtesMaterialoderdurchdarausentstandeneKrustenverrin-gert werden. Saisonale Aspekte, wie der Deckungsgrad der Vegetation, spielen dabei eine wichtige Rolle.DasBefahrenderÄckerkannzulokalenVerdichtungenderFlächenführen.

Verschlämmung und Bodenkrusten

DieOberflächevonackerbaulichgenutztenBödenunterliegtwiederkehrendenVeränderungen.JenachNutzpflanzevariiertderDeckungsgradunddieBodenoberflächeistunterschiedlichlangundstarkderAufprallwirkunggroßerTropfenbeiStarkniederschlägenausgesetzt(Römkensetal.,1990).GroßeRegentropfen,v.a.beiGewitterregen,könnendieBodenaggregateanderOberflächezerschla-genundineinzelnePartikelzerlegen.DassoentstandeneFeinmaterialkannsichaufderOberflächeverteilen,dieWasserdurchlässigkeitderMatrixbegrenzenundMakroporenverfüllen.DievonMa-kroporenbeeinflussteInfiltrationgehtdannzurück.BeiAustrocknungdesverschlämmtenMateri-alskönnensichKrustenbilden,dieeinemarkanttiefereWasserleitfähigkeitaufweisenalsstruktu-rierteBöden(Roth,1998)1.SchwachaggregierteBödenausLössundpleistozänenSedimenten,dieoftschluffreichundfeinsandigsind,sowiekalziumarmeBödengeltenalsbesondersgefährdetfürVerschlämmung.EinenungenügendenSchutzderBodenaggregategegendieAufprallwirkunggroß-erTropfengewährenMais,Zuckerrüben,HopfenundReben.GetreidebietetnurimJungstadiumei-nen ungenügenden Schutz. Durch den Anbau von Zwischenfrüchten, Anwendung von Mulchungen, StabilisierungdesBodengefüges(Kalkung,ZufuhrorganischerSubstanz.u.a.)undErhöhenderOberflächenrauigkeitkanndieVerschlämmungsanfälligkeitwesentlichverringertwerden(Rothetal.,1995).WeitereUrsachenundTeilprozesse,diedenVerschlämmungsprozessbeeinflussen,findensichbeiRoth(1998).

DieVerschlämmungkannalsoaufstrukturschwachenBödendieInfiltrationlimitieren,allerdingsliegennachRoth(1998)dieInfiltrationsratenimmernochimBereichwenigintensiverNiederschlä-ge(2-19mmh-1).EntstehenhingegeneigentlicheKrusten,sokannjenachKrustentypdieInfiltrati-onsrateindenBereichvon1-3mmh-1sinken(ValentinundBresson,1992).NachHarachundsauer,2002 werden Sedimentkrusten, die aus abgetragenem Bodenmaterial aufgebaut sind und Regen-schlagkrustendie auf die Splashwirkung der Regentropfen zurückgehen, unterschieden.

1 Roth (1998) untersuchte die mittlere gesättigte Wasserleitfähigkeit an verschlämmten 5 mm mächtigen Schichten: Eine lehmig-siltige Parabraunerde aus Löss wies im Ausgangszustand eine Wasserleitfähigkeit von 378 mm/h auf, im verschlämmten Zustand nur gerade 6 bis 12 mm/h).



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Einfluss von Bewirtschaftung auf Bodengefüge, Infiltration und Entstehung von Oberflächenab-fluss

DieBewirtschaftungvonAckerbödenführtalljährlichzueinemAufbauundteilweisenAbbauvonFließstrukturenimBoden.EinerseitszerstörtdasPflügenzumindestensteilweisediedurchPflan-zenwurzelnundBodenlebewesenerzeugtenMakroporenundBodenaggregate.Essorgtjedochande-rerseitsdafür,dassverdichteterOberbodenaufgebrochenwirdundseineDurchlässigkeitlangfristiggewährleistetbleibt.DurchwiederholtesPflügeninetwaähnlicherTiefekannsicheinePflugsohleausbilden,dieihrerseitsdieWasserbewegungimBodenbeeinflussenkann.AnschliessendwerdeneinigewissenschaftlicheArbeitenzumkontroversenThemadesEinflussesderBodenbewirtschaf-tungaufgeführtundversucht,eineWertungdereinzelnenEinflüssevorzunehmen.

Beisecker(1994)hatdieWasserflüsseimBodenbeiverschiedenenBearbeitungsmethodenuntersucht(Direktsaat,PflügenundFlügelschargrubber).Erstelltefest,dassohneBearbeitunglängerfristighö-hereBodendichtenundkomprimierteGefüge,aberauchhöhereBelastbarkeitundTragfähigkeitderuntersuchtenBödenentstehen.BeiderPflugvariantewarendievertikalenWasserflüssegrößeralsbeiderDirektsaat.DiedurchgängigenMakroporenwarenbeiderDirektsaatvariantejedochlängeralsbeijährlichemPflügen.ImVerlaufderVegetationsperiodezeigtendiebearbeitetenBöden,un-abhängigvonVerschlämmungs-,Verkrustungs-oderVerdichtungseffekten,Sackungen,dieineinerAbnahmederLeitfähigkeitresultierten(Marxen,1988).

BeregnungsversuchedesBayerischenLandesamtesfürWasserwirtschaft(1985)zeigten,dassmitAnbauweisen,diederBodenerosionentgegenwirken(höhenkurvenparallelesPflügen,Untersaat,LockerungderFahrspuren,hangparalleleQuerstreifenmitandererKultur,etc.),auchderOberflä-chenabflussbeiStarkregenwesentlicheingeschränktwird,(sieheauchMüller,1984).SokollekundSüssmann(1981)beobachtetennachAbernteneinesGetreidefeldes,dasstarkbefahrenwurde,großeOberflächenabflüsse.BeigefrorenenBödenwurdeschonnachwenigintensivenNiederschlägenaufallenÄckernOberflächenabflussbeobachtet,ausserbeifrischgepflügtenundweniggeneigten(Nei-gung<2%).DieabflussdämpfendeWirkungrauherOberflächenführteErpenbeck(1987)aufdiegeringereAbflussgeschwindigkeitunddiedadurcherhöhteInfiltrationzurück.

DieVerdichtungdesOberbodenswirdwesentlichdurchdenunterschiedlichstarkenEinsatzvonLandmaschinenfürdieBearbeitungderFelderbeeinflusst.KartoffelanbaubeispielsweiseführtimJahresverlaufzufastflächendeckendemBefahrenderFlächen.IndenUntersuchungenderBodene-rosionwerdenverschiedensteVorschlägezurEindämmungdesOberflächenabflussesgemacht(Rich-ter,1998;Mosimannetal.,1991).

VegetationsloseHängezeigenmitzunehmenderHanglängegrößerenOberflächenabfluss.Schonge-ringeVegetationsbeständeverringerndenOberflächenabflussimVergleichzuvegetationsfreienFlä-chen(DVWK,1985).BesondersKleeundLuzernevermindernOberflächenabfluss.

B Weinberg

AbflussprozesseanweinbaulichgenutztenHängenwurdenkaumuntersucht.HingegensindüberdieBodenerosionsproblematikinWeinbergenverschiedeneArbeitenvorhanden,worüberRichter(1998)einenÜberblickgibt.HeutewerdenauchimRebbauMaschineneingesetzt.DafürwurdengrößereParzellen angelegt, Terrassen beseitigt und die Parzellen mit einem Wegnetz erschlossen. Die so ge-schaffenengrößerenundlängeren,teilweiseauchsteileren,HängesindaberanfälligeraufBodene-



rosionundOberflächenabfluss.AllerdingshängtdiejährlicheErosionsratewesentlichvoneinzelnenstarkenGewitternab(Richter,1978).ErosionsvermeidendeMaßnahmenwerdenvonWalter(1991),Husse(1991)undHofmannetal.(1995)vorgestellt.

DerBodenerosionwirdvermehrtmitMulchungenausBaumrinden,SägemehloderStrohbegegnet,odereswirdspontanerUnkrautwuchsoderUntersaatzugelassen(Richter,1998).

ImEinzugsgebietdesKatzenbachskonnteeinekombiniertePraxisfestgestelltwerden.EinigeReb-zeilenwerdenunkrautfreiodergemulchtgehalten,währendandereimselbenWeinbergeinede-ckendeGrasschichtaufweisen.TeilweisewirddieGrasvegetationwährendderVegetationsperiodebeseitigt,wahrscheinlichumdenPilzbefallundNährstoff-/WasserkonkurrenzzwischenRebenundGras zu vermeiden.

