Retentionsboden – Variantenrechnung Hangwasserabflüsse

Bei Starkregenereignissen kommt es zu erheblichen Hangwasserabflüssen auch von landwirtschaftlichen Flächen. Dadurch entstehen nicht nur Probleme durch die abfließenden Wässer, es erfolgt auch eine deutliche Bodenerosion. In einem Forschungsprojekt wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Bodennutzungen in der Landwirtschaft mittels 2d-hydraulischer Abflussberechnungen unter Berücksichtigung der Infiltration untersucht. Ziel ist es, durch eine entsprechende Bewirtschaftung der Böden einen möglichst großen Wasserrückhalt bereits auf den Flächen zu schaffen, auf denen der Regen auf den Boden auftrifft. Dadurch sollen Hangwasserabflüsse reduziert werden.


 

F&E Projekt „Retentionsboden – Variantenrechnung Hangwasserabflüsse“

In der Gemeinde Fernitz-Mellach kam es bei vergangen Starkregenereignissen zu einer Gefährdung von Wohn- und Infrastrukturobjekten durch den Abfluss des Niederschlagswassers auf der Geländeoberfläche. Das Ausmaß der Überflutungen, die durch Starkregenereignisse verursacht werden, wurde im Jahr 2020 durch das Ingenieurbüro Hydroconsult GmbH mittels eines hydrodynamischen Modelles mit vorgeschaltetem Niederschlag-Abfluss-Modell berechnet und Hangwasserkarten für das Gemeindegebiet erstellt. Für die Abflussbildung auf den Flächen mit unterschiedlichen Nutzungen wurde bei der Erstellung der Hangwasserkarten ein Ansatz über empirische Werte gewählt.

In einem Forschungsprojekt wurde nun von der Hydroconsult in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Graz, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (mit unserer ehemaligen Mitarbeiterin DDI Miriam Monschein) die Auswirkung der Bodenbewirtschaftung auf den Oberflächenabfluss untersucht. Das Projekt wurde im Auftrag der Gemeinde Fernitz und Förderung durch die EU, das Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus und das Land Steiermark bearbeitet.

Im Zuge des gegenständlichen Projekts wurden in der Gemeinde Fernitz-Mellach für ein definiertes, kleines Untersuchungsgebiet im Ortsbereich von Enzelsdorf ergänzende Berechnungen der Hangwasserabflüsse durchgeführt, die auf physikalischen Bodenparametern basieren. Die Bodenparameter wurden mittels Feld- und Laboruntersuchungen des Bodens im Untersuchungsgebiet ermittelt.

Die Beitragsflächen im Untersuchungsgebiet sind landwirtschaftliche Nutzflächen. Die Art der landwirtschaftlichen Nutzung dieser Flächen unterscheidet sich in dauerhaft begrünte Flächen und Ackerflächen, die für den Anbau von Hackfrüchten (z.B. Mais) genützt werden. Durch die ergänzenden Hangwasserabflussberechnungen wurde im Zuge dieses Projekts der Einfluss der Art der landwirtschaftlichen Nutzung auf das Abflussvolumen und die Spitzenabflüsse mittels physikalisch basierter Infiltrationsmodelle bei unterschiedlichen Jährlichkeiten quantifiziert.

Untersuchungsgebiet in der Gemeinde Fernitz-Mellach, Aufteilung der Parametersätze (Grundkarte: basemap.at)

Zur Bestimmung der Bodeneigenschaften und der daraus abgeleiteten Modellparameter wurden vom Bundesamt für Wasserwirtschaft im Untersuchungsgebiet im Juli 2021 an sechs Standorten Felduntersuchungen durchgeführt und Bodenproben für Laboruntersuchungen entnommen. Drei der Standorte wiesen zum Beprobungszeitpunkt einen gemäß der Jahreszeit entwickelten Maisbestand auf (Standortbezeichnung Acker 1, Acker 2, Acker 3), die übrigen drei Standorte befanden sich auf einem gemähten Grünlandbestand (Standortbezeichnung Grünland 1, Grünland 2, Grünland 3).

Die Berechnung der Abflussbildung erfolgte mittels zweier unterschiedlicher Modellansätze für die Infiltration (nach Green&Ampt bzw. Horton) über von der Hydroconsult GmbH eigens entwickelte Skripts in der Skriptsprache „Lua“, wodurch während der Berechnung im hydraulischen Modell (Software Hydro_As‑2d 5.2.0) die Modelldaten und Zustandsvariablen verändert werden können. Die aktuelle Infiltrationsrate wird dabei aus den Inflitrationsmodellen in jedem Zeitschritt berechnet und als Senkterm in jedem einzelnen Modellknoten definiert, wobei die Parametrierung der Infiltrationsmodelle in jedem Modellknoten individuell erfolgen kann. Damit können im Modell potenziell alle Zuflüsse zum Knoten bzw. Kontrollvolumen (Zulauf aus Niederschlag und Zulauf aus Nachbarknoten) bis zur maximalen Infiltrationsrate versickert werden.

Die Simulationen erfolgten für das 100- jährliche und 1-jährliche Niederschlagsereignis mit einer Dauerstufe von 30 Minuten und einer mittenbetonten Niederschlagsverteilung. Das Geländemodell wurde dabei jeweils vollflächig mit den Parametern der Landnutzungsart Grünland oder Ackerland belegt. Die Verteilung der je Landnutzungsart im Zuge der Bodenuntersuchungen des Bundesamts für Wasserwirtschaft ermittelten 24 verschiedenen Parametersätze erfolgte über die gesamte Fläche zufällig über einen 5×5 m Raster, um die Streuung der unterschiedlichen Infiltrationsraten abzubilden. Zusätzlich wurden im Modell wasserstandsabhängige Rauheiten angesetzt. Ausgewertet wurden der Einfluss auf die Wassertiefen und Schleppspannungen (flächige Darstellung) sowie auf die Abflussganglinie (Abflussspitze und Abflussvolumen).

Laut den vorliegenden Berechnungsergebnissen, die auf den im Zuge der durchgeführten Bodenuntersuchungen ermittelten physikalischen Bodenparameter basieren, führt die dauerhafte Begrünung von Flächen im Vergleich zur Nutzung als Ackerfläche, zu einer Reduktion des Abflussvolumens, der Abflussspitze und der maximal auftretenden Wassertiefen. Diese Reduktion wirkt sich besonders stark bei häufig wiederkehrenden Niederschlagsereignissen mit einer geringen Jährlichkeit aus.

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