Der Einfluss des Reliefs, der Hangsedimente und der Bodenvorfeuchte auf die Abflussbildung im Mittelgebirge: experimentelle Prozess-Studien im Sauerland
Gespeichert in:
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| Format: | Hochschulschrift/Dissertation Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Bochum
Geograph. Inst. der Ruhr-Univ.
2006
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| Schriftenreihe: | Bochumer geographische Arbeiten
76 |
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| Beschreibung: | Zsfassung in engl. Sprache. - Zugl.: Bochum, Univ., Diss. |
| Umfang: | XI, 162 S. Ill., graph. Darst., Kt. |
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole
1 EINLEITUNG 1
1.1 Problemstellung 1
1.2 Konzeption und Zielsetzung der Arbeit 2
1.3 Aufbau der Arbeit 2
2 STAND DER FORSCHUNG 4
і
2.1 Abflussbildungsprozesse 4
2.1.1 Oberirdische Abflussbildungsprozesse 4
2.1.1.1 Hortonscher Oberflächenabfluss 4
2.1.1.2 Sättigungsflächenabfluss 5
2.1.2 Unterirdische Abflussbildungsprozesse 5
2.1.2.1 Abflussbildungsprozesse im ungesättigten Boden 6
2.1.2.2 Abflussbildungsprozesse in der Grundwasserzone 6
2.2 Abflussbildungsprozesse und Einflussfaktoren 7
2.2.1 Einfluss des Reliefs 7
2.2.1.1 Primäre Parameter 8
2.2.1.2 Sekundäre Parameter 9
2.2.1.3 Tertiäre Parameter 10
2.2.2 Einfluss des Bodens und der Hangsedimente 12
2.2.2.1 Bodenphysikalische Eigenschaften 12
2.2.2.1.1 Wasserfluss in der Bodenmatrix 12
2.2.2.1.2 Wasserfluss in Makroporen 13
2.2.2.2 Vertikale Differenzierung von Böden und Hangsedimenten 14
2.2.3 Einfluss der Bodenvorfeuchte 17
2.2.3.1 Zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte 17
2.2.3.2 Räumliche Variabilität der Bodenfeuchte 19
2.3 Skalen in der hydrologischen Prozessforschung 19
2.4 Raumwirksamkeit von Abflussbudungsprozessen 20
Inhaltsverzeichnis
3 UNTERSUCHUNGSGEBIETE
„OBERE BRACHTPE UND „BOHLÄSE 22
3.1 Naturräumliche Lage und Auswahlkriterien 22
3.2 Klima und Abfluss 24
3.3
3.4 Morphologie 26
3.5
3.6 Landnutzung 30
3.7 Morphometrie und Gewässernetz 31
3.8 Oberflächenform und Nutzung der Messhänge
„Husten und „Bohläse
4 HYPOTHESEN ZUM EINFLUSS DER GEOFAKTOREN UND
BODENVORFEUCHTE AUF DIE ABFLUSSBILDUNG 35
4.1 Einflussfaktor Relief 35
4.2 Einflussfaktoren „Boden und Hangsedimente 36
4.3 Einflussfaktor „Bodenvorfeuchte 36
37
37
37
38
38
40
40
41
41
41
41
41
42
42
42
42
42
5
MATERIAL UND METHODEN
5.1
Feldmethoden
5.1.1
Erfassung meteorologischer Größen
5.1.2
Abflussmessung
5.1.3
Bodenfeuchtemessung mit Tensiometer
5.1.4
Bodenfeuchtemessung mit dem Time-Domain-Reflectometry-Verfahren
5.1.5
Grundwassermonitoring
5.1.6
Erfassung bodenkundlicher Parameter
5.1.6.1
Punktuelle Bodenaufnahme
5.1.6.2
Flächenhafte Bodenaufnahme
5.1.7
Markierangsversuch
5.1.8
Vermessungen
5.2
Labormethoden
5.2.1
Bodenchemische Analysen
5.2.1.1
pH-Wert
5.2.1.2
Kohlenstoff
5.2.1.3
Carbonatgehalt
ущ
5.2.2 Bodenphysikalische Messungen 42
5.2.2.1 Ungesättigte Leitfähigkeit 42
5.2.2.2 Gesättigte Leitfähigkeit 43
5.2.2.3 Korngrößenanalyse 43
5.2.2.4 Rohdichte 43
43
43
43
43
5.5 Abgrenzung und Charakterisierung von Niederschlags-
/ und Abflussereignissen 44
5.5.1 Niederschlagsereignisse j 44
5.5.2 Abflussereignisse / 45
53
Datenzeitraum
5.4
Datenverarbeitung
5.4.1
Punktdaten
5.4.2
Raumdaten
6 ERGEBNISSE 48
6.1 Charakterisierung der zeitlich stabilen Steuergrößen der Abflussbildung 48
6.1.1 Sedimente an den Messhängen„Husten und ,3ohläse 48