DiegrundsätzlichenUnterschiedezuackerbaulichgenutztenGebietenliegtinderSteilheitderWein-berge.WährendÄckerkaumsteilerals15%sind,könnenWeinbergebisca.80%geneigtsein.GroßeSteilheitvonWeinbergenbedeutetnichtunbedingtvielOberflächenabfluss(Richter,1978).Beistei-lenHängenkanneinmalentstandenerOberflächenabflussanFließgeschwindigkeitzulegenunddes-halbnurschwerwiederversickern.AuchbeiwenigerintensivenNiederschlägenkannbeiBödenmiteinerverschlämmungsanfälligenBodenoberflächedurcheineKombinationvonmangelndemDe-ckungsgrad,schwacherDurchwurzelungundoberflächennaherVerdichtungserscheinungenOber-flächenabflussentstehen.

DaWeinbergeoftansonnenbegünstigtenLagenliegen,kannvongutenVerhältnissenfürdieStruk-turbildung(Benetzungs-undAustrocknungsvorgänge,Bodenfauna)ausgegangenwerden.SoferndieBödenwederstrukturlabil,nochaufgrundderBewirtschaftungverdichtetsind,dürfteeinegünstigeDurchlässigkeitvorherrschen.

C Grünland

EinedichteGrünlandvegetationkannzusammenmitoberflächennahemWurzelfilzeinetemporäreVerringerungderInfiltrationsratehervorrufen(Scherrer,1997).Dieoberflächennahe,dichteDurch-wurzelung kann bei warmer Witterung zu einer starken Austrocknung der obersten Zentimeter füh-ren.Diesführtdazu,dassOberbödenmiteinemhohenorganischenGehaltnachlängerennieder-schlagsarmenPeriodenwasserabstossend(hydrophob)sind.VegetationsdeckenmitBorstgräsern(Nardusstricta)sindbesondersofthydrophob(MarkartundKohl,1996).DieserEffektkannaufsubalpinenBödenüberlängereZeitanhalten(BarretundSlaymaker,1989).Holzhey(1969)gibteineÜbersichtüberHydrophobizitätauslösendeFaktoren.

Verdichtung durch landwirtschaftliche Bearbeitung oder hohen Beweidungsdruck verringert die DurchlässigkeitdesOberbodens.InDVWK(1985)wirdeineindeutigerZusammenhangzwischenBeweidungundErhöhungdesOberflächenabflussesfestgestellt.Erpenbeck(1987)zeigteauf,dasseine narbenschonende Grünlandnutzung (an der Bodenfeuchte orientierte Beweidung, Heu- und GraswerbungbeimöglichsttrockenenVerhältnissen)denOberflächenabflussverringert.

DieInfiltrationimBodenunterGrünlandiststarkdurchMakroporenbeeinflusst(Germann,1981).DasMakroporensystemkannsichaufGrünlandbödensehrgutentwickeln,daderBodennichtdurchPflügengestörtwird.FindetdieInfiltrationüberMakroporenstatt,soistbesondersderWasseraus-tausch(Interaktion)zwischendenMakroporenundderumgebendenBodenmatrixvonRelevanz.SostellteFaeh(1997)fest,dassbeiBödenmitgeringerInteraktionraschHortonscherOberflächenab-



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flussentstand.GeringeInteraktionkannaberauchzubypassflowführen,wodurchdasWasserraschintiefereBereichedesBodensgelangt.SoferndortleistungsfähigelateraleFließstrukturenvorhan-densind,istdieVoraussetzungfürstarkenunterirdischenAbflussgegeben.

BefindensichdieGrünlandflächeninvernässtenBereichen,findetraschSOFstatt(beihöherenNie-derschlagsintensitätenHOF).IstdasGebietdrainiert,wirdderWasserspiegelabgesenkt.Damitver-bessertsichinderRegeldieStrukturbildungunddamitdasWasser-RückhaltevermögenvonBöden.ZusammenmitbypassflowkannabereinDrainagesystemdasindieTiefegelangendeWasserraschabführenundzuverzögertem,aberstarkemAbflussimBodenführen(Stamm,1997).

Müller(1984)stelltebeiGrünlandbödeneinestarkesaisonaleAbhängigkeitderWasserbewegungimBodenfest.ErbegründetediesmiteinerVerdichtungszunahmeimOberbodeninfolgeeinerVerän-derungdesMakroporensystems.Meuser(1989)untersuchtediesaisonaleAbhängigkeitvonGrasbra-cheaufdasAbflussverhaltenundstellteaufgrundderbesserenEntwicklungdesMakroporensystemswährendderVegetationsphasesehrhoheSickerwassermengenfest,diebeigünstigengeologischenVerhältnissennureinegeringeAbflussreaktionerzeugen(DP).IndervegetationsfreienZeitistjedochaufgrundderAufsättigungdesBodensundderschlechterenAusbildungdesMakroporensystemsvoneinerhöherenAbflussbereitschaftauszugehen.

DiehoheVariabilitätimAufbauderBöden,diefürWeidewirtschaftundbegrenztauchfürGraswirt-schaft genutzt werden, sowie die unterschiedliche landwirtschaftliche Bewirtschaftung (Beweidung oderMähen)führenjenachStandorteigenschaftenzuverschiedenenAbflussprozessen.

D AbflussprozesseimWald

a) Grundlagen

WälderwirkenimVergleichzuWiesen,WeidenundÄckerndämpfendaufAbflussspitzen.Größe-rerInterzeptionsspeicherundhöhereTranspirationeinerseitssowiewasserspeicherndeStreuundvergleichsweisegrößereDurchlässigkeitderBödenandererseits,sinddierelevantenFaktoren.Zahl-reicheUntersuchungenhabenbereitsdenWaldeinflussaufgezeigt,wiez.B.dielangjährigenAbfluss-messungen in 3 benachbarten Kleinsteinzugsgebieten in Russland (20 bis 30 ha) mit unterschied-lichemWaldanteilvon13%,57%und90%(VORONKOVETAL.,1976).DieseUntersuchungenstellenanschaulichdieVerminderungderjährlichenmaximalenScheitelabflüssedar(vgl.IHW,2000).

ImWaldwirdderInfiltrationsvorgangsehrstarkdurchdasWurzelsystemderBäumegesteu-ert.EsentwickeltsicheinstabilesMakroporensystem,dasWasserpräferentiellindieTiefeleitetundfüreinehohelateraleDurchlässigkeitsorgt(WHIPKEY,1965undMOSLEY,1979).SchwundrisseintonigenBödenerhöhenzudemdieInfiltrationsrate.BesondersimSommerleitensolcheStrukturendenNiederschlagalsbypassflowdirektzudenlateralabflusswirksa-menBereichen(FLÜGELUNDSCHWARZ,1983;HENDRIKS,1993).

ImWaldwirdderInfiltrationsvorgangsehrstarkdurchdasWurzelsystemderBäumegesteuert.EsentwickeltsicheinstabilesMakroporensystem,dasWasserpräferentiellindieTiefeleitetundfüreinehohelateraleDurchlässigkeitsorgt(WHIPKEY,1965undMOSLEY,1979).SchwundrisseintonigenBödenerhöhenzudemdieInfiltrationsrate.BesondersimSommerleitensolcheStrukturen



denNiederschlagalsbypassflowdirektzudenlateralabflusswirksamenBereichen(FLÜGELUNDSCHWARZ,1983;HENDRIKS,1993).

