Schritte zur Verbesserung der Hochwasserfrühwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen

Karlsruhe

2006

III, 186 S.

Ill., graph. Darst, Kt.

Bandaufführung

177093

Die Qualität der Hochwasserfrühwarnung in kleinen und mittelgroßen Einzugsgebieten ist entscheidend von der Erfassung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses beeinflusst. Abflussspitzen in diesen Gebieten setzten sich vornehmlich aus den Komponenten schneller Abflussbildungsprozesse zusammen. Diese räumlich begrenzten, hochdynamischen Prozesse finden hauptsächlich in den oberen Bodenhorizonten statt, deren Zustand durch die Bodenfeuchte geprägt ist. Die vorliegende Dissertation verdeutlicht die Relevanz der Bodenfeuchte als Indikator der Abflussbereitschaft und leitet grundlegende Schritte zur Erfassung repräsentativer Messungen der Bodenfeuchte in einem Einzugsgebiet ab. Die Integration des Parameters Bodenfeuchte verbesserte die Schätzung des Abflussbeiwerts in einem kleinen, vom Abflussbildungsprozess Sättigungsflächenabfluss dominierten Einzugsgebiet um 25 % auf ein Bestimmtheitsmaß von 0.80. An einem synthetisch generierten Modellhang wurde der Einfluss der Parameter Bodenart, Hangneigung, Niederschlagsintensität und Bodenvorfeuchteverteilung auf den Abflussbeiwert aufgezeigt. Die Variabilität des Abflussbeiwerts aufgrund der Bodenvorfeuchteverteilung verdeutlicht die Notwendigkeit vertikal aufgelöster Bodenfeuchtemessungen für repräsentative Aussagen zum Abflussverhalten. Spatial-TDR, ein Verfahren, das komplette Bodenfeuchteprofile entlang einzelner Sonden in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bestimmt, wurde, durch die Weiterentwicklung beschichteter Dreistabsonden und deren Einbindung in ein erweitertes operationelles Messsystem, an die Fragestellung der Hochwasserfrühwarnung angepasst. Der Test der Dreistabsonden zur Bestimmung von Bodenfeuchteprofilen erfolgte durch den Vergleich mit kommerziellen, punktuell messenden Sonden bei einem Beregnungsversuch. Dazu wurden vier Dreistabsonden in vertikaler Ausrichtung in einem, mit schwach schluffigem Sand befüllten, Lysimeter installiert. In horizontaler Richtung fand der Einbau kommerzieller Sonden in unterschiedlichen Tiefen statt. Qualitativ zeigen die Ergebnisse ein vergleichbares Verhalten der Sonden, aus dem mit Hilfe der Messungen der Dreistabsonden eine fortschreitende Infiltrationsfront identifiziert werden konnte. Parallel dazu erfolgte die Weiterentwicklung des operationellen Messsystems bei einem Feldexperiment. Um einen Bachlauf wurde ein Messcluster, bestehend aus 46 Bodenfeuchtesonden, als autarkes System mit Solarstromversorgung und Funkmodemanbindung installiert und über vier Monate betrieben. Die Interpolation der an den 46 Punkten vorgenommenen Spatial-TDR-Messungen schaffte einen quasi-dreidimensionalen Bodenfeuchteraum, der die Ausdehnung eines gesättigten Bereichs, ausgehend vom Bachlauf, darstellt. Als Zone verstärkter Feuchteänderung zeichnen sich dabei die obersten 30 cm des Bodenhorizonts aus. Ein Einzelereignis zeigt die Kopplung des Abflussverhaltens an die Bodenfeuchte. Das geostatistische Verfahren des External Drift Krigings, angewandt auf den Bereich des Messclusters, führt mit 4 m zu einem Anhaltswert für die räumliche Auflösung, ohne dabei die kleinskalige Feuchtevariabilität zu vernachlässigen. Mit weiteren Messungen der Bodenfeuchte an anderen Standorten gelang eine Aussage über die zeitliche Variabilität, die durch den vorherrschenden Boden und durch die Niederschlagsintensität bestimmt wird. Die hochwasserrelevanten Abflussbildungsprozesse treten räumlich verteilt in einem Einzugsgebiet auf und verändern sich in Abhängigkeit des Gebietszustands. Um den Messaufwand möglichst gering zu halten, wurde ein viergeteiltes Verfahren entwickelt, das repräsentative Messstandorte identifiziert. An diesen Standorten treten mehrere hochwasserrelevante Abflussbildungsprozesse räumlich gebündelt auf, ausserdem weisen sie eine ausreichende Bodenfeuchtedynamik für differenzierende Messungen auf. Das Verfahren teilt sich auf in die Komponenten Bodenfeuchtedynamik, Abflussbildungsklassifikation und die beiden Geocharakteristika Hangkrümmung und Landnutzung. Die Bodenfeuchtedynamik wurde als Index aus einer Serie von Landsat-TM Satellitenbildern gewonnen. Mit Hilfe der Tasseled Cap Transformation ließ sich zu jedem Einzelbild eine Feuchteverteilung generieren, wobei die rasterbasierte Standardabweichung der Serie von Feuchteverteilungen die Erstellung eines Bodenfeuchtedynamikindex ermöglichte. Dieser wurde im Zuge des viergeteilten Verfahrens mit dem Verfahren zur Identifikation von Flächen gleicher Abflussbildung (FLAB) und den Geocharakteristika Hangkrümmung und Landnutzung verschnitten. Der Aufbau von zwei Messclustern mit je 12 Messsonden führt die Entwicklungen der Messtechnik und die Ausweisung repräsentativer Messstandorte zusammen. Erste Messungen zeigen unterschiedliche Bodenfeuchtecharakteristika, die durch das verbesserte Messverfahren verschiedenen Abflussbildungsprozessen zugewiesen werden können. Damit ist der Nachweis erbracht, dass sich verschiedene Abflussbildungsprozesse eines Einzugsgebiets an identifizierten Flächen konzentrieren.
