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Abflussbildung durch Niederschläge 1990

Methode

Verdunstung

Die Abflussbildung wird aus der Differenz der langjährigen Jahresmittelwerte des Niederschlags und der realen Verdunstung berechnet. Die reale Verdunstung, wie sie im Mittel tatsächlich an Standorten und in Gebieten auftritt, wird aus den wichtigsten Einflussgrößen Niederschlag und Wärmeangebot (Strahlungssaldo) sowie den mittleren Speichereigenschaften der verdunstenden Flächen berechnet. Das Wärmeangebot wird durch die der Wärmemenge entsprechende verdunstende Wassermenge — die sogenannte potentielle Verdunstung — ersetzt. Bei ausreichender Feuchtezufuhr zur verdunstenden Fläche nähert sich die reale Verdunstung der potentiellen. Die reale Verdunstung wird zusätzlich durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche modifiziert. Höhere Speicherwirkung (z. B. größere Bindigkeit des Bodens und größere Durchwurzelungstiefe) bewirkt eine höhere Verdunstung.

Dem aufgezeigten Zusammenhang zwischen realer Verdunstung einerseits sowie Niederschlag, potentieller Verdunstung und Verdunstungseffektivität des Standorts andererseits genügt die Beziehung nach Bagrov (vgl. Glugla et al. 1971, Glugla et al. 1976, Bamberg et al. 1981 und vgl. Abb. 1). Mit der Bagrov-Beziehung kann bei Kenntnis der Klimagrößen Niederschlag P und potentielle Verdunstung EP (Quotient P/EP) sowie des Effektivitätsparameters n der Quotient reale Verdunstung / potentielle Verdunstung (ER/EP) und somit die reale Verdunstung ER für Standorte und Gebiete ohne Grundwassereinfluss ermittelt werden. Zur Berechnung der grundwasserbeeinflussten Verdunstung wird ebenfalls das Bagrov-Verfahren in modifizierter Form genutzt, indem die mittlere Kapillarwasserzufuhr aus dem Grundwasser dem Niederschlag zugerechnet wird.

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Abb.1: Darstellung der Bagrov-Gleichung für ausgewählte Werte des Parameters n und Abhängigkeit dieses Parameters von Landnutzung und Bodenart
Bild: nach Glugla 1994

Mit wachsendem Niederschlag P nähert sich die reale Verdunstung ER der potentiellen Verdunstung EP, d. h. der Quotient ER/EP nähert sich dem Wert 1. Bei abnehmendem Niederschlag P (P/EP geht gegen den Wert 0) nähert sich die reale Verdunstung ER dem Niederschlag P. Die Intensität, mit der diese Randbedingungen erreicht werden, wird durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche (Effektivitätsparameter n) verändert.

Nutzbare Feldkapazität

Die Speichereigenschaften des Standorts werden insbesondere durch die Nutzungsform (zunehmende Speicherwirksamkeit in der Reihenfolge versiegelte Fläche, vegetationsloser Boden, landwirtschaftliche, gärtnerische bzw. forstliche Nutzung) sowie die Bodenart (zunehmende Speicherwirksamkeit mit höherer Bindigkeit des Bodens) bestimmt.

Maß für die Speicherwirksamkeit des unversiegelten Bodens ist die nutzbare Feldkapazität als Differenz der Feuchtewerte des Bodens für Feldkapazität (Beginn der Wasserversickerung im Boden) und für den permanenten Welkepunkt (bleibende Trockenschäden an den Pflanzen). Weitere Landnutzungsfaktoren, wie Hektarertrag, Baumart und -alter, modifizieren den Parameterwert n. Der Parameter n wurde in Auswertung von Beobachtungsergebnissen zahlreicher in- und ausländischer Lysimeterstationen und von Wasserhaushaltsuntersuchungen in Flusseinzugsgebieten quantifiziert.

Für Standorte und Gebiete mit flurnahem Grundwasser tritt infolge Kapillaraufstiegs von Grundwasser in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone je nach Grundwasser-Flurabstand und Bodeneigenschaften eine gegenüber grundwasserunbeeinflussten Bedingungen erhöhte Verdunstung auf. Die Abflussbildung vermindert sich. Übersteigt die reale Verdunstung den Niederschlag, tritt Wasserzehrung auf, und die Werte für die Abflussbildung werden negativ (z. B. Fluss- und Seeniederungen).

Bei Gewässerflächen tritt infolge höheren Wärmeangebots (geringeres Reflexionsvermögen der Einstrahlung) eine gegenüber Landflächen erhöhte potentielle Verdunstung auf. Die tatsächliche Gewässerverdunstung wird näherungsweise dieser erhöhten potentiellen Verdunstung gleichgesetzt.

Einschätzung der Berechnungsverfahrens

Die Aussagekraft und Genauigkeit des Berechnungsverfahrens wurde durch Vergleich des aus der Abflussbildung berechneten Gesamtabflusses mit beobachteten Abflusswerten geschlossener Flusseinzugsgebiete geprüft. Danach liegt die mittlere Abweichung des berechneten Abflusses vom Beobachtungswert für Gebietsgrößen zwischen 25 und 50 km2 bei ca. ± 15 bis ± 10 %, für Gebiete zwischen 50 und 1.000 km2 bei ca. ± 10 bis ± 5 % und für die Gebiete über 1.000 km2 unter ± 5 %. Für die hier dargestellten einzelnen Rasterflächen (1 km2) wird die mittlere Abweichung mit etwa ± 25 % eingeschätzt. Die Berechnungswerte der Abflussbildung wurden auf volle 5 mm/a auf- bzw. abgerundet. Die Abflussberechnung erfolgte mit dem Rechenprogramm RASTER (vgl. Glugla et al. 1989).

Punktuelle Versickerung, z. B. durch Grundwasseranreicherung für Wasserwerke wurde nicht berücksichtigt. Bei gärtnerischer Nutzung wurde zusätzlich zum Niederschlag für die Beregnung ein einheitlicher Näherungswert in Ansatz gebracht.