Lexikon Geologie Geografie Geowissenschaften  
Suche :        
   A   B   C   D   E   F   G   H   I   J   K   L   M   N   O   P   Q   R   S   T   U   V   W   X   Y   Z   #   

 

 
 

Abflussprozess

 
     
  Wasser, das sich als Abfluss in einem fliessenden Gewässer wiederfindet, hat seinen Ursprung im Niederschlag, wobei es allerdings auch über längere Zeiträume hinweg auf der Erdoberfläche in Form von Schnee und Eis, in natürlichen und künstlichen Seen sowie im Boden als Bodenfeuchte oder Grundwasser gespeichert gewesen sein kann. Der Abflussprozess beruht auf drei Vorgängen: a) dem Prozess der Abflussbildung aus dem Niederschlag, b) dem Prozess der Konzentration des zum Abfluss gelangenden Niederschlages (Abflusskonzentration) und c) dem Fliessprozess im offenen Gerinne.


Diese Prozesse lassen sich in zahlreiche Unterprozesse aufgliedern. Sie laufen alle gleichzeitig ab, wobei sich der Schwerpunkt der einzelnen Prozesse mit zunehmendem zeitlichen Abstand vom auslösenden Niederschlagsereignis vom Abflussbildungs- über den Abflusskonzentrations- hin zum Fliessprozess im offenen Gerinne verschiebt.


Bei dem Prozess der Abflussbildung wird aus dem den Erdboden direkt erreichenden Niederschlag oder aus der Schneeschmelze der sowohl unmittelbar als auch verzögert zum Abfluss gelangende Wasseranteil gebildet (Effektivniederschlag). Ein Teil des Niederschlags fällt direkt in das Fliessgewässer. Der dadurch entstehende Abfluss ist jedoch oft unbedeutend, da der Anteil der Wasserflächen an der Gesamtfläche des Einzugsgebietes meist gering ist.


Die Abflussbildung wird beeinflusst durch die Prozesse der Schneedeckenbildung, der Interzeption, der Verdunstung, der Infiltration und der Wasserspeicherung im Oberflächen-, Boden- und Grundwasser. Es handelt sich dabei um Prozesse, die sowohl auf den Landoberflächen als auch im Boden, in vertikaler Richtung entweder gleichzeitig oder mit geringfügiger zeitlicher Verschiebung ablaufen. Durch Zwischenspeicherung auf den Vegetationsoberflächen (Interzeption) und den Landoberflächen (Schneedecke, Muldenrückhalt), wobei ein Teil des Wassers durch den Verdunstungsprozess in die Atmosphäre zurückgeführt wird, tritt eine Verminderung des Niederschlagswassers ein (Oberflächenrückhalt).


Das die Erdoberfläche erreichende Niederschlagswasser versucht unter der Wirkung der Schwerkraft in die Bodenmatrix einzudringen (Infiltration). Von besonderer Bedeutung ist das Vorhandensein von Makroporen, welche die Infiltration des Wassers wesentlich erleichtern. Daher wird zwischen Mikro-und Makroporeninfiltration unterschieden. Wenn diese Makroporen bis an die Bodenoberfläche reichen, kann bei Starkregen das Niederschlagswasser direkt in die Makroporen eintreten und schnell in tiefere Bereiche gelangen. Auf dem Weg wird, wenn keine Wassersättigung der Bodenmatrix vorliegt, Wasser an die Bodenmatrix abgegeben. Umgekehrt kann bei Sättigung des Bodens den Makroporen auch Wasser zufliessen (Abb. 1). Dieser Prozess hängt im wesentlichen von dem Infiltrationsvermögen und der Speicherkapazität der Böden ab. Beide Grössen werden beeinflusst von der Vegetation, den physikalischen Bodeneigenschaften (Bodenart, Bodengefüge, Makroporenanteil, Bodenprofil, Durchlässigkeit), der vorhandenen Bodenwassersättigung, dem Bodenfrost und von den anthropogenen Einwirkungen wie Versiegelung der Erdoberfläche (Dächer, Strassen) sowie landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (Tiefe der Pflugsohle, Verschlämmung und Verdichtung der Böden). Felsstrukturen sowie versiegelte oder gefrorene Böden wirken fast wie Wasserflächen. Es treten lediglich geringe Verluste durch Benetzung auf.