InbewaldetenHängenkannbedeutenderlateralerAbflussimBodenentstehen.DieserunterirdischeAbflusskann,ohnedassdieBodenmatrixgesättigtist,alspräferentiellerFlussinWurzelkanälen,Pi-pesoderhochdurchlässigenSchichtenerfolgen.DabeikönnenhoheFließgeschwindigkeitenbis2cms-1auftreten(BEASLEY,1976;MOSELY,1979).LateralerFlussfindetauchhäufigimgesättigtenBereich,z.B.anSchichtgrenzen,statt.Inmächtigenstarkdurchwurzelten,humusreichenOberbö-den,diebeitonigen,gleyigenBödeneinenwirksamenFließwegdarstellen(FEYEN,1998)oderintieferenhochdurchlässigenBodenschichten(WHIPKEY,1965)kanneszustarkemlateralenFlusskommen.NurunterungünstigenBedingungenwurdeinbewaldetenGebietenbeiextremenNieder-schlagsereignissenOberflächenabflussbeobachtet.EineVielzahlvonkünstlichenBeregnungsversu-chenaufWaldbödenmithohenIntensitätenzeigte,dassdieminimaleInfiltrationsratenichtunter50mmh-1sankundOberflächenabflusserstnachetwa30mmNiederschlagbegann(DVWK,1985;WEILERETAL,1998).DiegeringerenInfiltrationsratentretenbei

• naturfernenFichtenbeständen,meistaufundurchlässigen,vernässtenStandorten(Gley),• strukturschwachenBödenaufWaldweiden,• tonigen Standorten (Pelosole),• StandortenmithydrophobemAuflagehumusauf.DieHydrophobizitätdesOberbodensistnuraufBödenmitwenigMakroporenrelevant(BURCHETAL,1989).SOFtrittinWäldernaufBödenauf,dieaufgrundihrerBodeneigenschaften(tonig,lehmig)oderwegenihrerLageimRelief(Muldenlage,Hangfuss)schlechtdrainierenkönnenoderdauerndenWasserzuschusserhalten.DerWasserverbrauchderBäumewährendderVegetationsperi-odesorgtdafür,dassBöden,welcheimFreilandvernässtwären,eine„Entwässerung“überdieVe-getationerfahren(PETCH,1988).DaWaldbödenseltenbefahrenwerden,herrschenaufgrundderho-henMakroporendichtegünstigeInfiltrationseigenschaftenvor.InflachenGebietenmittiefgründigen,durchlässigenundunvernässtenBödenisteingroßesSpeicherpotentialvorhanden.DortdürftekaumAbflussentstehen.AufflachgründigerenBödeninHanglagensindhingegenaufgrundderVegetationeineVielzahlvonbevorzugtenFließstrukturenvorhanden,dieraschereAbflüsseimBodenermög-lichen(SSF1undSSF2).InsolchenGebietenistlateralerAbflussimBodenderdominierendeAb-flussprozess(BURCHETAL.,1989).

b) Schlussfolgerungen

WirdvonderräumlichenNiederschlagsverteilungdurchdiePflanzendecke(Kronentraufe,Tropfnie-derschlag,Interzeption,Stammabfluss)einmalabgesehen,beeinflusstdieVegetationdieAbflussbil-dunginWälderndurchdieSchaffungvonFließstrukturenimBodenmaßgeblich.JenachArtdesWaldes (Bestandesdichte, Altersstruktur des Bestandes, Zusammensetzung der Baumarten mit teil-weiser charakteristischer Durchwurzelung (Wurzeldichte und -tiefen), dem Vorhandensein einer Un-tervegetation, wie Kraut- und Moosschicht, u.v.a.), dürfte sich im Zusammenspiel mit der Bodenart einvertikalesundeventuelllateralesFließenausbilden.EinedirekteBeeinflussungderAbflussbil-dungdurchdieVegetationgehtaberauchvonderEntwicklungundBeschaffenheitdesOberbodensaus.InWäldernentstehenjenachStandorteigenschaftenaberv.a.inAbhängigkeitderVegetation(ArtundAbbaubarkeitderanfallendenStreu)unterschiedlichaufgebauteOberböden.Vonkaumvor-



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handenemHumus(beispielsweiseFichtenmonokulturen)biszumächtigenHumusauflagen(vernässteoderniederschlagsreicheGebiete)reichtdasSpektrum.BeiderEntwicklungdesProzessbeurtei-lungsschemasWaldzeigtesich,dassesschwierigist,diesämtlicheEinflussfaktorenineinemSche-ma zu berücksichtigen. Das Beurteilungsschema hat demzufolge stark vereinfacht werden müssen.



Anhang2:WeitergehendeUntersuchungenzurVorerkundung(Sauer&Harrach,2002)

Vernässungsgrad

AmInstitutfürBodenkundeundBodenerhaltungderJustus-Liebig-UniversitätGiessenwurdeeinKartierschlüsselfürdiefeldbodenkundlicheAnsprachedesVernässungsgradesvonAckerflächenerarbeitet(Tab.2)undinverschiedenenProjektenerprobt(z.B.Tenholternetal.,1996;Selige,1997,Tenholtern,2000;Pleus,2002).DieDurchführungerfolgtnachausreichenderDurchfeuchtungdesBodensundnachbeginnenderAbtrocknungdernichtvernässtenBöden,inderRegelimFrühjahr,wenndienichtvernässtenBödenbereitsbefahrbar,aberdietemporärvernässtenBödennochnichtbefahrbarsind.FürdiesichereAnsprachevonVernässungenmussdieAnsprachedesVernässungs-gradesnichtunbedingterfolgen,auchwennderAusprägungsgradAussagenüberdieIntensitätderAbflussprozessezulässt.

Tabelle1: KartierschlüsselfürdiefeldbodenkundlicheAnsprachedesVernässungsgradesaufAckerflächen

Vernässungsgrad Bezeichnung Kartierungskriterien

Vn1 nicht vernässt, abgetrocknet

befahrbar, keine tiefen Fahrspuren, nur flache Fuß-abdrücke, aufgehellte Bodenfarbe

Vn2 nicht vernässt,feucht

wie bei 1, aber Bodenfarbe nicht aufgehellt

Vn3 vernässt kaum befahrbar, tiefere Fahrspuren, tiefere Fußabdrücke; bei empfindlichen Pflanzen sichtbare Entwicklungsstörungen, Chlo-rosen

Vn4 stark vernässt nicht befahrbar, kaum begehbar, tiefe Fußabdrücke, Wasser in Fahrspuren; gestörte Pflanzenentwicklung, Chlorosen

Vn5 sehr stark vernässst

nicht begehbar, teils Oberflächenwasser; stark gestörte Pflanze-nentwicklung

Zusammenfassend ergeben sich auch für andere Nutzungsarten folgende Kartierungskriterien für die sichereAnsprachevonVernässungen:Oberflächenwasser,Bodenfarbe(nurAcker),KonsistenzdesBodens(nurAcker),Befahrbarkeit,Begehbarkeit,EntwicklungsstörungenbeiKulturpflanzen(nurAcker),Pflanzengesellschaft,Zeigerpflanzen,z.B.Feuchtezeigern.Ellenberg.

ZeigerpflanzenaufGründland

InTabelle2sindPflanzenartenaufgeführt,dieaufGrünlandNässeanzeigen.



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Tabelle2:BeispielehäufigvorkommenderNässezeigeraufGrünland

WissenschaftlicherName DeutscherName FZahln.Ellenberg(1979)Lychnis flos-cuculi Kuckucks-Lichtnelke 6Colchicum autumnale Herbstzeitlose 6Juncus conglomeratus Knäuel-Binse 7Juncus effusus Flatter-Binse 7Polygonum bistorta Wiesen-Knöterich 7Cardamine pratensis Wiesen-Schaumkraut 7Deschampsia caespitosa Rasen-Schmiele 7Molinia caerulea Pfeifengras 7Sanguisorba officinalis Großer Wiesenknopf 7Cirsium oleraceum Kohldistel 7Silaum silaus Wiesensilge 7Equisetum palustre Sumpf-Schachtelhalm 7Lotus uliginosus Sumpf-Hornklee 8Senecio aquaticus Wasser-Greiskraut 8Caltha palustris Sumpfdotterblume 8Filipendula ulmaria Mädesüß 8Ranunculus flammula Brennender Hahnenfuß 9

Zeigerpflanzen auf Ackerland: Ackerbegleitflora

DieAckerbegleitflorakanntrotzihrerstarkenanthropogenenBeeinflussungalsIndikatorfürBoden-eigenschaftengenutztwerden.ErstbeiintensiverBewirtschaftungüberlagertdieNutzungdieStand-orteigenschaften,indemUnkräuterbesondersdurchHerbizideinsatzvollständigverdrängtwerden.FolglichbietenextensivbewirtschafteteFlächenguteVoraussetzungenfürdieBioindikationdurchAckerwildkräuter(Saueretal.,1992).DennochkannselbstbeiintensiveremHerbizideinsatzaufver-nässtenStandorteneineverstärkteVerunkrautungoftwahrgenommenwerden.

