Landscape discretization – delineation of hydrotopes
Process-based ways to delineate areas with similar hydrological processes in the landscape are
very important to regionalize process understanding and to apply distributed hydrological models.
In addition, it is required for an integrated risk assessment. Therefore, GIS-based procedures were
developed that allow mapping areas with the same dominating runoff generation processes for
mountainous catchments. As interflow components are very important for the investigated mountainous
catchments, the delineation of areas with the same soils and drift cover materials is crucial. The led
to an approach that focus on the regionalization of glacial and peri-glacial drift cover properties.

Key publications:

  • Tilch N., Uhlenbrook S., Leibundgut Ch., 2002: Regionalisierungsverfahren zur Ausweisung von
    Hydrotopen in von periglazialem Hangschutt geprägten Gebieten (Regionalisation procedure for
    delineating hydrotops in a catchment with peri-glacial drift cover; in German). Zeitschrift Grundwasser,
    Heft 4, 206-216.

  • Uhlenbrook S., 2003: An empirical approach for delineating spatial units with the same dominating
    runoff generation processes. Physics and Chemistry of the Earth, 28 (6-7): 297-303.
Regionalization approach for the delineation of hydrological response
units in an area with periglacial drift covers

Nils Tilch, Stefan Uhlenbrook

Hydrologically homogenous regions were determined within a GIS environment using generally
available data sets. In particular, a regionalization approach was developed that delineates
spatially the structure and the lithology of periglacial drift covers. This approach is based
on the genesis of the hill slope and its covering material. It is of great importance, as the
source area of hill slopes is very important for lateral runoff components. The results show a
plausible spatial delineation for the Brugga basin, 40 km², Black Forest Mountains. The
suitability of the approach was shown for the surrounding Dreisam basin (258 km²) using a
soil map (BÜK 200). The results are the basis for an improved process-oriented rainfall/runoff
modelling, and for a holistic environment and landscape management.

Untersuchungen zur Ausweisung von hydrogeologischen Homogenbereichen

Tracerhydrologische Untersuchungen haben schon früher gezeigt, dass während der
Hochwasserbildung 50 - 80 % des Gesamtabflusses durch Abflusskomponenten generiert
werden, die bereits vor dem Ereignis im Einzugsgebiet gespeichert waren und erst durch
das Niederschlagsereignis mobilisiert wurden (u.a. HERRMANN & STICHLER 1980, BUTTLE 1994).
Diese gehen auf komplexe Abflussbildungsprozesse zurück, die erst durch das Wirkungsgeflecht
verschiedener Abflussbildungsprozesse und deren räumliche und zeitliche Vernetzung
hervorgerufen werden (u.a. MCDONNELL 1990,UHLENBROOK & LEIBUNDGUT 1997).

Deshalb wurde ein Regionalisierungsverfahren zur Ausweisung von dreidiemsionalen hydrogeologischen Homogenbereichen entwickelt, welches im Folgenden am Beispiel des Brugga- und des
Dreisameinzugsgebietes vorgestellt wird.
1.) Raumgliederung in dreidimensionale hydrogeologische Homogenbereiche
Das kristalline Grundgebirge kann vereinfacht als undurchlässige Basiseinheit angesehen werden
(STOBER 1995, BIEHLER 1995). Die Wässer oberflächennaher aufgelockerter Felspartien haben zwar
einen bedeutsamen Anteil am Grundwasserumsatz, jedoch werden keine hochwasserrelevanten
Abflusskomponenten generiert (LINDENLAUB et al. 1997). Für den unterirdischen Wasserumsatz
im Bruggagebiet sind vor allem die dem Grundgebirge auflagernden quartären Lockergesteine
(Moränen, Talfüllungen und periglaziale Hangschutt-massen) von Bedeutung
(PRIER 1985; LINDENLAUB et al. 1997, UHLENBROOK et al. 2002):
  • Moränen:
    Ausgedehnte Moränengebiete befinden sich im Bereich der Kare und der Hochflächen (Abb. 1).
    Deren hydraulische Durchlässigkeit ist im allgemeinen gering. Schnelle Abflusskomponenten
    werden insbesondere von auflagernden Feuchtflächen generiert (LINDENLAUB et al. 1997).
  • Talsedimente:
    Die Talfüllungen der größeren Täler und des Zartener Beckens bestehen aus würmeiszeitlichen Schotterablagerungen, die vielerorts von bis zu 1 m mächtigem Auenlehm überlagert werden
    (SCHREINER 1999). Deren vertikale hydraulische Durchlässigkeit ist jedoch zumeist wegen
    schluffreicher Zwischenlagen nur mäßig. Im Zartener Becken findet dennoch überwiegend
    Tiefenperkolation in den Porengrundwasserspeicher statt. In den kleineren, steilen Talabschnitten
    können jedoch zur Zeit ergiebiger Niederschläge im Zuge der lateralen Grundwasserakkumulation
    gespannte Grundwasserverhältnisse resultieren, und somit Piston Flow-Effekte dominieren.
  • Periglaziale Hangschuttmassen:
    Der periglaziale Hangschutt stellt einen wichtigen Umsatzraum hochwasserrelevanter Abfluss-
    komponenten dar. Deshalb sind detaillierte Informationen zu dessen lateralen und vertikalen
    Litho- und Strukturvarianz notwendig. Breitenverfügbare Kartenwerke liefern diesbezüglich
    allerdings unzureichende Informationen.
Einen Überblick zur Prozessforschung in Periglazialgebieten gibt TILCH et al. 2002.
Abb. 1: Geologische Karte des Brugga-gebietes