Ist die Intensität der den Boden erreichenden Niederschläge grösser als die Infiltrationsrate, kommt es zu einem Wasserstau auf der Erdoberfläche, und Wasser fliesst oberflächlich ab, wenn es die örtlichen Gefällsverhältnisse erlauben (Hortonscher Landoberflächenabfluss). Der verbleibende Teil sammelt sich in kleinen Vertiefungen auf der Bodenoberfläche (Muldenrückhalt) und infiltriert den Erdboden, soweit er nicht direkt durch den Verdunstungsprozess in die Atmosphäre zurück gelangt. Mit zunehmender Bodenwassersättigung nimmt die Infiltrationsrate exponentiell ab (Infiltration Abb. 1, Kurve 1), bis die Sättigung des Bodens erreicht ist. Dabei steigt der als Landoberflächenabfluss abfliessende Wasseranteil. Der Hortonsche Oberflächenabfluss geht dann in den Sättigungsflächenabfluss über.


Bei einem gleichmässigen, langanhaltenden Niederschlag, dessen Intensität zunächst kleiner als die Infiltrationsintensität ist, wird die Wassersättigung des Bodens erst später erreicht, d.h. während der Sättigungsphase erfolgt kein Landoberflächenabfluss. Erst danach tritt eine Abnahme des Infiltrationsvermögens ein (Infiltration Abb. 1, Kurve 2).


Ein Regen mit einer Intensität kleiner als das Infiltrationsvermögen sättigt den Boden nicht und erzeugt keinen Landoberflächenabfluss (Infiltration Abb. 1, Kurve 3). Nach der Infiltration in die Bodenmatrix füllt das Niederschlagswasser zunächst die Bodenwasservorräte bis zum Erreichen der Feldkapazität wieder auf. Überschüssiges Wasser wird in tiefere Bereiche abgeleitet. Ein Teil des im Boden gespeicherten Wassers geht durch den Verdunstungsprozess über den Kapillaraufstieg oder durch die Wasseraufnahme der Pflanzen (Verdunstungsprozess, Transpiration) verloren. Bei weiterem Eindringen des Wassers in den Boden gelangt dieses entweder in den Bereich der gesättigten Bodenzone oder an weniger durchlässige Schichten. Hier trägt es entweder zur Grundwasserneubildung bei und wird als Grundwasser gespeichert oder es wird an der weniger durchlässigen Schicht zeitweilig gestaut und bildet dort temporär einen mit Wasser gesättigten Bereich. Das Wasser aus diesen Zonen wird erst mit einer erheblichen zeitlichen Verzögerung wieder durch unterirdische, vertikale oder laterale Wasserbewegung abgegeben. Beim tieferen Eindringen in den Erdboden trifft das Wasser auf den Festgesteinsbereich. Hier wird es aufgestaut. Vorhandene Kluftsysteme können das Eindringen des Wassers in tiefere Schichten ermöglichen und zur Tiefenversickerung führen. Ein gut entwickeltes Kluftsystem kann auch einen leistungsfähigen Grundwasserspeicher darstellen, in dem eine beachtliche Wasserbewegung als Grundwasserabfluss stattfindet (Abb. 2).


Bei dem Prozess der Abflusskonzentration wird der flächenhaft verteilte Effektivniederschlag zu dem nächstgelegenen Vorfluter durch auf der Landoberfläche oder im Boden stattfindende laterale Fliessvorgänge geleitet. Auf der Landoberfläche fliesst das Wasser als Landoberflächenabfluss, im Bereich der ungesättigten Bodenzone als Zwischenabfluss und im Bereich der gesättigten Bodenzone als Grundwasserabfluss ab. Sofern das aus Infiltrations- bzw. Sättigungsüberschuss auf der Landoberfläche gestaute Niederschlagswasser nicht in kleineren Vertiefungen oder Mulden zurückgehalten wird, fliesst es unter dem Einfluss der Schwerkraft als Landoberflächenabfluss (Hortonscher Oberflächenabfluss, Sättigungsflächenabfluss) oder als returnflow dem Vorfluter zu. Urbane (versiegelte) Flächen werden meist durch die städtischen Kanalsysteme oder durch eigens angelegte Grabensysteme entwässert.


Weitere Prozesse können zu einer oberflächennahen, hangparallelen Wasserbewegung führen. Besonders schnell und bedeutend ist dieser laterale Abfluss, wenn ein gut ausgebildetes Makroporensystem (Makroporenfluss) und ein grobes Korngerüst bzw. ein sehr skelettreicher Boden oberhalb einer nicht- oder nur gering durchlässigen Bodenschicht vorhanden sind. Diese Schicht wirkt als Drainage des Hanges. Man bezeichnet diese Form der Wasserbewegung als "Abfluss auf bevorzugten Fliesswegen" (Abb. 1). Wenn wesentlicher lateraler Abfluss in Makroporen unter nahezu vollständiger Umgehung der Bodenmatrix stattfindet, wird von bypass flow gesprochen.