TemporäreVernässungenvonBödenführenaufgrunddesimBodenherrschendenLuftmangelshäu-figzuLückenimKulturpflanzenbestand.IndiesenLückenentwickelnsichkleinflächigBestände,die sich schon optisch durch ihr üppiges Wachstum auszeichnen. Vor allem in Mulden und am Un-terhanggelegenfallenbesondersindenabreifendenGetreidefelderndiegrünenUnkrautbeständederNassstellenauf(Steinrückenetal.,2000).Steinrücken(1998)gibtfüreinUntersuchungsgebietamOstrand des Rheinischen Schiefergebirges die in Tabelle 4 angeführten Arten als typisch für tempo-räreNassstellenan:

Tabelle3: BeispielefürAckerwildkräutervernässterBödenimRheinischenSchiefergebirge(Steinrückenetal.,2000)

WissenschaftlicherName DeutscherName FZahln.Ellenberg(1979)Gnaphalium uliginosum Sumpf-Ruhrkraut 7Gypsophilla muralis Mauer-Gipskraut 7Plantago intermedia Mittlerer Wegerich 7Ranunculus repens Kriechender Hahnenfuß 7Juncus bufonius Krötenbinse 7



Anagallis minima Acker-Kleinling 7Mentha arvensis Ackerminze 8Polygonum hydropiper Pfeffer-Knöterich 8

Zustand von Kulturpflanzen als Hinweis auf Standortbedingungen

DerKulturpflanzenbestandisteinguterBioindikatorfürdenBodenwasserhaushalt,dadiePflanzensehrdeutlichaufunterschiedlicheWasserversorgungundDurchlüftungreagieren.Einegeringenutz-bareFeldkapazitätdesdurchwurzelbarenBodenraumes,z.B.beiflachgründigenodergrobkörnigenBöden,aberauchinfolgeunzureichenderDurchwurzelbarkeitaufverdichtetenStandorten,führtbei-spielsweisezudeutlichsichtbarenErtragsminderungen.VernässteKulturpflanzenbeständehingegenzeigenvomFrühjahrbiszurReifeeineverzögerteEntwicklungundgeringereBestandeshöhenalsunvernässteStandorte(Saueretal.,2000).

Nutzungsgrenzen

Nutzungsgrenzen,z.B.zwischenAcker-undGrünlandoderzwischenWald/Brachflächeundland-wirtschaftlicherNutzfläche,habenoftmalspedohydrologischeUrsachen.BesondersderWechselvonAcker-zuGrünlandistindenmeistenFällenaufeineÄnderungimBodenwasserhaushaltzurück-zuführen:InMittelgebirgslandschaftenbedeutetdasinderRegeleinWechselvon„tiefgründig“zu„flachgründig“oderhinzuStaunässe(Zeigerpflanzen!),inTallagenweistdasGrünlandaufhöherenGrundwasserstandhin.NutzungsgrenzenkönnenHinweiseaufAbflussprozesseliefern,indembei-spielsweiselateralimBodenunterGrünlandabfließendesWasserimÜbergangzumAckeraustritt.

BefragungortskundigerPersonen

ImRahmenderGeländebegehungsolltenachMöglichkeitdasGesprächmitortsansässigeLandwir-ten gesucht werden. Mit hydrologischen Besonderheiten, die in der Regel Bewirtschaftungserschwer-nissefürdieLandwirtschaftdarstellen(Saueretal.,2000),sinddieansässigenLandwirtebestensvertraut.SokönnenschonimVorfeldderGeländebegehunggezielträumlicheSchwerpunktefüreinenähereBetrachtungherausgearbeitetwerden.

OptimalerZeitpunktderGeländebegehung

Tabelle5zeigtdenfürdieErfassunghydrologischbedeutsamerPhänomeneoptimalenZeitpunktderGeländebegehung.



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Tab.4:IdealeZeiträumefürGeländebegehungen.

GeländebegehungzurErfassungvon IdealerZeitpunktVerschlämmung FrühjahrAktuelle Erosionsformen Frühjahr/ nach StarkniederschlägenHistorischer Erosionsformen GanzjährigNassstellen FrühjahrLaterale Fließwege geringe Schneedecke oder SchneeschmelzeReliefpositionen GanzjährigGebietsentwässerung Ganzjährig/ nach Starkniederschlägen (Dränauslässe!)Abflussprozesse allg. nach größeren NiederschlägenBioindikation Frühsommer (Grünland), Sommer (Segetalflora und Kulturp-

flanzen kurz vor der Abreife)Nutzungsgrenzen Ganzjährig

GeländebegehungenzuunterschiedlichenZeitpunktensindzurVorbereitungdetailliertererUn-tersuchungenkaummöglich.AusdiesemGrundwirdderFrühjahrstermin,nachausreichenderDurchfeuchtungdesBodensundnachbeginnenderAbtrocknungderBöden,favorisiert,daaktuelleErosionsformen,VerschlämmungundNassstellenvonzentralerBedeutungfürdieIdentifikationhochwasserrelevanterFlächensind.WünschenswertwäreinjedemFalleinezusätzlicheGeländebe-gehungunmittelbarimAnschlussanStarkniederschlägeoderkurznachderSchneeschmelze,umProzessspurenundWasserführendeGeländestrukturenerkennenzukönnen.AuchwenndieBeur-teilungderVegetation(besondersderKulturpflanzen)optimalerweiseimSommererfolgenmüsste,sosolltedeminteressiertenHydrologendieIdentifikationwichtigerZeigerpflanzenauchimFrüh-jahrmöglichsein.



Anhang3: Abflussreaktionskurven

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 0 100 150 200

Abflusstyp 1 (HOF 1, HOF 2, SOF1)Abflusstyp 2 (SOF 2, SSF 1)Abflusstyp 3 (SSF 2)Abflusstyp 4 (SOF 3, SSF 3)

Vo

lum

en-A

bfl

uss

koef

fizi

ent

[-]

Niederschlagssumme [mm]

Anhang 3: Abflussreaktionskurven für Abflussprozesse in den Untersuchungsgebieten. Von 50 mm gefallenem Niederschlag fliessen auf Flächen des Abflusstyp 1 (HOF 1, HOF 2 und SOF 1) 55 % oder rund 28 mm ab. Flächen des Abfluss-typs 4 (SOF 3, SSF 3) tragen demgegenüber bei gleicher Niederschlagssummepraktisch nicht zum Abfluss bei.



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Anhang4:Fotodokumentation

Foto 1: Mäßig stark verschlämmte Bodenoberfläche (Verschlämmungsgrad V3) im Frühjahr (Herbstfur-che) [Foto: S. Sauer]

Foto 2: Durch Bodenerosion abgelagertes Sediment am Unterhang. [Foto: S. Sauer]

Foto 3: Stark verschlämmte Bodenoberfläche (Verschlämmungsgrad V4) über locker gelagerter Ackerkrume im Frühjahr (Herbstfurche) [Foto: S. Sauer]



Foto 4: Rillenerosion in einem Weizenfeld im Frühjahr [Foto: S. Sauer]

Foto 5: Auf historische Bodenerosion zurückführbares Schluchtensystem unter Wald. [Foto: S. Sauer]

Foto 6: Durch Bodenerosion verursachte Texturunterschiede und dadurch bedingte unterschiedliche Ab-trocknung der Böden in einer Lößlandschaft [Foto: S. Sauer]



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Foto 7: Krümelartiges Bröckelgefüge aus dem Bfv-Horizont einer Lockerbraunerde mit sehr geringer Packungsdichte [Foto: S. Sauer]

Foto 8: Polyedergefüge mit geschlossener Lagerungsart aus einem verdichteten rekultivierten Boden mit hoher bis sehr hoher Packungsdichte (senkrechte Bildkante etwa 20 cm) [Foto: T. Harrach]

Foto 9: Plattengefüge aus der nicht bearbeiteten Unterkrume einer Parabraunerde aus Löss mit geschlossener Lagerungsart und hoher Packungsdichte [Foto: Diez & Weigelt, 1997]



Foto 10: Prismengefüge im P-Horizont eines Pseudogley-Pelosols mit mittlerer bis hoher Packungsdichte [Foto: S. Sauer]

Foto 11: Säulengefüge im Knickhorizont einer Knickmarsch mit fast geschlossener Lagerungsart und hoher Packungsdichte [Foto: S. Sauer]

