Abfluss

Abfluss, Durchfluss und Zufluss ist in der Hydrologie das Wasservolumen, das ein vorgegebenes Einzugsgebiet unter der Wirkung der Schwerebeschleunigung innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit verlässt bzw. in es eintritt.

Weil in der Hydrographie Maßangaben prinzipiell auf einen Pegel (also einen Messpunkt) bezogen sind, bemisst man immer stromabwärts und nennt den Pegel den Ausfluss des davon stromaufwärts gelegenen Entwässerungsgebiets (dem Oberwasser). Man fasst dann alle Wasservolumina, die die Messstelle passieren, unter dem Begriff Durchfluss am Pegel oder Abfluss des Flussgebiets zusammen. Der Zufluss – etwa in einen See – ist hydrographisch betrachtet „der Abfluss in den See an der Einmündung“, analog ist der Durchfluss durch ein Areal das Wasservolumen, das den Pegel passierend je Zeiteinheit ins Unterwasser „abfließt“, und die Schüttung einer Quelle ihr Abfluss ins Oberflächenwasser.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Der Abfluss Q gibt das Volumen V an, das in einem Fließgewässer in einer bestimmten Zeit t eine vollständige Querschnittsfläche F passiert, den sogenannten Volumenstrom des Wasserkörper durch F. seine Einheit ist also m³/s.

Q = \frac{V}{t} = \int_F v \operatorname{d}F
vFließgeschwindigkeit
F … durchflossene Fläche

Das Volumen, umgangssprachlich die „Wassermenge“, wird nicht direkt gemessen, sondern indirekt erschlossen:

V =Q \cdot t = \bar v t \cdot F_\mathrm{P}

Dabei sind die zeitabhängigen Werte in erster Näherung als Mittelwert anzunehmen:

v̅̅ … mittlere Fließgeschwindigkeit am Pegel
v̅̅t = s … mittlerer Fließweg
FP … Fläche des Flussbettprofils, Bezugsfläche des Pegels

Da das Profil am Pegel bekannt ist, ergibt sich die durchflossene Fläche allein über den Pegel: Die Abhängigkeit der Flussbreite b vom Wasserstand h bzw. Pegelstand P ist aus dem Querschnitt des Gewässers abzulesen

FP = F(P)

Damit sind Q und V aus der mittleren Fließgeschwindigkeit und dem Pegelstand ermittelbar – erstere ist ebenfalls ein Erfahrungswert über den Pegel und der Wassertemperatur (die die Viskosität des Wasser bestimmt), der von den Verhältnissen in Ober- und Unterwasser und der Materialbeschaffenheit des Betts (Rauhigkeit, Strömungswiderstand), also der strömungsmechanischen Charakteristik abhängt – Idealisierungsannahmen sind etwa Newtons lineare Abnahme der Fließgeschwindigkeit über die Senkrechte der Strömungsrichtung (Elementarsatz der Flüssigkeitsreibung, Zähigkeitskoeffizient) in laminaren Strömungen, nach der die mittlere Fließgeschwindigkeit die Hälfte der (leicht messbaren) Geschwindigkeit an der Oberfläche ist: Daher ist es günstig, Pegelmessstellen an möglichst gleichförmigen Flussabschnitten einzurichten.

Direkt- und Basisabfluss

Es wird unterschieden zwischen dem Direktabfluss QD, der sich aus Oberflächenabfluss und Interflow (Zwischenabfluss) zusammensetzt, und dem grundwasserbürtigen Basisabfluss QB. An einem Pegel kann der Grundwasserabstrom, der das Gebiet unterirdisch verlässt, nicht erfasst werden.

Messung des Abflusses

Hauptartikel: Abflussmessung

Der Durchfluss ist im Unterschied zum Pegelstand schwer messbar und wird daher meist aus dem Pegelstand und der Fließgeschwindigkeit berechnet. Allerdings gibt es auch Verfahren, den Durchfluss direkt zu messen, z. B. magnetisch-induktiv.

Ist die Veränderung des Abflussquerschnittes bei steigendem Wasserstand h bzw. Pegelstand P bekannt, so lässt sich daraus eine Abflusskurve (h/Q-Diagramm) bzw. Pegelrelation (P/Q-Diagramm) aufstellen, die die Beziehung zwischen Abfluss und Wasserstand wiedergibt und somit eine indirekte Abflussmessung über den Wasserstand ermöglicht. Der Zusammenhang ist für ein v-förmiges Profil exakt von der vierten Potenz des Pegelstandes abhängig. Bei flacheren Profilen steigt die Abflussmenge etwas schneller an, bei u-förmigen Profilen etwas langsamer. Außerdem ist die Abflussmenge bei gleichem Pegelstand von der Wassertemperatur abhängig: bei 25 °C fließt die doppelte Wassermenge als bei 0 °C ab.

