Modellierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung in der Mesoskala

Seit 1990 waren mehrere der grosen Flussgebiete Mitteleuropas wiederholt von extremen Hochwassern betroffen. Da sowohl die Landoberflache als auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuropas in der Vergangenheit weitreichenden Eingriffen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suche nach den Ursachen fur diese Haufung von Extremereignissen auch die Frage nach der Verantwortung des Menschen hierfur diskutiert. Gewasserausbau, Flachenversiegelung, intensive landwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbereinigung und Waldschaden sind nur einige Beispiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe in die Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der beteiligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibt es allerdings bislang nur Schatzungen daruber, wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurch verandert hat. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines hydrologischen Modells systematisch darzustellen, in welcher Weise, in welcher Grosenordnung und unter welchen Umstanden die Art der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung Einfluss nimmt. Dies wird anhand exemplarischer Modellanwendungen in der hydrologischen Mesoskala untersucht. Zu diesem Zweck wurde das deterministische und flachendifferenzierte hydrologische Modell wasim-eth ausgewahlt, das sich durch eine ausgewogene Mischung aus physikalisch begrundeten und konzeptionellen Ansatzen auszeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die fur die Charakterisierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig sind: (1) Bevorzugtes Fliesen in Makroporen wird durch eine Zweiteilung des Bodens in Makroporen und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle Infiltration und Perkolation jenseits der hydraulischen Leitfahigkeit der Bodenmatrix ermoglicht. (2) Verschlammung ausert sich im Modell abhangig von Niederschlagsintensitat und Vegetationsbedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen an der Bodenoberflache. (3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauter Flachen mit einer Mischung aus versiegelten Bereichen und Freiflachen wird berucksichtigt, indem jede Teilflache je nach Versiegelungsgrad in einen unversiegelten Bereich und einen versiegelten Bereich mit Anschluss an die Kanalisation aufgeteilt wird. (4) Dezentraler Ruckhalt von Niederschlagswasser kann sowohl fur naturliche Mulden als auch fur gezielt angelegte Versickerungsmulden mit definierten Infiltrationsbedingungen simuliert werden. Das erweiterte Modell wird exemplarisch auf drei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheins angewandt. Diese drei Gebiete mit einer Flache von zwischen 100 und 500 km² wurden im Hinblick darauf ausgewahlt, dass jeweils eine der drei Hauptlandnutzungskategorien Bebauung, landwirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert. Fur die drei Untersuchungsgebiete sind raumlich explizite Landnutzungs- und Landbedeckungsszenarien entworfen worden, deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe des erweiterten hydrologischen Modells simuliert wird. Im Einzelnen werden die Auswirkungen von Verstadterung, Masnahmen zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stilllegung agrarisch genutzter Flachen, veranderter landwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Aufforstung sowie von Sturmschaden in Waldern untersucht. Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeption von Niederschlag, dessen Infiltration, die oberflachennahen unterirdischen Fliesprozesse sowie, zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch die Abflusskonzentration. Die hydrologischen Simulationen demonstrieren, dass die Versiegelung einer Flache den massivsten Eingriff in die naturlichen Verhaltnisse darstellt und deshalb die starksten (negativen) Veranderungen der Hochwassersituation hervorbringt. Auserdem wird deutlich, dass eine blose Anderung des Interzeptionsvermogens zu keinen wesentlichen Veranderungen fuhrt, da die Speicherkapazitat der Pflanzenoberflachen im Verhaltnis zum Volumen hochwasserauslosender Niederschlage eher klein ist. Starkere Veranderungen ergeben sich hingegen aus einer Anderung der Infiltrationsbedingungen. Die Grenzen der entwickelten Methodik zeigen sich am deutlichsten bei der Simulation veranderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden, deren mathematische Beschreibung und zahlenmasige Charakterisierung aufgrund der Komplexitat der beteiligten Prozesse mit grosen Unsicherheiten behaftet ist. Die Modellierungsergebnisse belegen daruber hinaus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung aufgrund der entscheidenden Bedeutung der klimatischen und physiographischen Randbedingungen unzulassig sind. Zu den klimatischen Randbedingungen zahlen sowohl Niederschlagsintensitat und -dauer als auch die Feuchtebedingungen vor einem hochwasserauslosenden Niederschlag. Die physiographischen Randbedingungen sind von der geomorphologischen und geologischen Ausstattung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss der raumliche und zeitliche Masstab, uber den Aussagen getroffen werden, klar definiert sein, da sich mit steigender Einzugsgebietsgrose die relative Bedeutung sowohl der verschiedenen Niederschlagstypen als auch der physiographischen Eigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderen Untersuchungen konsequent berucksichtigt. In Abhangigkeit von Randbedingungen und raumlichen Masstab sind aufgrund der gewonnen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Einfluss von Landnutzungsanderungen auf die Hochwasserentstehung moglich: (1) Fur intensive konvektive Niederschlagsereignisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist der Einfluss der Landnutzung groser als fur langanhaltende advektive Niederschlage geringer Intensitat, da im ersten Fall veranderte Infiltrationsbedingungen starker zum Tragen kommen als bei kleinen Niederschlagsintensitaten. (2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinraumige Konvektivzellen zu Hochwassern fuhren konnen, ist der Einfluss der Landnutzung dementsprechend groser als in grosen Flussgebieten wie dem Rheingebiet, wo vor allem langanhaltende advektive Ereignisse (unter Umstanden verbunden mit Schneeschmelze) relevant sind. (3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaften wie machtigen, gut durchlassigen Boden und gut durchlassigem Gesteinsuntergrund ist der Einfluss der Landnutzung groser als in Gebieten mit geringmachtigen Boden und geringdurchlassigem Festgestein. Dies ist darin begrundet, dass in Gebieten mit guten Speichereigenschaften bei einer Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen mehr Speicherraum fur Niederschlag verloren geht als in anderen Gebieten.