Basierend auf der Geologische Karte des Bruggagebietes und der hangneigungs-abhängigen
Dominanz verschiedener periglazialer Hangentwicklungsprozesse wurde die generelle mittlere
Varianz der Mächtigkeiten (Gesamtmächtigkeit, Mächtigkeit einzelner Lagen) sowie der
Lithofazies und -stratigraphie im Sinne einer Hangcatena abgeleitet. Diese beschreibt sowohl
die generelle laterale Lithovarianz und die graduell variierenden Mächtigkeiten im Hangprofil,
als auch die mittleren hangneigungsspezifischen Bodenprofile.

Auf Basis der entwickelten Hangcatena und unter Berücksichtigung der abgeleiteten geologischen
Einheiten, lassen sich hydrogeologische Homogenbereiche (Abb. 2) ausweisen, und darauf
aufbauend Hydrotope (HRU) ableiten (Abb. 3).
Abb. 2: Raumgliederungskarte hydrogeologischer Homogenbereiche des Dreisamgebietes auf Basis der
entwickelten Regionalisierungsverfahren (links) und Ausstrichbereiche äquivalenter lithofazieller
Einheiten auf Basis der Bodenübersichtskarte (rechts).
Abb. 3: Raumgliederung des Bruggaeinzugsgebiet aufgrund der dominanten Abflussbildungsprozesse
in Hydrotope (HRU).
Zusammen mit bereichsspezifischen Bodenkennwerten, die auf der Basis von Literaturangaben
abgeleitet wurden, gingen diese flächendetaillierten Informationen in das Wenn-Dann-Regelwerk
und in den Faktenteil des Wissensbasierten Systems FLAB (Flächen gleicher Abflussbildung) der
AG Zittau zur Ausweisung von Bereichen hydrologischer Ähnlichkeit (Hydrotope) bei variablen
Gebietszuständen und Ereigniseigenschaften ein.
2.) Plausibilität der Raumgliederung
Die Plausibilität der Raumgliederungskarte hydrogeologischer Homogenbereiche kann geprüft
werden, in dem die sich aus der entwickelten mittleren Hangcatena ergebenen Ausstrichbereiche
einzelner Deckschichtenlagen, sowie die ausgewiesenen Bereiche der Moränen und Talsedimente
mit jenen der Bodenübersichtskarte für Baden-Württemberg verglichen werden. Wenn auch
die Flächenanteile im einzelnen geringfügig voneinander abweichen, so sind die
Verteilungsmuster beider Karten sehr ähnlich. Für das Einzugsgebiet der Brugga besteht die
Möglichkeit, die Ergebnisse der hydrogeologischen Raumgliederung mit der empirischen
forstlichen Standortskarte zu vergleichen. Sowohl die Verbreitung einzelner Deckschichtenareale,
als auch deren Flächenanteile zeigen eine relativ gute Übereinstimmung. Die Forstliche
Standortskarte stellte für das Bruggagebiet die bisher einzige, wenn auch nicht flächendeckende
Grundlage zur Ausweisung von Feuchtflächen dar. Ergänzende Feuchtflächen-kartierungen
wurden im Bruggagebiet durchgeführt. Im weiteren ist die Ausweisung der Feuchtflächen des
gesamten Dreisamgebiets auf der Basis von Landsat 7 TM-Aufnahmen
(vgl. VOGT & LENCO 1995) geplant.
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