5. Abflusskonzentration – wie Abfluss in der Fläche gebündelt und beschleunigt wird

Abfließender Regen wird entlang seiner Fließstrecke an der Wasserscheide beginnend und bis in die Gewässer zunehmend gebündelt. Die Länge und Dichte der Fließpfade sowie deren hydraulische Eigenschaften bestimmen die Geschwindigkeit, mit der Wasser aus der Fläche abgeleitet wird, und damit die Fließ- bzw. Konzentrationszeit und das Niveau des Scheitels einer Abfluss- oder Hochwasserwelle.

Die Fließpfade und ihre hydraulischen Eigenschaften sind vielfältig. Einflussgrößen von übergeordneter Bedeutung sind das Gefälle, die Rauheit des Untergrunds und die Querschnittsgeometrie des Fließpfades, die den hydraulischen Radius bestimmt. Das Gefälle ergibt sich primär aus der Topographie der Oberfläche. Die Rauheit hängt stark von der Landnutzung ab, wobei versiegelte Flächen besonders glatt und dicht bewachsende Flächen mit unregelmäßigem Untergrund (z. B. Auwälder) hydraulisch sehr rau sind. Glatte Flächen beschleunigen, raue bremsen den Abfluss. Für den Einfluss der Querschnittsgeometrie gilt, dass die Reibung hoch und damit der Abfluss langsam ist, wenn die Fließtiefe im Vergleich zur Fließbreite sehr gering ist. Durch die zunehmende Bündelung des Abflusses von der Wasserscheide bis in die Gewässer nehmen die Fließtiefe und damit die Fließgeschwindigkeit daher im Allgemeinen zu, obwohl das Gefälle geringer wird. Weitere Einflüsse auf die Abflusskonzentration in der Fläche ergeben sich aus Strukturen, die Wasserflüsse lenken oder eigene Fließwege erzeugen. Dazu können beispielsweise Gräben, Feldraine und Schlaggrenzen, Wege, Verrohrungen oder Drainagen, aber auch Hecken und Mulden gehören [1]. Steht die Abflusskonzentration auf einzelnen, landwirtschaftlichen Schlägen im Fokus, sind Richtung und Art der Bewirtschaftung wichtig für die Fließrichtung.

Entsprechend vielseitig sind auch die Ansatzpunkte zum Bremsen des Abflusses: Sie erstrecken sich über den kompletten Fließpfad von der Wasserscheide bis in die Gewässer, und sie umfassen ein breites Repertoire an Maßnahmen, wie Saat- und Bodenbearbeitungstechniken, die Erschließung und Gliederung der Flur, den Wegebau, die Gestaltung von Gräben zur Wasserführung oder den Einsatz von Rohren und Drainagen. Dadurch wirken auch zahlreiche Akteure mit.

Übersteigt die Niederschlagsintensität die Infiltrationsrate (s. Kap. 4), entsteht in der Fläche Schichtabfluss. Dies ist ein meist wenige Millimeter starker, flächenhaft auftretender und nicht zusammenfließender Abfluss auf der Bodenoberfläche. Er ist insbesondere auf landwirtschaftlichen Flächen auch für Erosion und Stofftransport bedeutsam. Der Schichtabfluss dominiert an der Wasserscheide oder unterhalb einer wasserableitenden Struktur, bündelt sich dann aber üblicherweise rasch, d. h. häufig nach 50 m spätestens meist nach 100 m, in fein-verästelten Rillen und Rinnen. Die Fließstrecke, nach der dies erfolgt, hängt stark von der Stabilität und Beschaffenheit der Oberflächenstruktur ab. Durch die Art der angebauten Früchte und die Bewirtschaftungsweise variiert dies jahreszeitlich. Dennoch bilden sich auf Ackerschlägen oft typische Abflussmuster aus. Diese Rillen und Rinnen entwässern dann über geomorphologisch bedingte Hangmulden weiter. In Hangmulden können an Schlaggrenzen und Hangfüßen bei Starkregen bereits Abflussraten von mehreren hundert Litern pro Sekunde auftreten. Die Fließpfade in der Fläche lassen sich daher in drei Abschnitte untergliedern (Abb. 5.1):