In those catchments, the features of fast runoff formations determine runoff peaks. These highly dynamic, but spatial limited formations take place mainly in upper soil horizons, in which soil moisture affects significantly the runoff characteristics. The following dissertation points up the relevance of soil moisture as indicator of runoff disposition and presents basic steps in the compilation of representative soil moisture measurements in a catchment. By using soil moisture as parameter the estimation of the runoff coefficient in a small catchment, regulated by a process called saturated surface runoff , increases up to 25% to a coefficient of determination of 0.80. With the help of a synthetically generated slope model was demonstrated that the parameters soil composition, slope angle, runoff intensity and soil moisture distribution have a relevant influence on the runoff coefficient. Because of the variability of the runoff coefficient due to the parameter of soil moisture distribution, vertical measurements were required in order to draw representative conclusions on runoff performances. The Spatial-TDR, a technology that allows to measure soil moisture profiles along single sensors with high spatial and temporal resolution, was readapted to suit the problem of flood warning by adding enhanced coated three-rod-probes and integrating them in an advanced operating measurement system. The test on the three-rod-probes for the determination of soil moisture profiles was carried on by comparing those probes to commercial, selective sensors within a irrigation experiment. For that purpose four three-rod-probes were installed in vertical alignment in a lysimeter filled with loamy sand, while commercial sensors were assembled in horizontal alignment at different deepness. From a qualitative point of view, the results show a comparable sensors performance, while the three-rod-probes provide the identification of a progressive infiltration front . At the same time, during an experiment at field, the operating measurement system was bettered. Along a brook a measuring-cluster, made of 46 sensors for soil moisture, functioning as a self-sustaining system with solar power supply and radio modem connection, was installed and let operate over a period of four months. The interpolation at the 46 points, made through Spatial-TDR, permitted a quasi-three-dimensional soil moisture area that represents the extension of a saturated zone starting from the brook site. The topmost 30 cm of the soil horizon marked the zone of high moisture variation. A single event demonstrated the interconnection of runoff performances to soil moisture. The geostatistical method of External Drift Kriging, applied to the measuring-cluster, drove with 4 m to a reference value for spatial resolution, without losing sight of the small-scale moisture variability. Further soil moisture measurements at other sites allowed statements about the temporal variability, determined by the prevailing soil composition and by the precipitation intensity. The flood relevant processes of runoff formation are spread over a catchment and changes according to the basin s condition. To minder the measuring efforts, a four steps procedure, that identifies representative measurement sites, was developed. At these sites different processes of runoff formation occur bunched in space, with a sufficient soil moisture dynamic for differentiating measurements. The procedure takes account of following aspects: soil moisture dynamic, runoff formation classification, and the geological features slope curvature and land use. Soil moisture dynamic was gained as index from a series of Landsat-TM satellite images. With the support of Tasseled Cap Transformation it was possible to draw a moisture distribution image for each detail screen. Applied to the whole series a grid patterned standard deviation of soil moisture distribution enables the issuing of the soil moisture dynamic index. In course of the four steps procedure this method was applied together with the regionalization procedure for the registration of areas of equal runoff formation (FLAB) and with the geological features slope deflection and land use. The installation of two measuring clusters, with respectively 12 measuring sensors, combines the development of the specific measuring method with the identification of representative measurement sites. First measurements show different soil moisture characteristics. Due to the bettered measuring procedure those characteristics could be assigned to different runoff formations. Thus the evidence that different runoff formations of a drainage basin concentrate on previously spotted areas is provided.
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