Foto 12: Ergebnis der Abwurfprobe: Links mittlerer Zusammenhalt, rechts sehr loser bis loser Zusammen-halt [Foto: Diez & Weigelt, 1997]



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Foto 13: Polyedergefüge mit geschlossener Lagerungsart in einem tonreichen Boden mit sehr hoher Pa-ckungsdichte [Foto: Schulte-Karring]

Foto 14: Grobprismatisches Gefüge mit fast geschlossener Lagerungsart eines stark verdichteten Hori-zontes mit hoher Packungsdichte; die Wurzeln sind durch hohen Quellungsdruck platt gepresst [Foto: T. Harrach]

Foto 15: Gleichmäßige Durchwurzelung eines Krümelgefüges geringer Packungsdichte [Foto: Diez & Wei-gelt, 1997]



Foto 16: Polyedergefüge mit halboffener bis fast geschlossener Lagerungsart in einem Pelosol-Pseudog-ley mit mittlerer bis hoher Packungsdichte [Foto: Vorderbrügge]

Foto 17: Austritt von Sub-Surface Flow in einem bewaldeten Hang [Foto: G. Waldenmeyer]

Foto 18: Der Ausfluss einer Pipe (Mausloch) während eines anhaltenden Niederschlages. [Foto: S. Scherrer]



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Foto 19: Niederschlagswasser, das nach Abfluss im Boden in einer Mulde am Hangfuss austritt. [Foto: S. Scherrer]

Foto 20: Hydrophobe Verhältnisse zu Beginn eines Beregnungsversuchs. Das Wasser benetzt den Boden nicht und fließt konzentriert über die Kante aufs Auffangblech. [Foto: S. Scherrer]

Foto 21: Visualisierte hydrologische Phänomene zum Zeitpunkt der Schneeschmelze. Das aus dem Hang austretende Wasser ist gut sichtbar. [Foto: S. Scherrer]



Anhang5:BestimmungderPackungsdichte(Harrach&Sauer,2002,Kap.4)

ErfassungvonGefügemerkmalen

Gefügeformen

Man unterscheidet visuell durch makroskopische Betrachtung nicht aggregierte und aggregierte Ge-fügeformen(Mückenhausen,1963[Abb.2];DIN19682-10,1998;Fotos4imAnhang).Nichtaggre-gierte Gefügeformen sind:

• dasEinzelkorngefügebeiFehlenvonBindemittelund• dasKohärentgefüge,dasdurchBindemittelwieTon,SesquioxideoderKalkzusammengehalten

wird,wobeiimFalleeinerVerfestigungdurchmassiveEisen-undKalkausscheidungenauchvoneinem„Kittgefüge“gesprochenwird.

• AggregierteGefügeformenversuchtmanaufgrunddervermutetenEntstehungsartderAggregatezu gliedern in

• Krümelgefüge, das als biogenes Aufbaugefüge angesehen wird• Absonderunsgefügeformen, die durch natürliche Segregationsprozesse entstehen, und zwar in ton-

haltigenBödendurchSchrumpfungundQuellungundindichtenschluffreichenBödendurchEis-lamellenbildung;zudenersterengehörenu.a.PrismenundPolyeder,währenddurchEislamellendas Plattengefüge entsteht

• Bodenfragmente,diedurchBodenbearbeitungerzeugtwerden(BröckelundKlumpen),undschließlich

• Rollaggregate,diebeiUmlagerungvonBodenmaterialz.B.aufTransportbändernentstehenundinnichtverdichtetenanthropogenenBödenvorkommenkönnen.

Die Schwierigkeit bei der Bestimmung der Gefügeform in einem Bodenhorizont besteht darin, dass derAusprägungsgradderGefügeformsehrunterschiedlichseinkann(sehrdeutlichbissehrundeut-lich).AußerdemkönnenunterschiedlicheGefügebildungsprozessegleichzeitigoderhäufigernachei-nandergewirkthaben.InfolgedessenkannesinmanchenBödensehrschwersein,dieGefügeformeindeutigzubestimmen.ZumBeispielkannesinvielenAckerkrumenkaummöglichsein,zwischenBröckeln,KrümelnundSubpolyedernzuunterscheiden(Abb.3).



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Abb.2:DiewichtigstenBodengefügeformen(verändertnachMückenhausen[1963])



Abb.3: ImOberbodendieserBraunerde(LubisTu3)sinddieAggregatenichteindeutigalsKrümel,SubpolyederoderBröckelzuidentifizieren.AufgrundandererGefügemerkmalelässtsichtrotzdemfeststellen,dassdiePackungsdichtegeringbissehrgeringist(Pd21).

FallsdieGefügeformdeutlichausgeprägtist,könnenüberdievorherrschendeGefügedynamikkla-re Aussagen gemacht werden. Das sind sehr wertvolle Informationen. Aber für die Bestimmung der Packungsdichte ist es nicht unbedingt notwendig, die Gefügeform eindeutig festzulegen. Für die si-chere Abstufung der Packungsdichte sind andere Gefügemerkmale notwendig, die nur teilweise mit derGefügeformzusammenhängen.

DiefolgendeZusammenstellungderwichtigstenGefügeformen(Übersicht3)gibteinenHinweisda-rauf,welchePackungsdichteninAbhängigkeitvonderGefügeformvorkommenkönnen.

Übersicht 3: Die wichtigsten Gefügeformen mit den häufigsten Packungsdichten

Einzelkorngefüge: Die Packungsdichte kann gering bis hoch seinKohärentgefüge: Die Packungsdichte kann gering bis sehr hoch seinKrümelgefüge: Die Packungsdichte ist in der Regel sehr gering bis geringPolyedergefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis sehr hochSubpolyedergefüge: Die Packungsdichte ist meistens sehr gering bis mittelPrismengefüge: Die Packungsdichte kann gering bis sehr hoch seinPlattengefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis sehr hochBröckelgefüge: Die Packungsdichte kann sehr gering bis hoch seinKlumpengefüge: Die Packungsdichte ist meistens mittel bis hochRollaggregate: Die Packungsdichte ist meistens sehr gering bis mittel



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FürdieBestimmungderPackungsdichtewichtigeGefügemerkmale

WährenddieAngabederGefügeformenimwesentlichennachdemRahmenvonMückenhausen(1963)zurbodenkundlichenRoutinegehört,werdendieweiterenMakrogefügemerkmaleinderRe-geleherstiefmütterlichberücksichtigt.WichtigeGrundlagenfürdieökologischeGefügebeurteilungimGeländehabenKoepf(1963)undBenecke(1966)erarbeitet.AufihrenErkenntnissenberuhtderBestimmungsschlüsselfürdieAnsprachedereffektivenLagerungsdichteimGelände(AGBoden,1994,S.126),deraberoffenbarzuwenigpraktikabelist,aufjedenFallwirderzuseltenkonsequentzurGefügeansprachebenutzt.SeitMittedersiebzigerJahresindmirauchkeineStudienbekannt,indenendieTreffsicherheitdernachdiesemSchlüsselermittelten„effektivenLagerungsdichte“belegtwird.

NichtdestotrotzbietendievonKoepf(1963),Benecke(1966),Werner&Thämert(1989)undAlte-müller(1991)beschriebenenGefügemerkmalesowiedievonDiez(1991)gewonnenenErfahrungendieGrundlagefürdiepraxisgerechteBestimmungderPackungsdichte.FolgendeMakrogefügemerk-male werden herangezogen:

• MechanischerBodenwiderstand(Eindringwiderstand)• Aggregatgröße• Zusammenhalt des Bodengefüges bzw. Verfestigungsgrad• Lagerungsart der Aggregate• Anteil biogener Makroporen.

Der mechanische Bodenwiderstand kann z. B. mit einem Taschenmesser getestet (Schlichting et al., 1995,Tab.3.5.4,S.36f.)odermiteinemTaschenpenetrometergemessenwerden.AuchbeimSpaten-stich wird der mechanische Widerstand differenziert wahrgenommen. Zu berücksichtigen ist, dass mitzunehmendemTongehaltundabnehmendemWassergehaltderEndringwiderstandbeigleicherPackungsdichtezunimmt.ErfahreneBodenkundlerkönnendennochmindestensfünfStufendesme-chanischen Widerstandes unterscheiden:

sehr gering/ gering/ mittel/ hoch/ sehr hoch.