Neben der Abnahme der Makroporosität mit der Tiefe wird häufig auch eine Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenmatrix mit der Tiefe beobachtet. In Verbindung mit oft auftretenden anisotropen Böden in Hanglagen kann dies zu einer bedeutenden Fliesskomponente in Hangrichtung in der Bodenmatrix führen.


Das sich als Zwischenabfluss meist hangparallel abwärts bewegende Wasser kann, wenn laterale Makroporen im Hangbereich an der Erdoberfläche austreten oder stauende Schichten in konkaven Bergabschnitten bis an die Oberfläche reichen, austreten und oberirdisch als returnflow weiterfliessen.


In dem Bereich von Bergrücken kann sich nach starken Niederschlägen temporär ein gesättigter Bodenbereich einstellen, und zwar dort, wo nur ein geringer bis mässiger hydraulischer Gradient, über einer weniger gut durchlässigen Schicht, herrscht. Dabei bildet sich mit zunehmender Mächtigkeit und räumlicher Ausdehnung in den Randbereichen ein grösseres hydraulisches Gefälle aus. Der entstandene gesättigte Grundwasserbereich gibt Wasser als Zwischenabfluss in untere Hangbereiche ab. In den Hangbereichen mit einem starken hydraulischen Gradienten fliesst neben dem Effektivniederschlag zugleich Wasser als Zwischenabfluss von oberen Hangbereichen zu und fliesst in untere Hangbereiche ab. Bei zunehmendem Niederschlag kann teilweise Zwischenabfluss in Landoberflächenabfluss (returnflow) übergehen (Abb. 3).


Wenn das Wasser als Zwischenabfluss den Bereich des Hangfusses erreicht, kann es entweder direkt in einen Vorfluter gelangen, oder es tritt in den Bereich der gesättigten Bodenzonen ein, wie z.B. in die die Fliessgewässer umgebenden feuchten Talauen. Trifft es auf gut wasserdurchlässige Schichten, wie z.B. die Schotter der Gebirgsvorländer, versickert es in tiefere Bereiche und trägt zur Grundwasserneubildung bei. Bei starkem Zustrom von Hangwasser wird sich im Bereich der Tallagen ein zeitlich variabler, gesättigter Bereich ergeben, der sich mit zunehmender Niederschlagsdauer erheblich ausdehnen kann (Sättigungsflächenabfluss). Mit dieser Ausdehnung des Sättigungsbereiches geht zugleich eine Erweiterung des Gewässernetzes einher. Diese Ausdehnung kann sich bis in Zonen mit stärkerem hydraulischen Gradienten erstrecken. Es kann dann ebenfalls zu einem Austritt von Hangwasser an der Erdoberfläche kommen, also zu einem Übergang von Zwischenabfluss in Landoberflächenabfluss (returnflow). Dieser Sättigungsbereich trägt wesentlich zur Abflussbildung bei. Alles diesem Bereich unter- und oberirdisch zuströmende Wasser wird unmittelbar dem Gerinne zugeführt.


Ebenso wie ein Übergang von Zwischenabfluss in Landoberflächenabfluss möglich ist, kann der umgekehrte Fall eintreten. Gelangt oberflächlich abfliessendes Wasser plötzlich in Bereiche mit gutem Infiltrationsvermögen, so kann Landoberflächenabfluss in Zwischenabfluss übergehen. Dies ist besonders dort der Fall, wo Landoberflächenabfluss von nackten Felsflächen in den meist gut durchlässigen Hangschuttbereich übertritt.


Während beim Landoberflächenabfluss ausschliesslich Ereigniswasser in den Vorfluter gelangt, handelt es sich bei den Wasserflüssen, wegen der geringen Fliessgeschwindigkeiten meist um Vorereigniswasser. Die Mobilisierung des "Altwassers" erfolgt sehr schnell, so dass in der Abflussganglinie die Scheitel von direkter und indirekter Abflusskomponente relativ dicht nebeneinander liegen (Abb. 4). Hier sind Verdrängungsprozesse sowohl in der ungesättigten als auch in der gesättigten Bodenzone vorhanden. Diese treten insbesondere in Zonen mit hoher Vorsättigung auf, wie z.B. bei topographischen Senken oder unteren Hangbereichen, denen in der Zeit zwischen einzelnen Niederschlagsereignissen Wasser aus höhergelegenen Teilgebieten zusickert.


In Bereichen eines Einzugsgebietes, in denen der Kapillarsaum bis nahe an die Bodenoberfläche reicht, treten schnelle Potentialänderungen auf. Durch Infiltration von Niederschlagswasser in den Kapillarsaum kommt es während eines Ereignisses zu einem schnellen und überproportional starken Anstieg des Grundwasserspiegels in diesem Bereich. Es entsteht ein lokaler Potentialrücken (groundwater ridge), der einen schnellen Ausfluss von Grundwasser in den Vorfluter zur Folge hat (Grundwasserabfluss).