Grundsätzlich gilt: Je rauer die Oberfläche, desto langsamer die Fließgeschwindigkeit und desto schwächer auch die Abflusskonzentration, weil das Einschneiden der Rillen und Rinnen später erfolgt. In Wäldern und auf Grünland ist die Bedeckung durch Streu und auf dem Boden aufliegende Pflanzenteile meist hoch und ändert sich im Jahresverlauf kaum. Dadurch ist die mittlere Abflussgeschwindigkeit des Oberflächenabflusses gering und die Strecke ist lang, die Oberflächenabfluss als flacher (und langsamer) Schichtabfluss zurücklegt. Da der Abfluss sich nicht einschneiden kann, entfällt das Fließen in Rinnen und Rillen bei Wald und Grünland oft ganz. Dadurch wird die Strecke des Schichtabflusses besonders bei Grünland viel länger als auf Ackerflächen, da der Schichtabfluss hier direkt in den Hangmuldenabfluss übergeht. Entsprechend vermindern Wald und Grünland Abflussbildung, Abflussgeschwindigkeit und Abflusskonzentration.

Besonders problematisch für die Entstehung von Oberflächenabfluss und Erosion sind dagegen einheitlich mit Reihenkulturen (z. B. Kartoffel, Soja, Mais, Zuckerrübe oder Sonnenblumen) bestellte, langgezogene Hänge. Bei Starkregenereignissen, vor allem im Mai und Juni, verschlämmen diese durch den späten Reihenschluss oft rasch und bieten dadurch keinen wirksamen Schutz vor einer effektiven Abflusskonzentration. Es bilden sich deutliche Fließmuster, wie sie Luftbildaufnahmen von Maisfeldern (Abb. 5.2), die etwa 10-jährlichen Starkregenereignissen ausgesetzt waren, anschaulich zeigen [2].

Sind lineare Landschaftselemente vorhanden, die den Abfluss ableiten, bevor er sich in Hangmulden sammelt, können die Fließwege zwischen einzelnen Feldern und dem Gewässernetz vielfältig sein. Üblicherweise erfolgt der Abfluss entweder über Schlaggrenzen hinweg der Topographie folgend in Hangmulden durch angrenzende Felder oder er wird durch Ranken, Hecken und Wege oder in Wegseitengräben und Verrohrungen umgeleitet und auf konstruierten Entwässerungspfaden zum nächsten Vorfluter geleitet (Abb. 5.3). Die Bedeutung dieser linearen, den Oberflächenabfluss leitenden Strukturen ist den handelnden Akteuren oft nicht bekannt und ihre Effekte werden in den meisten Studien nicht berücksichtigt [1]. Detaillierte Analysen kleiner Einzugsgebiete, z. B. aus dem Schwimmbachgebiet [4] oder aus Österreich [5], belegen jedoch, dass oft 40 % der Fläche kleiner Einzugsgebiete nicht über topographisch bedingte Fließpfade entwässern, sondern über konstruierte Fließwege. Diese bestätigen auch eigene Erhebungen im Tertiärhügelland, wo fast 60 % der Entwässerungswege in künstlichen Gräben und Rohren verlaufen. Solche Strukturen könnten prinzipiell, verglichen mit natürlichen Fließpfaden, den Abflussweg verlängern. Heute sind künstlich angelegte Strukturen allerdings meist kürzer und auch glatter, wodurch konstruierte Fließpfade in der Regel den Abfluss beschleunigen [6]. Ein weiterer negativer Effekt der beschleunigten Ableitung von Oberflächenwasser besteht darin, dass das Puffer- und Retentionspotenzial in der Fläche und im Boden nicht oder nur in reduzierter Form genutzt wird, wodurch lineare Entwässerungsstrukturen auch erheblich zur stofflichen Gewässerbelastung beitragen [5].