WährenddermechanischerWiderstandinjedemBodenfeststellbarist,kanndieAggregatgröße nur inaggregiertenBödenbestimmtwerden.DiemittlereAggregatgrößekorreliertmitderPackungs-dichte, d. h. in einem lockeren Boden überwiegen i. a. kleine Aggregate und in einem dichten große Aggregate.SokannbeideutlichaggregiertenBödenbereitsmiteinemBlickaufdieLockerheitbzw.Verdichtunggeschlossenwerden.FolgendeAbstufungdermittlerenAggregatgrößenistüblich:

sehr fein, fein, mittel, grob, sehr grob< 2 mm 2-5 mm 5-20 mm 20-50 mm > 50 mm

Der Zusammenhalt des BodengefügeswirddurchdieAbwurfprobegetestet(Diez1991),hierzuwirdeinBodenblockausetwa1mHöheaufeinegeeigneteFlächefallengelassen(Abb.4,Fotos12,im Anhang 4 ).



Abb.4: AbwurfprobezurBestimmungdesZusammenhaltesbzw.desVerfestigungsgrades, hier„loserZusammenhalt“undgeringePackungsdichte(Diez&Weigelt1997)

AusdemGraddesAuseinanderfallensdesBodenblockesinAggregate(beiaggregiertenBöden)bzw.inBruchstücke(beikohärentenBöden)wirdderZusammenhaltdesBodengefügeseingestuft,wobeider Wassergehalt berücksichtigt werden muss:

sehr lose/ lose/ mittel/ fest/ sehr fest.

Die Fallprobe dient auch zur Feststellung des Verfestigungsgrades, falls eine Verfestigung (Kittge-füge)vorliegt.VoralleminSanden,dieeherEinzelkorngefügeaufweisen,kommenVerfestigungendurchEinlagerungvonSesquioxiden(Ortsteinbzw.Raseneisen)oderKalk(z.B.inderKapillarzo-nedesGrundwassers)vor.WährendalsobeibindigenBödenmitderFallprobederZusammenhaltdes Bodengefüges getestet wird, bestimmen wir mit der gleichen Handlung bei Sanden den Verfe-stigungsgrad:

nicht verfestigt/ schwach verfestigt/ mittel verfestigt/ stark verfestigt/ sehr stark verfestigt.

Die bisher behandelten Gefügemerkmale lassen sich sehr einfach und schnell feststellen. Sie geben tendenziell einen guten Hinweis auf die Packungsdichte, aber allein nach diesen Merkmalen ist nur einegrobeEinstufungderPackungsdichtemöglich.

Für die Feineinstufung der Packungsdichte müssen wir die Makroporensysteme des Bodensnä-herbetrachten(Altemüller,1991).BeigenauemHinsehenkönnenwirvisuellinaggregiertenBöden



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AggregatzwischenräumesehrunterschiedlicherAusprägungerkennenundaußerdemsowohlinag-gregiertenalsauchinnichtaggregiertenBödenbiogene Makroporen beobachten.

Das Gefügemerkmal „Lagerungsart der Aggregate“(Koepf,1963;Benecke,1966)dientderKenn-zeichnungderAggregatzwischenräume(Fotos8bis16imAnhang4).DiesesHohlraumsystemun-terliegtimJahresverlaufinfolgevonSchrumpfungs-undQuellungsprozesseneinerdeutlichenDy-namik. Worauf es dabei ankommt, ist die Frage, wie groß der Hohlraumanteil im ausgequollenen ZustanddesBodensist,alsoz.B.imFrühjahrnachreichlichenNiederschlägen.DerluftführendePorenanteilundihreKontinuitätimaufgequollenenZustandbeiFeldkapazitätsindausschlaggebendeFaktorenfürdasWurzelwachstum,diePflanzenentwicklungundfürdieWasseraufnahmefähigkeitdesBodensfürweitereNiederschläge.

DieBestimmungder„LagerungsartvonAggregaten“hatzumZiel,dieBeschaffenheitderAggre-gatzwischenräumeimaufgequollenenZustandunterfunktionalemAspekt(Luftkapazität,Luft-undWasserdurchlässigkeit)zubeschreiben.Werner&Thämert(1989)nennendiesesGefügemerkmalinAnlehnunganTGL24300/19„FormundPassfähigkeitderZwischenaggregathohlräume“.NachderfünfstufigenSkalalassensichfolgendeLagerungsartenunterscheiden,wobeierfahreneFachleutezusätzlichauchÜbergangsbereichefürdiesiebenstufigeBewertungmitausreichenderTreffsicher-heitausweisenkönnen:

• GeschlosseneLagerungsart:dieAggregatesindnurdurchFugengetrennt,d.h.ihreOberflächenbilden vollkommen Abdrücke voneinander und liegen im Quellungszustand unmittelbar aneinan-der

• FastgeschlosseneLagerungsart:imQuellungszustandsindnurwenigespalten-undröhrenförmigeHohlräumevorhanden

• HalboffeneLagerungsart:dieAggregatesindteilsdurchFugen,teilsdurchKlüfteoderspaltenför-migeHohlräumevoneinandergetrennt

• OffeneLagerungsart:dieAggregatesindüberwiegenddurchKlüfteoderspaltenförmigeHohlräu-mevoneinandergetrennt,ihreOberflächenbildenkeineodernurunvollkommeneAbdrücke

• SperrigeLagerungsart:dieAggregatebefindensichinwirrer,unorientierterAnordnungundlas-senvielgestaltigeHohlräumeauchimQuellungszustandzwischensichfrei.

ZumVerständnisderLagerungsartenseidaraufhingewiesen,dassindichtenBödenbeiderQuel-lung sehr hohe Quellungsdrücke entstehen. Die dadurch bedingten Pressungen und Quetschungen vernichtenmöglicherweisenochvorhandenesekundäreGrobporenundführenzugleichzurAusfor-mungglattflächigerundscharfkantigerAggregate.InlockerenBödenmitvielenSekundärporenbautsich dagegen kein hoher Quellungsdruck auf. Daher fehlen hier entsprechende Gefügemerkmale.

DiebeschriebenenGefügemerkmalegestattenes,zujederJahreszeitundbeijedemFeuchtezustanddes Bodens die Lagerungsarten zu bestimmen und die Packungsdichte zu ermitteln. Dennoch ist zu vermerken,dassnasseundsehrtrockeneBodenzuständedieArbeiterschweren.BesteBedingungenliegen im feuchten bis schwach feuchten Bereich vor.

Weniger abstrakt ist das Gefügemerkmal „Anteil biogener Makroporen“. Darunter fallen Feinwur-zelkanäle(Durchmesseretwa0,5–1,0mm)sowieWurzel-undWurmkanäle(1mmbisüber5mmDurchmesser).



DerSchätzungsrahmenzurBestimmungdesMakroporenanteilsnachAGBoden(1994,Abb.12,S.124)hängtdieLattezuhoch.RealistischererscheintderentsprechendeRahmenvonWerner&Thämert(1989)(Tab.1).

Tab.1: HäufigkeitderAustrittevonbiogenenMakroporenjedm2inAnlehnunganWerner&Thämert(1989)

Poren 0,5-2 mm Poren 2-5 mm Poren > 5 mmsehr hoch > 40 > 20 > 10hoch 24 – 40 11 – 20 6 – 10mittel 12 – 23 6 – 10 2 – 5gering 5 – 11 3 – 5 < 2sehr gering < 5 < 3 0

In der Regel korreliert der biogene Makroporenanteil mit der Lagerungsart der Aggregate. In dich-tenBödenmitgeschlosseneroderfastgeschlossenerLagerungsartistdiebiologischeAktivitätge-ringer, daher entstehen dort weniger Makroporen. Darüber hinaus werden die wenigen Bioporen bei der Quellung des Bodens stark reduziert.