6.1.2 Oberfläche des Untergrundes am Messhang „Husten 51
6.1.3 Böden an den Mess-Standorten „Obere Brachtpe 52
6.1.3.1 Mess-Station Aue 52
6.1.3.2 Mess-Station Hangfuß 54
6.1.3.3 Mess-Station Rinne 55
6.1.3.4 Mess-Station Oberhang 56
6.1.3.5 Mess-Station Divergenter Hang 58
6.1.4 Böden an den Mess-Standorten „Bohläse 58
6.1.4.1 Mess-Station Bohläse
6.1.4.2 Mess-Station Bohläse
6.1.4.3 Mess-Station Bohläse
6.2 Charakterisierung der zeitlich variablen Steuergrößen der Abflussbildung 63
6.2.1 Freilandniederschlag , 63
6.2.2 Bestandsniederschlag und Interzeptionsverlust 65
6.2.3 Zeitlicher Gang der Saugspannungen 66
6.2.3.1 Mess-Station Aue 66
6.2.3.2 Mess-Station Hangfuß 74
6.2.3.3 Mess-Station Rinne 75
6.2.3.4 Mess-Station Oberhang 76
6.2.3.5 Mess-Station Divergenter Hang 76
Inhaltsverzeichnis
6.2.3.6
6.2.3.7
6.2.3.8
6.2.3.9 Vergleich der Saugspannungsverläufe 79
6.3 Identifizierung von Abflussbildungsprozessen und ihrer
räumlichen und zeitlichen Variabilität 80
6.3.1 Bivariat-statistische Auswertung langjähriger Messreihen zu Bodenfeuchte,
Grundwasser und Abfluss 80
6.3.1.1 Beziehung zwischen Bodenfeuchte und Abfluss 80
6.3.1.2 Beziehung zwischen Grundwasser und Abfluss 82
6.3.1.3 Differenzierung zwischen hanghydrolgischem und vorfluternahem System 83
6.3.2 Zeitlich hochaufgelöste Analyse der Bodenfeuchte-, Grandwasser- und Abflussdynamik 84
6.3.2.1 Untersuchungsgebiet „Bohläse 84
6.3.2.1.1 Abflussbildung während sommerlicher Niederschläge (August 2002) 84
6.3.2.1.2 Abflussbildung während frühjährlicher Niederschläge (Juni 2002) 87
6.3.2.1.3 Abflussbildung während eines sommerlichen Starkregens (Juli 2002) 89
6.3.2.1.4 Zusammenfassung 91
6.3.2.2 Untersuchungsgebiet „Obere Brachtpe 92
6.3.2.2.1 Abflussbildung während herbstlicher Niederschläge (Oktober 2001) 92
6.3.2.2.2 Abflussbildung während sommerlicher Niederschläge (August 2004) 97
6.3.2.2.3 Abflussbildung während frühjährlicher Niederschläge (Mai 2003) 100
6.3.2.2.4 Abflussbildung während winterlicher Niederschläge (Februar 2002) 105
6.3.2.2.5 Zusammenfassung 107
6.3.3 Grandwasserhydraulische Untersuchungen 109
6.3.3.1 Zeitliche und räumliche Variabilität der Grandwassermorphologie 109
6.3.3.2 Fließwege und Verweilzeiten des Grundwassers 112
6.3.4 Ereignisorientierte Analyse des Niederschlags-Abfluss-Geschehens unter
Einbeziehung der Bodenvorfeuchte 118
6.3.4.1 Teilfaktor „Niederschlag und „Abfluss 118
6.3.4.1.1 Abgrenzung und Beschreibung der Niederschlagsereignisse 118
6.3.4.1.2 Abgrenzung und Beschreibung der Abflussereignisse 118
6.3.4.2 Teilfaktor „Bodenvorfeuchte 119
6.3.4.2.1 Gruppierung und Beschreibung der Bodenvorfeuchte 119
6.3.4.2.2 Analyse der Vorfeuchte-Cluster unter Einbeziehung von Niederschlag und Abfluss 121
6.3.4.2.3 Zusammenfassung 128
6.3.4.3 Ableitung eines ereignisorientierten Modells zur Abschätzung des Scheitelabflusses 128
X
7 DISKUSSION DER UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE 133
7.1 Einfluss des Reliefs auf die Abflussbildung 133
7.2 Einfluss der Hangsedimente und des Bodens auf die Abflussbildung 135
7.3 Einfluss der Bodenvorfeuchte auf die Abflussbildung 137
8 FAZIT UND AUSBLICK 139
9 ZUSAMMENFASSUNG 140
ABSTRACT
LITERATURVERZEICHNIS 143
J
Verzeichnis der Abbildungen
Verzeichnis der Tabellen 158
Verzeichnis der Fotos 159
ANHANG 160
I
П
Beziehung nach VAN GESUCHTEN (1980) 161
Ш
Inhaltsverzeichnis
XI
Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole
a
Jahr
P
Piezometer
Abb.