In einen Vorfluter eintretendes Wasser aus Landoberflächen-, Zwischen- oder Grundwasserabfluss führt zu einer Ansammlung von Wasser oder zu einer Erhöhung der Wasserführung. Die zeitlichen Schwankungen der Wasserführung werden durch die Abflussganglinie charakterisiert (Abb. 4).


Zwischen einem Niederschlagsereignis und dem Anstieg des Abflusses im Fliessgewässer besteht eine Zeitdifferenz, nämlich die Fliesszeit, welche das Wasser benötigt, um zu dem Vorfluter zu gelangen. Diese Fliesszeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, z.B. von der Entfernung zum Vorfluter, den ober- und unterirdischen Gefällsverhältnissen, der Bodenrauheit und den Bodendurchlässigkeiten.


Der Fliessvorgang im offenen Gerinne entsteht aufgrund der Wasseransammlung aus Landoberflächenabfluss, Zwischenabfluss oder Grundwasserabfluss und dem Einfluss der Schwerkraft.
Das Wasser bewegt sich ständig dem grössten Gefälle folgend zum Meer oder zu einem See. Auf
dem Weg dorthin tritt neues Wasser als Landoberflächen-, Zwischen- oder Grundwasserabfluss hinzu.
Das Wasser im Flusslauf steht mit dem Grundwasser in Wechselbeziehung und kann auch zeitweise
oder ständig Wasser an das Grundwasser abgeben (Uferspeicherung). Zusätzliches Wasser erhält
der Wasserlauf aus Nebenflüssen (Abb. 5). In Gebieten mit besonderen Bedingungen, z.B. mit stark
geklüftetem Untergrund oder in ariden bis semiariden Gebieten, kann das Wasser eines Flusses
vollständig versiegen. Eine im Fliessgewässer ablaufende Hochwasserwelle verändert durch die
Retentionswirkung (Gerinnerückhalt) mit zunehmender Laufzeit ihre Form, d.h. es findet eine
Abflachung des Scheitels und eine Verbreiterung der Welle statt. Der Fliessvorgang im offenen Gerinne erfolgt nach den Gesetzmässigkeiten der Hydromechanik (hydrodynamische Bewegungsgleichung, Gerinneströmung, Fliessformeln).
Literatur: [1] BAUMGARTNER, A. & LIEBSCHER, H. (HRSG.) (1996): Lehrbuch der Hydrologie.Band 1, Stuttgart. [2] CHORLEY, R.J. (1969): Introduction to Physical Hydrology. - London. [3]
DINGMAN, S.L. (1994): Physical Hydrology. - Prentice Hall, New Jersey. [4] DYCK, S. & PESCHKE, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie. - Berlin. [5] KIRKBY, M.J. (1978): Hillslope Hydrology. - Wiley, New York. [6] WARD, R.C. (1975): Principles of Hydrology. - London.

AbflussprozessAbflussprozess 1: wichtige Fliessprozesse im Boden mit Niederschlag (1), Landoberflächenabfluss (2), Versickerung in die Makroporen (3), Fliessen in den Makroporen (4), Versickerung in die Makroporen durch die Bodenoberfläche (5), Versickerung aus den Makroporen in die Mikroporen (6), Versickerung in den Mikroporen (7) und schneller, lateraler, unterirdischer Abfluss auf bevorzugten Fliesswegen in Makroporen hochdurchlässiger Schichten (8).

AbflussprozessAbflussprozess 2: schematische Darstellung des Abflussprozesses.

AbflussprozessAbflussprozess 3: Wasserbewegung an einem Berghang vor Beginn des Niederschlages (1), während des Niederschlagsereignisses (2), am Ende des Niederschlagsereignisses (3).

AbflussprozessAbflussprozess 4: Zusammensetzung einer Abflussganglinie aus ihren Komponenten Landoberflächenabfluss, Zwischenabfluss und Grundwasserabfluss.

AbflussprozessAbflussprozess 5: Entstehung einer Durchflussganglinie aus Zuflüssen von Teilbereichen des Einzugsgebietes.
 
 

 

 

 
 
Ein Bookmark auf diese Seite setzen:
 
 

 

 

 
 
<< vorheriger Begriff
 
nächster Begriff >>
Abflussmodell
 
Abflussregime
 
     

Weitere Begriffe : Ordnung einer Gruppe Deutsches Haupthöhennetz Platingruppenelemente

 

 
Startseite GeoDZ
Copyright © 2010 GeoDZ.com. All rights reserved.  Nutzungsbedingungen  |  Datenschutzbestimmungen  |  Impressum