Durchwurzelungsmerkmale als Indikatoren der Packungsdichte

DadiePackungsdichtedesBodenseinenerheblichenEinflussaufdieDurchwurzelbarkeithat,kanndie vorhandene Durchwurzelung als ein Indikator des Bodengefüges betrachtet werden (Harrach & Vorderbrügge,1991;Selige&Vorderbrügge,1994).GemeintsindvorallemdieWurzelnanspruchs-vollerKulturpflanzen(z.B.Gerste,Weizen,Zuckerrübe,Raps),obgleichdieWurzelnwenigeremp-findlicherPflanzen(z.B.Roggen)aufstärkereVerdichtungennichtvielandersreagieren.Grundsätz-lichverhaltensichauchGrünlandpflanzenundGehölzeaufverdichtetenBödenähnlich.AmehestenkanndieEichealsAusnahmeherausgestelltwerden,dieamehesteninderLageist,mitihrenWur-zeln Bodenhorizonte hoher Packungsdichte noch einigermaßen zu durchdringen.

IneinemnichtverdichtetenBodennimmtdieWurzellängendichtemitderTiefeallmählichab(Abb.5),wennauchartenspezifischetwasunterschiedlich.EineabrupteAbnahmederDurchwurzelungsin-tensitätwirddagegenpedogenverursacht(z.B.pH-SprungoderanaerobeVerhältnisse).Eineüber-proportionale Abnahme der Wurzellängendichte(Abb.6)zeigtinvielenFälleneineVerdichtungimbetreffendenBodenhorizontan(Vorderbrügge,1989,S.87-97)



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Abb.5: AllmählicheAbnahmederWurzellängendichteimProfileinesnichtverdichtetenrekultiviertenBodens(nachVorderbrügge1989)

Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte

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Tab. 1: Häufigkeit der Austritte von biogenen Makroporen je dm² in Anlehnung an WERNER & THÄMERT (1989)

Poren0,5-2mm Poren2-5mm Poren>5mmsehrhoch >40 >20 >10hoch 24–40 11–20 6–10mittel 12–23 6–10 2–5gering 5–11 3–5 <2sehrgering <5 <3 0

InderRegelkorreliertderbiogeneMakroporenanteilmitderLagerungsartderAggregate.IndichtenBödenmitgeschlosseneroderfastgeschlossenerLagerungsart istdiebiologischeAktivitätgeringer,daherentstehendortweniger Makroporen. Darüber hinaus werden die wenigen Bioporen bei der Quellung des Bodens stark redu-ziert.DurchwurzelungsmerkmalealsIndikatorenderPackungsdichteDadiePackungsdichtedesBodenseinenerheblichenEinflussaufdieDurchwurzelbarkeithat,kanndievorhan-dene Durchwurzelung als ein Indikator des Bodengefüges betrachtet werden (HARRACH & VORDERBRÜGGE1991,SELIGE & VORDERBRÜGGE1994).GemeintsindvorallemdieWurzelnanspruchsvollerKulturpflanzen(z.B. Gerste, Weizen, Zuckerrübe, Raps), obgleich die Wurzeln weniger empfindlicher Pflanzen (z.B. Roggen) auf stärkere Verdichtungen nicht viel anders reagieren. Grundsätzlich verhalten sich auch Grünlandpflanzen undGehölzeaufverdichtetenBödenähnlich.AmehestenkanndieEichealsAusnahmeherausgestelltwerden,dieam ehesten in der Lage ist, mit ihren Wurzeln Bodenhorizonte hoher Packungsdichte noch einigermaßen zu durchdringen. IneinemnichtverdichtetenBodennimmtdieWurzellängendichtemitderTiefeallmählich ab (Abb. 5), wenn auchartenspezifischetwasunterschiedlich.EineabrupteAbnahmederDurchwurzelungsintensitätwirddagegenpedogen verursacht (z. B. pH-Sprung oder anaerobe Verhältnisse). Eine überproportionale Abnahme der Wurzellängendichte (Abb. 6) zeigt in vielen Fällen eine Verdichtung im betreffenden Bodenhorizont an(VORDERBRÜGGE1989,S.87-97)

Pd 3-4

Pd 5

Pd 4

Pd 4

Abb. 5: Allmähliche Abnahme der Wurzel-längendichte im Profil eines nicht verdichteten rekultivierten Bodens (nach VORDERBRÜGGE 1989)

Abb. 6: Überproportionale Abnahme der Wurzellän-gendichte im Profil eines verdichteten rekulti-vierten Bodens (nach VORDERBRÜGGE 1989) Abb.6: ÜberproportionaleAbnahmederWurzellängendichteimProfileinesverdichteten

rekultiviertenBodens(nachVorderbrügge1989)



EinbesonderssensitiverIndikatordesBodengefügezustandesistdieWurzelverteilung in einem Bodenhorizont,indemunverdichteteHorizontegleichmäßigundverdichteteHorizonteungleichmä-ßig oder gar nicht durchwurzelt werden. Unterhalb der Durchwurzelungszone muss die Gefügebeur-teilung, die für hydrologische Fragestellungen wichtig sein kann, ohne die Bioindikatoren Wurzeln auskommen. Folgende Stufen der Wurzelverteilung werden unterschieden, wobei für die siebenstu-figeSkalaaucheinefeinereUnterteilungmöglichist:

gleichmäßig/etwasungleichmäßig/starkeHäufunginRissen/sehrstarkeHäufunginRissen.

Abb.7: WurzelprofilvonHaferineinerpseudovergleytenParabraunerdemitgleichmäßigerWurzelverteilungimOberbodenundetwasungleichmäßigerWurzelverteilungunterhalbvon50cmBodentiefe(Rex1984)



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Anhang 5: Bestimmung der Packungsdichte

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AbleitenderPackungsdichteausGefüge-undDurchwurzelungsmerkmalenDieGefügebeurteilungimGeländeaneinerProfilgrubeerfolgt in mehreren Schritten (Abb. 8). Die für die Be-stimmung derPackungsdichte relevantenMerkmale sind inÜbersicht 4 aufgelistet.DerZusammenhang zwi-schendeneinzelnenMerkmalenundderPackungsdichteistunterschiedlicheng.EristvorallemindenerstendreiSpaltenderÜbersicht4ehertendenziellzusehen.DieseeinfachzubestimmendenGefügemerkmaleerlau-bendahernureinegrobeEinstufungderPackungsdichte.VielpräzisercharakterisierendieLagerungsartundderAnteil biogener Makroporen die Packungsdichte und erlauben ihre Feineinstufung. SchließlichkommtderWurzelverteilungdiehöchsteZuverlässigkeit zubei derAbleitungbzw.KontrollederPackungsdichtenachÜbersicht4.FüreineweitereAbsicherungderGefügebeurteilungkönnenPflanzenalsBioindikatorennützlichsein.ImWald,inGrünlandbeständenundgegebenenfallsinUnkrautgemeinschaften sollten Zeigerpflanzen des Luft- und Was-serhaushaltes beachtet werden. Auf dem Ackerland sind die Kulturpflanzen hervorragende Indikatoren. Ihre Entwicklung, ihrephänologischenMerkmaleundihreErtragsleistungzeigenetwaigeSchadverdichtungensehrzuverlässigan,wennderWitterungsablaufberücksichtigtwird. InNormaljahren,diedurchNässe imFrühjahrund Trockenheit im Sommer gekennzeichnet sind, reagieren die Pflanzen empfindlich auf Schadverdichtungen. NurinJahrenmittrockenemFrühjahrundnachfolgendniederschlagsreichemSommergedeihensietrotzBoden-verdichtung zufriedenstellend.