Abflusskenngrößen („…Q“)

Niedrigster bekannter Abfluss (NNQ)
Diese Kenngröße gibt den niedrigsten, an der Messstelle erfassten, Abfluss an. Bei diesem Wert ist der Zeitpunkt des Auftretens anzugeben.[1]
Niedrigster Abfluss gleichartiger Zeitabschnitte (NQ) in betrachteter Zeitspanne
Im Gegensatz zum NNQ gibt dieser Wert den niedrigsten Abfluss gleichartiger Zeitabschnitte (Monat, Halbjahr, Jahr) innerhalb eines betrachteten Zeitraumes wieder. Dazu wird der Zeitabschnitt und der Zeitraum der Angabe hinzugefügt. Wurde kein Zeitabschnitt angegeben so ist das volle Jahr gemeint.
Zum Beispiel ist NQ 1971/1980 der niedrigste Abfluss aus den Jahren 1971 bis 1980, WiNQ 1971/1980 der niedrigste in den Wintern 1971 bis 1980, DezNQ 1971/1980 der niedrigste in den Dezembermonaten der Jahre 1971 bis 1980 aufgetretene Abfluss.
Mittlerer Niedrigwasserabfluss (MNQ) in betrachteter Zeitspanne
Diese Kenngröße ist das arithmetische Mittel aus den niedrigsten Abflüsse (NQ) gleichartiger Zeitabschnitte für die Jahre des Betrachungszeitraums. Wie bei NQ ist der Zeitabschnitt und der Betrachtungszeitraum der Angabe hinzuzufügen.
Zum Beispiel ist MNQ 1971/1980 das Mittel der NQ-Werte aus den 10 Einzeljahren 1971 bis 1980.
Mittlerer Abfluss (MQ)
Als mittleren Abfluss MQ bezeichnet man den durchschnittlichen Abfluss, bemessen auf ein Normaljahr – also den langjährigen Durchschnitt, in der Hydrographie auf das Abflussjahr bezogen, das im allgemeinen in den gemäßigten Klimazonen im Herbst beginnt, um einen gesamten Winterzyklus zu erfassen: Späte Schneeschmelze und insbesondere Gletscher verzögern den Abfluss des Winterniederschlags bis in den Sommer hinein.
Aus den Abflüssen eines Jahres – dem „Jahresabfluss“ in m³/Jahr – ergibt sich die Gesamtjahreswasser„menge“ – das Volumen an Wasser –, die das Entwässerungsgebiet in das darunterliegende einspeist. Der mittlere Abfluss MQ eines Entwässerungssystems errechnet sich dann als zeitliches Mittel der „Regelwassermenge“ über das Jahr.
Durch Ausuferung wird bei einem Höchsthochwasser die Abflussschätzung sehr ungenau. Zudem sind für solche Extremereignisse wegen ihrer Seltenheit meist nur sehr wenige exakte Messungen vorhanden. So ist der Abfluss der Jahrhundertflut 2002 in Dresden noch immer nicht genau bekannt. Außerdem kann erst dann der Normalwasserabfluss ermittelt werden, wenn die Jährlichkeit eines Ausnahmeereignisses angenommen werden kann: Jahresübliche Niedrigwässer und Hochwässer werden in den – etwa im allgemeinen 30-jährigen - Durchschnittswerten erfasst, nicht jedoch jedes Jahrhundertereignis.
Mittlerer Hochwasserabfluss (MHQ)
Höchster jemals gemessener Hochwasserabfluss (HHQ)
Hochwasserabfluss mit Jährlichkeit n (HQn)
Gängige Größen sind etwa HQ2, HQ25, HQ100 für statistisch 2-jährliches, 25-jährliches bzw. 100-jährliches Hochwasser. Diese werden in der Regel nicht direkt gemessen, sondern anhand sogenannter Niederschlags-Abfluss-Modellen (NA-Modellen) errechnet aus den Parametern des Einzugsgebiets und dem Gang der Jahresniederschläge, den man an einer günstig gelegenen Meßstation erhebt. Diese Werte sind wichtige Kenngrößen für den Wasserbau. Beim Ausbau eines Fließgewässers, bei der Dimensionierung von Rückhaltevolumina und Abschlagsbauwerken muss Hochwasserfreiheit über Zeitperioden nachgewiesen werden, deren Länge desto größer ist, je empfindlicher die angrenzende Nutzung ist: lange Zeitperioden bei bebauten Ufern, kürzere bei deren landwirtschaftlicher Nutzung.

Abflussgang und Abflussregime

Aus dem Durchfluss ergibt sich die Abflussganglinie des Pegels (Q/t-Diagramm). Sie zeigt das Verhalten (die Reaktion) des Fließgewässers anhand des gemessenen Durchflusses, wie er sich aus der Wetterlage und den Abflussverhältnissen des Einzugsgebietes ergibt. Dabei kann man die Ganglinien eines Abflussereignisses betrachten oder den Jahresverlauf des Abflusses - alle Durchflusswerte des Abflussjahres in ein Diagramm eingetragen. Die Ganglinie bildet die Grundlage für die Charakterisierung des Abflussgangs eines Gewässers an dieser Stelle anhand typischer Durchflüsse (Niedrigwasser, Hochwasserverläufe).

Nach der langjährig mittleren Abflussganglinie wird das Gewässer einem bestimmten Abflussregime, einer Typifikationsklasse von immer wiederkehrenden Mustern (Jahreszeitcharakteristiken, wie Schneeschmelze, sommerlicher Gletscherabfluss; Charakteristiken des Hochgebirges oder des Flachlandes usw.) in Abhängigkeit vom Klima zugeordnet.

Modelle für die Hochwasserprognose oder die Wasserbewirtschaftungsplanung in einem Einzugsgebiet stützen sich auf die dort erfassten Gänge und bestimmten Regime.

Siehe auch

Wiktionary Wiktionary: Abfluss – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Gewässerkundliches Jahrbuch Weser-Ems 2006 (PDF; 6,72 MB)

Weblinks

Abflüsse Schweiz


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