Landscape discretization – delineation of hydrotopes |
Process-based
ways to delineate areas with similar hydrological processes
in the landscape are
very important to regionalize process understanding and
to apply distributed hydrological models.
In addition, it is required for an integrated risk assessment.
Therefore, GIS-based procedures were
developed that allow mapping areas with the same dominating
runoff generation processes for
mountainous catchments. As interflow components are very
important for the investigated mountainous
catchments, the delineation of areas with the same soils
and drift cover materials is crucial. The led
to an approach that focus on the regionalization of glacial
and peri-glacial drift cover properties.
Key publications:
- Tilch N., Uhlenbrook S., Leibundgut Ch., 2002:
Regionalisierungsverfahren zur Ausweisung von
Hydrotopen in von periglazialem Hangschutt geprägten
Gebieten (Regionalisation procedure for
delineating hydrotops in a catchment with peri-glacial
drift cover; in German). Zeitschrift Grundwasser,
Heft 4, 206-216.
- Uhlenbrook S., 2003: An empirical approach for
delineating spatial units with the same dominating
runoff generation processes. Physics and Chemistry of
the Earth, 28 (6-7): 297-303. |
Regionalization
approach for the delineation of hydrological response
units in an area with periglacial drift covers |
Nils
Tilch, Stefan Uhlenbrook
Hydrologically homogenous regions were determined within
a GIS environment using generally
available data sets. In particular, a regionalization
approach was developed that delineates
spatially the structure and the lithology of periglacial
drift covers. This approach is based
on the genesis of the hill slope and its covering material.
It is of great importance, as the
source area of hill slopes is very important for lateral
runoff components. The results show a
plausible spatial delineation for the Brugga basin,
40 km², Black Forest Mountains. The
suitability of the approach was shown for the surrounding
Dreisam basin (258 km²) using a
soil map (BÜK 200). The results are the basis for
an improved process-oriented rainfall/runoff
modelling, and for a holistic environment and landscape
management. |
Untersuchungen
zur Ausweisung von hydrogeologischen Homogenbereichen |
Tracerhydrologische
Untersuchungen haben schon früher gezeigt, dass
während der
Hochwasserbildung 50 - 80 % des Gesamtabflusses durch
Abflusskomponenten generiert
werden, die bereits vor dem Ereignis im Einzugsgebiet
gespeichert waren und erst durch
das Niederschlagsereignis mobilisiert wurden (u.a. HERRMANN
& STICHLER 1980, BUTTLE 1994).
Diese gehen auf komplexe Abflussbildungsprozesse zurück,
die erst durch das Wirkungsgeflecht
verschiedener Abflussbildungsprozesse und deren räumliche
und zeitliche Vernetzung
hervorgerufen werden (u.a. MCDONNELL 1990,UHLENBROOK
& LEIBUNDGUT 1997).
Deshalb wurde ein Regionalisierungsverfahren
zur Ausweisung von dreidiemsionalen hydrogeologischen
Homogenbereichen entwickelt, welches im Folgenden am
Beispiel des Brugga- und des
Dreisameinzugsgebietes vorgestellt wird.
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1.) Raumgliederung
in dreidimensionale hydrogeologische Homogenbereiche |
Das
kristalline Grundgebirge kann vereinfacht als undurchlässige
Basiseinheit angesehen werden
(STOBER 1995, BIEHLER 1995). Die Wässer oberflächennaher
aufgelockerter Felspartien haben zwar
einen bedeutsamen Anteil am Grundwasserumsatz, jedoch
werden keine hochwasserrelevanten
Abflusskomponenten generiert (LINDENLAUB et al. 1997).
Für den unterirdischen Wasserumsatz
im Bruggagebiet sind vor allem die dem Grundgebirge auflagernden
quartären Lockergesteine
(Moränen, Talfüllungen und periglaziale Hangschutt-massen)
von Bedeutung
(PRIER 1985; LINDENLAUB et al. 1997, UHLENBROOK et al.
2002): |
- Moränen:
Ausgedehnte Moränengebiete befinden sich im Bereich
der Kare und der Hochflächen (Abb. 1).
Deren hydraulische Durchlässigkeit ist im allgemeinen
gering. Schnelle Abflusskomponenten
werden insbesondere von auflagernden Feuchtflächen
generiert (LINDENLAUB et al. 1997).
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- Talsedimente:
Die Talfüllungen der größeren Täler
und des Zartener Beckens bestehen aus würmeiszeitlichen
Schotterablagerungen, die vielerorts von bis zu 1
m mächtigem Auenlehm überlagert werden
(SCHREINER 1999). Deren vertikale hydraulische Durchlässigkeit
ist jedoch zumeist wegen
schluffreicher Zwischenlagen nur mäßig.