Abb. 8: Arbeitsschritte zur Bestimmung der Packungsdichte

Die hier vorgestellte Synthese der Gefügebeurteilung ist eine wurzelökologisch begründete Bewertung des Bo-dengefügezustandes.DieMethodeisteinErgebnisjahrzehntelangerForschungsarbeitüberdieKausalkette

DiewurzelökologischbegründeteGefügebeurteilungkannohnewennundaberauchfürhydrologische Frage-stellungen genutzt werden. Das Makroporensystem hat für die Sickerung gleich große Bedeutung wie für das Wurzelwachstum, das eine ausreichende Drainage des Bodens voraussetzt. Außerdem hinterlassen Wurzeln WurzelkanäleimBoden,diebevorzugteFließwegefürdasSickerwasserdarstellen.ZwischenDurchwurzelbar-keit,DurchwurzelungundDrainageeigenschaftendesBodensbestehenalsovielfältigeWechselwirkungen.Einegute Durchwurzelung ist einerseits ein sicherer Indikator für ausreichende Drainage des Bodenprofils, und ande-rerseitsschaffendievorhandenenWurzelnneueKanäleimBodenfürdieSickerwasserbewegung.Bei einer bodenmechanischen Gefügebeurteilungwären leichtmodifizierteAkzente zu setzen. Hier ist der LagerungsartdashöchsteGewichtzuzumessen.EinBoden mit sperriger Lagerungsart hat die geringste mecha-nischeBelastbarkeit,währendeinBodenmitgeschlossener Lagerungsart, bei der Bioporen a priori kaum vor-kommenkönnen,überdiehöchsteBelastbarkeit(geringsteVerdichtungsgefährdung)verfügt.EineaußergewöhnlicheKonstellationvonGefügemerkmalenentwickeltsichimpfluglosen Ackerbau. Bei kon-

Ansprache der Gefügeform

Bestimmung einfach zu ermit-telnderGefügemerkmale

BestimmungderLagerungsartunddesAnteilsbiogenerMak-roporen

Untersuchung derWurzelvertei-lung

Background-Informationz.B.überdieGefügedynamik

GrobeinstufungderPackungs-dichte

FeineinstufungderPackungs-dichte

KontrollederermitteltenPa-ckungsdichte

Gefügeeigenschaften des Bodens Durchwurzelung Ertragsbildung

AbleitenderPackungsdichteausGefügeundDurchwurzelungsmerkmalen

DieGefügebeurteilungimGeländeaneinerProfilgrubeerfolgtinmehrerenSchritten(Abb.8).DiefürdieBestimmungderPackungsdichterelevantenMerkmalesindinÜbersicht4aufgelistet.DerZusammenhang zwischen den einzelnen Merkmalen und der Packungsdichte ist unterschiedlich eng. EristvorallemindenerstendreiSpaltenderÜbersicht4ehertendenziellzusehen.DieseeinfachzubestimmendenGefügemerkmaleerlaubendahernureinegrobeEinstufungderPackungsdichte.VielpräzisercharakterisierendieLagerungsartundderAnteilbiogenerMakroporendiePackungsdichteund erlauben ihre Feineinstufung.

SchließlichkommtderWurzelverteilungdiehöchsteZuverlässigkeitzubeiderAbleitungbzw.Kon-trollederPackungsdichtenachÜbersicht4.

FüreineweitereAbsicherungderGefügebeurteilungkönnenPflanzenalsBioindikatorennützlichsein.ImWald,inGrünlandbeständenundgegebenenfallsinUnkrautgemeinschaftensolltenZei-gerpflanzendesLuft-undWasserhaushaltesbeachtetwerden.AufdemAckerlandsinddieKultur-pflanzenhervorragendeIndikatoren.IhreEntwicklung,ihrephänologischenMerkmaleundihreEr-tragsleistungzeigenetwaigeSchadverdichtungensehrzuverlässigan,wennderWitterungsablaufberücksichtigtwird.InNormaljahren,diedurchNässeimFrühjahrundTrockenheitimSommerge-kennzeichnetsind,reagierendiePflanzenempfindlichaufSchadverdichtungen.NurinJahrenmittrockenem Frühjahr und nachfolgend niederschlagsreichem Sommer gedeihen sie trotz Bodenver-dichtung zufriedenstellend.

Abb.8: ArbeitsschrittezurBestimmungderPackungsdichte



Die hier vorgestellte Synthese der Gefügebeurteilung ist eine wurzelökologisch begründete Bewer-tungdesBodengefügezustandes.DieMethodeisteinErgebnisjahrzehntelangerForschungsarbeitüber die Kausalkette

Gefügeeigenschaften des Bodens Durchwurzelung Ertragsbildung

DiewurzelökologischbegründeteGefügebeurteilungkannohnewennundaberauchfürhydrolo-gische Fragestellungen genutzt werden. Das Makroporensystem hat für die Sickerung gleich große Bedeutung wie für das Wurzelwachstum, das eine ausreichende Drainage des Bodens voraussetzt. AußerdemhinterlassenWurzelnWurzelkanäleimBoden,diebevorzugteFließwegefürdasSicker-wasser darstellen. Zwischen Durchwurzelbarkeit, Durchwurzelung und Drainageeigenschaften des BodensbestehenalsovielfältigeWechselwirkungen.EineguteDurchwurzelungisteinerseitseinsi-chererIndikatorfürausreichendeDrainagedesBodenprofils,undandererseitsschaffendievorhan-denenWurzelnneueKanäleimBodenfürdieSickerwasserbewegung.

Bei einer bodenmechanischen GefügebeurteilungwärenleichtmodifizierteAkzentezusetzen.HieristderLagerungsartdashöchsteGewichtzuzumessen.EinBodenmitsperrigerLagerungsarthatdiegeringstemechanischeBelastbarkeit,währendeinBodenmitgeschlossenerLagerungsart,beiderBioporenapriorikaumvorkommenkönnen,überdiehöchsteBelastbarkeit(geringsteVerdich-tungsgefährdung)verfügt.

EineaußergewöhnlicheKonstellationvonGefügemerkmalenentwickeltsichimpfluglosen Acker-bau.BeikonservierenderBodenbearbeitungundnochstärkerbeimAckerbausystemmitDirektsaatbefindetsichdieUnterkrumeineinemrechtkompaktenZustand,weistabereinestarkePerforationdurchBioporenauf.DieLagerungsartistetwa„fastgeschlossen“(roterBereich),währendderhoheBioporenanteil Grün signalisiert. Die Durchwurzelbarkeit ist nicht ganz optimal, aber dennoch aus-reichend.EinezielgerichteteGefügebewertungergibttendenziell:

• wurzelökologisch:mittlerePackungsdichte(Pd3)• bodenmechanisch: hohe Packungsdichte (Pd 4)• pedohydrologisch: geringe Packungsdichte (Pd 2)

Diese von der Regel abweichende Kombination von Gefügeeigenschaften begründet die Faszinati-ondespfluglosenAckerbaues:DerBodenistgutbefahrbar(tragfähig),dieErtragsfähigkeitnichtbeeinträchtigtunddieInfiltrabilitätdesBodensfürWasser(Wasseraufnahmefähigkeit)sehrgün-stig(Dumbeck,1986;Vorderbrügge,1989;Kohl&Harrach,1991;Harrach&Richter,1994;Richter1995).EinderartigerGefügezustand,dersowohlauslandwirtschaftlicheralsauchauswasserwirt-schaftlicherSichterstrebenswertist,bietethervorragendenSchutzvorOberflächenabfluss,Bodenero-sionundBodenverdichtung.Esdarfjedochnichtverschwiegenwerden,dassimpfluglosenAckerbauPflanzenschutzaspektezubeachtensindunderhöhterPflanzenschutzmitteleinsatznotwendigist.

DiefunktionalenVorzügedessichbeipflugloserWirtschaftsweisebildendenBodengefügezustandeskämenbeidemGefügebewertungsrahmen,denBesteetal.(2001)anwenden,nichtzurGeltung.IhreGefügebewertung orientiert sich am optimalen Krümelgefüge, das im hier angesprochenen Boden nichtanzutreffenist.EinsolcherBewertungsrahmenscheintdaherdenZielendesBodenschutzesnicht optimal zu dienen.



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Anhang6: VerschiedeneFormularezurErfassunghochwasserrelevanterKriterien

Anhang 6 /1: Schema zur Abschätzung des Bedeckungsgrades der Bodenoberfläche ackerbaulich genutzter Flächen.(Rohr et al., 1990)

Anhang 6 /1: Schema zur Abschätzung des Bedeckungsgrades der Bodenoberfläche ackerbaulich genutzter Flächen.(Rohr et al., 1990)



ca. 50 cm

ca. 50 cm

-10 cm

- 30 cm

- 50 cm

Horizontalschnitt an derBodengrube

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- 30 cm

- 50 cm

Aufsicht Anz. Mp d > 5 mm

Anz. Mp d < 5 mm

Total (nach Multiplikation*) Total Mp/m2Tiefe

Anhang 6/2: Die Beurteilung der Makroporosität am Boden-Horizontalschnitt.

(*Die Zahl der grösseren Mp (d > 5 mm) werden mit Faktor 5 multipliziert).



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Prozessevaluation:

niedrige Niederschlagsintensitäthohe Niederschlagsintensität

Anhang 6/3: Feldblatt zur Erfassung der abflussrelevanten Kriterien.

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bestimmungsschlüssel zur identifikation von ... · der hier entwickelte bestimmungsschlüssel baut...

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