Abbildung
pH
pH-Wert
bzw.
beziehungsweise
r
Korrelationskoeffizient nach
ca.
cirka
r2
Bestimmtheitsmaß
Cges
Gesamtkohlenstoff [%]
s
Sekunde
cm
Zentimeter
SH
Sommerhalbjahr
d
Tag
T
Ton
d.h.
dass heißt
t
Zeit
DIN
Deutsches Institut für Normung
Tab.
Tabelle
DWD
Deutscher Wetterdienst
TDR
Time-Domain-Reflectometry
DVWK
Deutscher Verband für
TI
Topographischer Index
Wasserwirtschaft und Kuturbau
KntKBY 1979)
et
et
TK
Topographische Karte
ed.
Editor
TW
Totwasser [mm oder %]
Fe
Eisen
u.a.
unter anderem
FK
Feldkapazität
v.a.
vor allem
fS
Feinsand
vgl.
vergleiche
fü
Feinschluff
WH
Winterhalbjahr
Gl.
Gleichung
z.B.
zum Beispiel
GPV
Gesamtporenvolumen [mm oder %]
gs
Grobsand
gu
Grobschluff
Griechische Symbole
h
Stunde
Horiz.
Bodenhorizont
4?
Potential des Bodenwassers [hPa]
Hrsg.
Herausgeber
0
Bodenwassergehalt [Vol.-% ]
Kap.
Kapitel
9(¥)
Wassergehalt als Funktion
kf
gesättigte hydraulische Leit¬
Matrixpotentials [Vol.-%]
fähigkeit [cm/s]
V
Matrixpotential [hPA]
k„
ungesättigte hydraulische
Restwassergehalt bei Sättigung [Vol.-
Leitfähigkeit [cm/s]
es
Wassergehalt bei Sättigung [Vol.-%]
km
Kilometer
pt
Rohdichte (trocken) [g/ccm]
ld
Lagerungsdichte (AG BODEN 1994)
LK
Luftkapazität [mm oder %]
m
Meter
min
Minute
Mn
Mangan
mS
Mittelsand
mU
Mittelschluff
MQ
Mittlerer Abfluss [m3/s]
MHQ
Mittlerer Hochwasserabfluss [m3/s]
MNQ
Mittlerer Niedrigwasserabfluss [rrf/s]
mü.NN
Höhen über Normalnull [m]
nFK
nutzbare Feldkapazität [mm oder %]
nFKWe
nutzbare Feldkapazität des effektiven
Wurzelraumes [mm oder %]
NdoderN
Niederschlag [mm]
Nr.
Nummer
NQ
Abflusswirksamkeit [-]
Nv
Niederschlagsverlust [mm]
Nz
Niederschlagsdauer [min]
NM
Niederschlagsmedian [-]
Ns
Schwerpunkt [-]
Q
Abfluss [m*/s]
Qa
Anfangsabfluss
Qmax
Scheitelabfluss
Qrcl
relativen Abflusserhöhung [-]
Qo
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Qu
Basisabfluss [mVs]
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