Im Zartener Becken findet dennoch überwiegend
Tiefenperkolation in den Porengrundwasserspeicher
statt. In den kleineren, steilen Talabschnitten
können jedoch zur Zeit ergiebiger Niederschläge
im Zuge der lateralen Grundwasserakkumulation
gespannte Grundwasserverhältnisse resultieren,
und somit Piston Flow-Effekte dominieren.
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- Periglaziale Hangschuttmassen:
Der periglaziale Hangschutt stellt einen wichtigen
Umsatzraum hochwasserrelevanter Abfluss-
komponenten dar. Deshalb sind detaillierte Informationen
zu dessen lateralen und vertikalen
Litho- und Strukturvarianz notwendig. Breitenverfügbare
Kartenwerke liefern diesbezüglich
allerdings unzureichende Informationen.
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Einen
Überblick zur Prozessforschung in Periglazialgebieten
gibt TILCH et al. 2002. |
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Abb.
1: Geologische Karte des Brugga-gebietes |
Basierend
auf der Geologische Karte des Bruggagebietes und der
hangneigungs-abhängigen
Dominanz verschiedener periglazialer Hangentwicklungsprozesse
wurde die generelle mittlere
Varianz der Mächtigkeiten (Gesamtmächtigkeit,
Mächtigkeit einzelner Lagen) sowie der
Lithofazies und -stratigraphie im Sinne einer Hangcatena
abgeleitet. Diese beschreibt sowohl
die generelle laterale Lithovarianz und die graduell
variierenden Mächtigkeiten im Hangprofil,
als auch die mittleren hangneigungsspezifischen Bodenprofile.
Auf Basis der entwickelten Hangcatena und unter Berücksichtigung
der abgeleiteten geologischen
Einheiten, lassen sich hydrogeologische Homogenbereiche
(Abb. 2) ausweisen, und darauf
aufbauend Hydrotope (HRU) ableiten (Abb. 3). |
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Abb.
2: Raumgliederungskarte hydrogeologischer Homogenbereiche
des Dreisamgebietes auf Basis der
entwickelten Regionalisierungsverfahren (links) und Ausstrichbereiche
äquivalenter lithofazieller
Einheiten auf Basis der Bodenübersichtskarte (rechts). |
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Abb.
3: Raumgliederung des Bruggaeinzugsgebiet aufgrund der
dominanten Abflussbildungsprozesse
in Hydrotope (HRU). |
Zusammen
mit bereichsspezifischen Bodenkennwerten, die auf der
Basis von Literaturangaben
abgeleitet wurden, gingen diese flächendetaillierten
Informationen in das Wenn-Dann-Regelwerk
und in den Faktenteil des Wissensbasierten Systems FLAB
(Flächen gleicher Abflussbildung) der
AG Zittau zur Ausweisung von Bereichen hydrologischer
Ähnlichkeit (Hydrotope) bei variablen
Gebietszuständen und Ereigniseigenschaften ein. |
2.)
Plausibilität der Raumgliederung |
Die
Plausibilität der Raumgliederungskarte hydrogeologischer
Homogenbereiche kann geprüft
werden, in dem die sich aus der entwickelten mittleren
Hangcatena ergebenen Ausstrichbereiche
einzelner Deckschichtenlagen, sowie die ausgewiesenen
Bereiche der Moränen und Talsedimente
mit jenen der Bodenübersichtskarte für Baden-Württemberg
verglichen werden. Wenn auch
die Flächenanteile im einzelnen geringfügig
voneinander abweichen, so sind die
Verteilungsmuster beider Karten sehr ähnlich. Für
das Einzugsgebiet der Brugga besteht die
Möglichkeit, die Ergebnisse der hydrogeologischen
Raumgliederung mit der empirischen
forstlichen Standortskarte zu vergleichen. Sowohl die
Verbreitung einzelner Deckschichtenareale,
als auch deren Flächenanteile zeigen eine relativ
gute Übereinstimmung. Die Forstliche
Standortskarte stellte für das Bruggagebiet die bisher
einzige, wenn auch nicht flächendeckende
Grundlage zur Ausweisung von Feuchtflächen dar. Ergänzende
Feuchtflächen-kartierungen
wurden im Bruggagebiet durchgeführt. Im weiteren
ist die Ausweisung der Feuchtflächen des
gesamten Dreisamgebiets auf der Basis von Landsat 7 TM-Aufnahmen
(vgl. VOGT & LENCO 1995) geplant. |