Freiburger Schriften zur Hydrologie
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Band/volume 7: YIFENG CUI (1997):
Different Approaches towards an Understanding of Runoff Generation
Die vorliegende Arbeit will einen Beitrag zum Verständnis der Abflußbildung
leisten. In den Untersuchungen wurden zwei Methodentypen zur Trennung
des Abflusses gleichzeitig angewandt. Die erste Methode besteht in der
Anwendung eines Ganglinienseparationsmodells, das auf dem traditionellen
graphische Prinzip aufbaut. Den zweiten methodischen Ansatz bildet eine
experimentelle Untersuchung mit Hilfe von Sauerstoff-18 und hydrochemischen
Tracern. Zielsetzung war es, zu quantitativen Schätzungen über
dasjenige Fließwasser zu gelangen, das aus verschiedenen Quellen
im Laufe des Hydrologischen Jahres 1995 zum Abfluß kam. Darüber
hinaus sollten die Kenntnisse über Verweilzeiten und Speichervolumen
im Einzugsgebiet verbessert werden.
Die Untersuchungsgebiete bilden zwei kleine benachbarte Einzugsgebiete
im östlichen Kaiserstuhl, der sich als vulkanischer Gebirgsstock
aus der südlichen Oberrheinebene erhebt. Seine Hänge sind zu
großen Teilen mit Löß bedeckt. In der landwirtschaftlichen
Nutzung herrscht der Weinbau vor. Hier haben Rebflurbereinigungen in den
70er Jahren dieses Jahrhunderts die neuen Landschaftsformen der Großterrassen
geschaffen. Welche Auswirkungen diese Eingriffe auf die Entwicklung des
Mikroklimas, der Bodenstruktur, des Abflusses und der Weinbauökologie
haben, wurde in den Folgejahren kontrovers diskutiert und aus verschiedenen
Forschungsansätzen heraus betrachtet. Die hier untersuchten Einzugsgebiete
zeigen bis auf ihre unterschiedlichen Terrassierungsformen einen ansonsten
vergleichbaren physiographischen Bestand. Das kleinterrassierte Einzugsgebiet
Rippach umfaßt eine Fläche von 1,2 km2, das durch Großterrassen
umgelegte Gebiet Löchernbach eine Fläche von 1,7 km2. Beide
Einzugsgebiete liegen im Löß und werden landwirtschaftlich
intensiv genutzt.
Als hydrologische Daten wurden der tägliche Niederschlag und die
Abflußwerte herangezogen, die über einen Zeitraum von 15 Jahren
in den beiden Untersuchungsgebieten ermittelt worden waren. Die experimentellen
Untersuchungen umfaßten wöchentliche Proben von Fließwasser,
Grundwasser, Drainagen und Niederschlag, die über 14 Monate hinweg
kontinuierlich gezogen wurden. In den bestehenden Pegelstationen am Rippach
und Löchernbach wurden zwei zusätzliche automatische Probenahmegeräte
installiert, um Bachwasserproben in vierstündigen Intervallen zu
erhalten.
Die Untersuchungen zu den Einzelereignissen deuten darauf hin, daß
das Ereigniswasser oder "neue Wasser" einen Anteil von bis zu
90 % am Gesamtabfluß hat. Dies steht im Widerspruch zu früheren
Untersuchungen. Besonders hervorzuheben ist, daß ein bedeutender
Makroporenabfluß das Bachwasser noch 500 Minuten nach Ende des Ereignisses
dominierte. Dies bestätigt den beachtlichen Beitrag des Makroporenabflusses
zur Abflußbildung.
Die langfristigen Untersuchungen über ein Jahr zeigen auf, daß
der Gesamtabfluß im kleinterrassierten Einzugsgebiet zu 92 % und
im großterrassierten zu 83 % aus "altem" bzw. Vorereigniswasser
gebildet wird. Die Kombination der Traceranwendung von Sauerstoff-18 und
Chlorid erlaubte die Trennung des schnellen Interflow. Diese Komponente
konnte im kleinterrassierten Einzugsgebiet vernachlässigt werden,
während sie im großterrassierten Einzugsgebiet durch den Makroporenabfluß
der zahlreichen Drainagen 8 % betrug. Die Verweilzeiten des Grundwassers
von 1,71 bzw. 1,75 Jahren für die beiden Einzugsgebiete wurden mit
Hilfe eines Dispersionsmodells bestimmt und weisen auf eine Gesamtspeicherkapazität
in der Größenordnung von 1085 bzw. 1235 mm im Jahresdurchschnitt
hin. Das Verhältnis zwischen Sommer- und Winterinfiltrationskoeffizient
liegt im großterrassierten Einzugsgebiet bei einem Wert von 0,68.
Das kleinterrassierte Gebiet zeigt hingegen mit einem Wert von 0,98 eine
fast ausgeglichene Situation.
Durch Anwendung des DIFGA-Modelles, einem kontinuierlichen Ganglinenseparationsverfahren,
wurde der Abfluß in drei bzw. vier Komponenten separiert. Verglichen
mit den Ergebnissen der Isotopenuntersuchungen liegt der Anteil des indirekten
Abflusses am Gesamtabfluß mit 84 % im kleinterrassierten Einzugsgebiet
in einer plausiblen Größenordnung. Jedoch wird der entsprechende
Wert im großterrassierten Einzugsgebiet um 19% unterschätzt.
Dafür gibt es mehrere Gründe. Hauptgrund ist der nicht-lineare
Speicher in diesem Einzugsgebiet.
Das Speichervolumen von 9 mm im großterrassierten Einzugsgebiet,
das mit Hilfe des DIFGA-Modelles ermittelt wurde, ist um zwei Ordnungen
kleiner als dasjenige, das die Analyse der Isotopendaten liefert. Dieser
bemerkenswerte Unterschied kann mit Hilfe des Konzeptes der sogenannten
Energiespeicher entsprechend des beweglichen Wassers erklärt werden,
was darauf hinweist, daß das aktive bewegliche Wasser in diesem
Einzugsgebiet nur gering vertreten ist. Diese Tatsache ist vor allem eine
Folge der Bodenzerstörung durch Baumaschinen.
Es zeigt sich, daß graphische und isotopische Methoden unterschiedlichen
Rahmenbedinungen unterliegen. Während die erste erklärt, wie
schnell Wasser fließt (Antwortzeit), erklärt die zweite, wie
lange Wasser im Einzugsgebiet verweilt (Verweilzeit). Die Kombination
beider methodischen Ansätze ergibt folgendes Bild: Wasser wird für
eine lange Zeit in den Einzugsgebieten zurückgehalten, bevor es schnell
durch den Piston-Flow-Effekt verdrängt wird. In diesem Zusammenhang
spielt auch der kapillare Aufstieg im Löß eine große
Rolle.
Die Sensitivitätsanalyse des Zwei-Komponenten-Modells weist darauf
hin, daß die korrekte Berechnung der Input-Daten für langftistige
Untersuchungen von großer Bedeutung ist. Die Anwendung des Piecewise
Linear Baseflow für älteres Wasser ist geeignet für die
langfristige Separation. Die Sensitivitätsanalyse der kurzfristigen
Untersuchung zeigte, daß die Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeitwert
für Ereigniswasser von großer Wichtigkeit ist. Die direkte
Anwendung der elektrischen Leitfähigkeitwerte des Niederschlags für
Ereigniswasser kann den direkte Abflußanteil am Gesamtabfluß
bis zu 13 % an den hier untersuchten Einzugsgebieten unterschätzen.
Diese Unterschätzung in anderen Einzugsgebieten mag noch höher
liegen.
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