Experimentelle Untersuchung der Abflussbildung bei Starkregen

Abstract: Niederschlagsereignisse mit außergewöhnlich hoher Intensität und daraus resultierende Sturzfluten stellen seit jeher eine zerstörerische Naturgefahr dar, wie die Ereignisse von 2016 in Braunsbach und Simbach sowie 2018 in Wuppertal eindrücklich belegen. Diese Ereignisse zeigen auch, dass Vorhersagen solch kleinräumiger Extremereignisse oder gar eine Abschätzung der zu erwartenden Abflussreaktionen und damit verbundenen Gefahren bislang kaum möglich sind. Auch wenn sich aus Beobachtungsreihen für Deutschland derzeit noch keine eindeutigen Trends hinsichtlich Stärke und Häufigkeit von Starkniederschlägen kurzer Dauerstufen belegen lassen, so ist doch durch den voranschreitenden Klimawandel und zunehmenden Siedlungsdruck mit einer Häufung vergleichbarer Ereignisse zu rechnen. Starkregen führt als kleinräumiges, meteorologisches Ereignis zu hydrologischen Phänomenen, die mit der Hochwasserentstehung auf der Skala größerer Einzugsgebiete nicht unmittelbar zu vergleichen sind. So sind beispielsweise die Abflussspenden höher, die Reaktionszeiten kürzer und Hortonscher Oberflächenabfluss dominiert das Abflussgeschehen. Zugleich liegen nur sehr wenige detaillierte Messungen zur Abflussbildung bei Starkregen vor. In der vorliegenden Untersuchung wurden mit einer mobilen Großberegnungsanlage über 130 Starkregenversuche an 23 Wiesen- und Ackerstandorten auf den häufigsten Bodenarten in Baden-Württemberg realisiert. Dabei wurden jeweils auf einer Fläche von 100 Quadratmetern variable, standortspezifische 100-jährliche Niederschlagsereignisse mit einer Dauer von 15 Minuten bis zu einer Stunde simuliert, ebenso eine in Baden-Württemberg maximal beobachtete Niederschlagsmenge während einer und drei Stunden. Das Hauptziel der Studie war die Untersuchung von Abflussspenden, der zeitlichen Abflussdynamik und die Identifizierung dominanter Abflussprozesse in Abhängigkeit lokaler Standortparameter. Neben der Niederschlagsverteilung wurden Oberflächen- und Zwischenabfluss, die Bodenfeuchte als auch die Bildung temporärer Sättigungsflächen in zeitlich hoher Auflösung gemessen. Durch eine Wiederholung des Versuchs mit der Wiederkehrperiode von 100 Jahren und der Dauerstufe von einer Stunde konnte der Effekt unterschiedlicher Vorfeuchte auf die Abflussbildung untersucht werden. Unter trockenen Vorbedingungen konnte trotz der hohen Niederschlagsintensität der simulierten 100-jährlichen Ereignisse (40 bis 70 mm/h) bei weniger als der Hälfte der Versuchsflächen eine relevante Abflussreaktion festgestellt werden. Die Versuchsergebnisse zeigen aber andererseits auch eine große Variation der Abflussreaktion hinsichtlich zeitlicher Dynamik, Spitzenabfluss und Abflussbeiwert in Abhängigkeit unterschiedlicher Standorteigenschaften. Der durch die Versuche generierte und frei verfügbare Datensatz kann einen wichtigen Beitrag dazu liefern, prozessorientierte hydrologische Modelle zu validieren und zu verbessern, um so dem Ziel einer flächendeckenden Starkregen-Risikokartierung und realistischen Hochwassergefahrenkarten näher zu kommen
Abstract: Rainfall of exceptionally high intensities and resulting in pluvial floods is a destructive natural hazard, as was demonstrated by the pluvial floods in Braunsbach, Simbach in 2016 and Wuppertal in 2018. These incidents also show that the prediction or even estimation of runoff responses from such localized extreme events and associated hazards is possible only to a very limited extent. Although time series of observed rainfall still do not show a clear trend concerning the intensity and frequency of heavy precipitation events of short duration, it must be assumed that such events are occurring with increasing frequency and higher potential for damage due to climate change and growing settlement pressure. Torrential rainfall affecting small spatial scales cause hydrological phenomena that cannot be simply compared with the flood generating mechanisms on the spatial scale of larger catchments. For example, runoff rates are higher, response times are shorter and Horton overland flow is often the dominant form of runoff generation. At the same time, only a few detailed observations on runoff generation during torrential rainfall events exist. Within the presented study, over 130 rainfall events at 23 locations on grassland and arable land and a large variety of relevant soil types in the federal state of Baden-Württemberg were realized using a large mobile rainfall simulator. Location specific 100-year rainfall events with a duration of 15 minutes and up to 1 hour as well as a constant maximum observed amount in Baden-Württemberg for 1 h and 3 h-rainfall events, were simulated on an area of 100 square meters. The principal aim of the study was to investigate runoff rates, temporal runoff dynamics and the identification of dominant runoff processes in dependency on location parameter. Besides the distribution of simulated rainfall, surface runoff and subsurface runoff, soil moisture and the development of temporally saturated areas were monitored with high temporal resolution. The effect of variable soil moisture on runoff generation could be studied by repeating the simulation of an event with a return period of 100 years and a duration of one hour. Under dry preconditions less than half of the experimental sites produced a relevant runoff response despite high intensities between 40 and 70 mm/h. The results of the experiments also demonstrate the large variability of runoff reactions concerning temporal dynamics, peak runoff rates and runoff coefficients which could be attributed to certain properties at some locations. The experimental data set is freely available and could contribute to a validation and improvement of process oriented hydrological models and getting closer to the goal of a comprehensive pluvial flood risk assessment and realistic flood hazard maps with a complete spatial coverage

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung. - 64, 5 (2020) , 221-236, ISSN: 2749-859X

Classification and Topics

• Keyword: Abfluss ; Mathematisches Modell ; Feldversuch ; Landnutzung ; Baden-Württemberg

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2022
• Creator: Ries, Fabian ; Kirn, Lara ; Weiler, Markus

Further information

• DOI: 10.5675/HyWa_2020.5_1
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2304411
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:55 PM CET