Das Netz von Fließpfaden und Entwässerungswegen in kleinen Einzugsgebieten wird also nicht nur von der Topographie, sondern auch stark von der Gliederung der Flur und ihrer Erschließung durch Wegenetz und Gräben, aber auch von Drainagen und Verrohrungen geprägt. Lineare Strukturen lenken die auftretenden Wasserflüsse erheblich und beeinflussen damit, wie viel Oberflächenabfluss infiltrieren und zurückgehalten werden kann und wie schnell der Abfluss in die Gewässer gelangt. Dadurch können lineare Strukturelemente einen wichtigen Beitrag zum Erosionsschutz und zur Sicherung der stofflichen Wasserqualität leisten oder das Gegenteil bewirken. Die Förderung des Wasserrückhalts in der Fläche und die Minimierung der stofflichen Gewässerbelastung setzen daher neben einem Verständnis für die Prozesse der Abflussbildung auch Kenntnisse über die Fließwege zwischen Wasserscheide und Gewässer voraus. Da viele Strukturen, insbesondere die Verläufe von Gräben, kleinen Wällen oder Verrohrungen selbst aus hochauflösenden Geländemodellen kaum zuverlässig extrahiert werden können, sind Gebietsbegehungen häufig unerlässlich, um den Verlauf der Fließwege zu erfassen.

Unter den linearen Strukturen sind Wege und Wegseitengräben von besonderer Bedeutung. Sie beeinflussen die Abflusskonzentration kleiner Einzugsgebiete stark und nachhaltig, indem sie den Anteil der versiegelten Fläche erhöhen, die Landschaft zerschneiden und dadurch natürliche Entwässerungswege und Einzugsgebietsgrenzen verändern sowie zusätzliche Fließpfade schaffen [7]. Aus der amtlichen Statistik ist bekannt, dass beispielsweise in Bayern rund 210.000 km Feld- und rund 100.000 km Waldwege vorhanden sind, wovon rund 60 % erst seit den 1960er-Jahren gebaut wurden [8]. Dies entspricht etwa der dreifachen Länge des in Bayern vorhandenen Fließgewässernetzes. Damit wird schon allein aufgrund der Länge des Wegenetzes und der dadurch versiegelten oder stark verdichteten Fläche der Wasserhaushalt verändert. Gleichzeitig gehen mit einer Veränderung des Wegenetzes fast immer Veränderungen der Landnutzung und -struktur einher. Beides kann kaum unabhängig untersucht werden. Die wenigen vorhandenen quantitativen Einschätzungen beruhen auf Modellierungsstudien, Messkampagnen aus sehr kleinen Einzugsgebieten und dem Vergleich flurbereinigter und nicht flurbereinigter Einzugsgebiete. Für Letztere ist aus Südwestdeutschland bekannt, dass in flurbereinigten Gebieten der Gesamtabfluss im Jahr etwa 30 % höher und die Scheitelabflüsse bis zu 4-fach größer sein können als in nicht flurbereinigten Gebieten [9, 10]. Dies deckt sich mit Untersuchungen aus der Schweiz, wo der Einfluss der Flurbereinigung, vor allem der Bau von Wegen, Wegseitengräben und Dränen, auf das Abflussverhalten von drei kleinen (130, 180 und 380 ha) landwirtschaftlichen Einzugsgebieten untersucht wurde [11]. In Modellierungsstudien konnte für das Wahnbacheinzugsgebiet gezeigt werden, dass der Abfluss bei Berücksichtigung des Wegenetzes um 20 % ansteigt [12]. Für kleine, terrassierte Weinbaugebiete im Kaiserstuhl wird beschrieben, dass der Hauptanteil des Oberflächenabflusses durch befestigte Wege entsteht und dass der Anteil des Oberflächenabflusses proportional zur Vergrößerung der versiegelten Flächen zunimmt [13].

Eine wesentliche Eigenschaft von Wegen besteht also darin, dass sie, durch die Bereitstellung versiegelter Flächen, immer und unabhängig von der Niederschlagshöhe zum Abflussgeschehen beitragen [7]. Bei kleinen Niederschlagsereignissen ist ihr Beitrag überproportional groß, weil da die übrige Fläche noch keinen Abfluss liefert. Bei großen Ereignissen beruht dagegen die Hauptwirkung von Straßen und Wegen darauf, dass sie zusammen mit den Seitengräben die Abflussgeschwindigkeit erhöhen, und der Scheitelabfluss steigt. Da Straßen und Wege fast immer mit Wegseitengräben ausgeführt werden, teilweise auch beidseitig (s. Kap. 7), hat der Wegebau ein sekundäres Gewässernetz geschaffen. Wenn Feld- und Waldwege dreifach länger sind als das primäre Gewässernetz, bedeutet dies, dass das sekundäre Gewässernetz drei- bis sechsfach länger sein muss als das primäre. Dieses sekundäre Gewässernetz ist die überwiegende Zeit des Jahres inaktiv und wird daher häufig nicht als solches wahrgenommen. Auch ist dieses sekundäre Gewässernetz in der Regel nicht systematisch erfasst und nicht in Karten dargestellt. Daher wird seine Bedeutung stark unterschätzt [14]. Detaillierte Erfassungen von Wegseitengräben in Beispielgebieten verdeutlichen jedoch, dass Gräben die Landschaft vielerorts sehr feingliedrig erschließen und parallel zu den Gewässern III. Ordnung ein sekundäres Entwässerungsnetz entstand (Abb. 5.4; s. a. Kap. 7). Beim Auftreten von Oberflächenabfluss wird es aktiviert und ist dann entsprechend seiner Länge bedeutsamer als das Netz dauerhaft wasserführender Gewässer. Für den erosionsbedingen Sedimenttransport ist außerdem bedeutsam, dass Abfluss, der von einem Wegseitengraben abgefangen und dem Gewässer zugeleitet wird, keinen Gewässerrandstreifen durchfließt. Damit stellen Wegseitengräben einen sehr effektiven Bypass dar, der die meisten Gewässerrandstreifen außer Funktion setzt.

Besonders anschaulich lassen sich die Effekte auf Abflussbildung und -konzentration bei Wegen, die schräg zum Hang verlaufen, illustrieren (Abb. 5.5 oben links). In diesem Fall können Wege eine Vielzahl natürlicher, in Gefällerichtung verlaufender Fließpfade unterbrechen und das Wasser großer Einzugsgebietsflächen sammeln und konzentriert zum Tiefpunkt ableiten. Dies ist insbesondere bei Waldwegen problematisch, da im Wald ein großer Teil des Abflusses bei Starkregen oder Schneeschmelze als Zwischenabfluss langsam im Boden fließt. Durch den Einschnitt der schräg verlaufenden Wege tritt dieser Zwischenabfluss aus und wird zu Oberflächenabfluss, der im Wegseitengraben um ein Vielfaches schneller abgeleitet wird [16] (vgl. auch Anhang 8.​7).

Problematisch können auch Wege in der Tiefenlinie sein, wenn der Weg selbst oder ein hydraulisch effektiv gestalteter Seitengraben das Wasser sammelt und ableitet (Abb. 5.5 oben rechts). Unter solchen Bedingungen wird der Abfluss fast immer (deutlich) beschleunigt, da der konstruierte Entwässerungsweg in nahezu allen Fällen hydraulisch effektiver gestaltet ist als ein Fließpfad, der der natürlichen Topographie folgend durch einen bewachsenen Taleinschnitt führen würde.

Günstig sind dagegen Wege entlang der Wasserscheide und auf Hangrücken (Abb. 5.5 unten links). Diese verfügen zwar im unteren Bereich über ein hohes Gefälle, was zu einer Beschleunigung des Abflusses führt, dafür ist ihr Einzugsgebiet aber sehr klein, wodurch ihre Bedeutung für die Gebietsentwässerung gering bleibt. Bemerkenswert ist, dass früher vermutlich viele Wege so geführt wurden (s. Anhang 8.​7), wohl auch, um die damals unbefestigten Wege vor Erosion durch Wasser zu schützen. Durch das kleine Einzugsgebiet bei dieser Wegführung war kein Wegseitengraben erforderlich. Vor allem in den 1970er-Jahren wurden dann die Wege in die vorher begrünte Tiefenlinie gelegt, und damit musste der Wegseitengraben als integraler Bestandteil des Wegebaus eingeführt werden. Die abflussbremsendste Art, Wasser abzuleiten, nämlich entlang einer flachen Grünlandmulde, wurde ersetzt durch die schnellste und damit auch hochwasserförderndste Art, nämlich einen effizienten Graben.

Dem Charakter eines Handbuchs über Planungsmethoden folgend, werden hier einfache, etablierte Berechnungsansätze wie die Gauckler-Manning-Strickler-Gleichung (GMS-Gleichung) vorgestellt. Dabei müssen teils stark vereinfachende Annahmen getroffen werden. Dazu zählt, dass der Abfluss als konstant und gleichförmig betrachtet wird (stationäre Bedingungen). Dies ist aber grundsätzlich nicht der Fall, da jede Welle sich zumindest aufbaut und dann wieder abflacht. Um diese instationären Bedingungen korrekt abzubilden, wären Flachwassergleichungen (Saint Venant) erforderlich, wie sie üblicherweise in hydrodynamischen Modellen implementiert sind. Aufgrund ihrer Komplexität erfordern diese Modelle jedoch entsprechendes Wissen, Software und hinreichend hochaufgelöste und genaue Daten. Trotz dieser Einschränkung können mit stationären Betrachtungen für viele praktische Fragestellungen hinreichend genaue Lösungen ermittelt werden. Das gilt zum Beispiel für die Bestimmung der Konzentrationszeit bei kurzen schauerartigen Starkregen. Da die Annahme konstanter Abflussverhältnisse das Aufbauen der Welle zu Beginn eines Ereignisses vernachlässigt, wird die tatsächliche Konzentrationszeit unterschätzt. Aus gleichem Grund werden die Unterschiede zwischen Flächen unterschätzt, die sich in ihrer Fließgeschwindigkeit unterscheiden. Da das Aufbauen einer Welle bei langsamer Fließgeschwindigkeit deutlich länger dauert als bei hoher Fließgeschwindigkeit, ist auch die Unterschätzung größer. Die auf der GMS-Gleichung beruhenden Berechnungen stellen daher eine konservative Annahme hinsichtlich der Unterschiede zwischen verschiedenen Varianten dar. Der Vorteil der GMS-Gleichung ist, dass schnell und mit relativ geringem Aufwand die Abflussgeschwindigkeit abgeschätzt und der Einfluss eines Fließpfades auf den Abfluss beschrieben werden kann. Auch kann so ermittelt werden, wie Fließpfade gestaltet werden müssen, um möglichst abflussbremsend zu wirken. Für die Anwendung der GMS-Gleichung müssen die Fließpfade in einigermaßen einheitliche Abschnitte unterteilt werden. Dies sind meist – von der Wasserscheide ausgehend – der Schichtabfluss, der flache konzentrierte Abfluss, der Abfluss in Hangmulden und schließlich der Abfluss in Gerinnen und Gewässern. Für diese Abschnitte werden dann die hydraulischen Kenngrößen ermittelt (s. Abschn. 5.2), wodurch sich Fließzeit und -geschwindigkeit in den einzelnen Abschnitten und aus deren Summe die Konzentrationszeit abschätzen lässt. Das Verfahren wird als Geschwindigkeitsmethode bezeichnet. In Kap. 7 befindet sich ein Rechenbeispiel.