Drainagedichte – Wikipedia

Posted on June 17, 2021 by lordneo

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Drainagedichte ist eine Größe, die verwendet wird, um physikalische Parameter eines Einzugsgebiets zu beschreiben. Zuerst von Robert E. Horton beschrieben, ist die Entwässerungsdichte definiert als die Gesamtlänge des Kanals in einem Einzugsgebiet geteilt durch die Gesamtfläche, dargestellt durch die folgende Gleichung:

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{displaystyle D_{d}={frac {sum {L}}{A_{Becken}}}}

^[1]

Die Menge stellt die durchschnittliche Kanallänge pro Einzugsgebietseinheit dar und hat Einheiten

{displaystyle {frac {left[Lright]}{links[L^{2}right]}}}

${displaystyle {frac {left[Lright]}{links[L^{2}right]}}}$ , die oft reduziert wird auf

{displaystyle left[L^{-1}right]}

${displaystyle left[L^{-1}right]}$ .

Die Entwässerungsdichte hängt sowohl von den klimatischen als auch den physikalischen Eigenschaften des Einzugsgebiets ab. Die Bodendurchlässigkeit (Infiltrationsschwierigkeit) und die zugrunde liegende Gesteinsart beeinflussen den Abfluss in einer Wasserscheide; undurchlässiger Boden oder freiliegendes Grundgestein führen zu einer Zunahme des Oberflächenwasserabflusses und damit zu häufigeren Bächen. Auch zerklüftete Gebiete oder solche mit hohem Relief weisen eine höhere Drainagedichte auf als andere Einzugsgebiete, wenn die sonstigen Eigenschaften des Einzugsgebietes gleich sind.

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Bei der Bestimmung der Gesamtlänge von Bächen in einem Becken sollten sowohl mehrjährige als auch ephemere Bäche berücksichtigt werden.^[2] Wenn ein Einzugsgebiet nur ephemere Bäche enthält, würde die Entwässerungsdichte nach der obigen Gleichung zu Null berechnet, wenn nur die Gesamtlänge der Bäche nur mit mehrjährigen Bächen berechnet würde. Das Vernachlässigen von kurzlebigen Strömen in den Berechnungen berücksichtigt nicht das Verhalten des Einzugsgebietes bei Hochwasserereignissen und ist daher nicht vollständig repräsentativ für die Entwässerungseigenschaften des Einzugsgebietes.

Die Entwässerungsdichte ist ein Hinweis auf die Infiltration und Durchlässigkeit eines Entwässerungsbeckens sowie auf die Form der Ganglinie. Die Entwässerungsdichte hängt sowohl von den klimatischen als auch den physikalischen Eigenschaften des Einzugsgebiets ab.

Hohe Entwässerungsdichten bedeuten auch ein hohes Verzweigungsverhältnis.

Table of Contents

Kehrwert der Drainagedichte als physikalische Größe[edit]

Die Entwässerungsdichte kann verwendet werden, um die durchschnittliche Länge des Überlandabflusses in einem Einzugsgebiet anzunähern. Horton (1945) verwendete die folgende Gleichung, um die durchschnittliche Länge des Überlandflusses als Funktion der Drainagedichte zu beschreiben:^[2]

{displaystyle l_{O}={frac {1}{2D_{d}}}}}

{displaystyle l_{0}}

$l_0$ ist die Länge des Überlandflusses mit Längeneinheiten und

{displaystyle D_{d}}

${displaystyle D_{d}}$ ist die Entwässerungsdichte des Einzugsgebietes, ausgedrückt in Einheiten der inversen Länge.

Unter Berücksichtigung der Geometrie der Kanäle am Hang schlug Horton auch die folgende Gleichung vor:

{displaystyle l_{O}={frac {1}{2D_{d}{sqrt {1-left({frac {s_{c}}{s_{g}}}right)^{2 }}}}}}

^[2]

{displaystyle s_{c}}

${displaystyle s_{c}}$ ist die Kanalsteigung und

{displaystyle s_{g}}

${displaystyle s_{g}}$ ist die durchschnittliche Neigung des Bodens im Gebiet.

Elementare Bestandteile von Entwässerungsbecken[edit]

Ein Einzugsgebiet kann durch drei elementare Größen definiert werden: Rinnen, das mit diesen Rinnen verbundene Hanggebiet und die Quellgebiete.^[3] Die Kanäle sind die klar definierten Segmente, die das Wasser effizient durch das Einzugsgebiet transportieren. Die Kennzeichnung dieser Merkmale als „Kanäle“ und nicht als „Bäche“ weist darauf hin, dass es keinen kontinuierlichen Wasserfluss geben muss, um das Verhalten dieser Region als Wasserleitung zu erfassen. Nach dem Stream-Order-System von Arthur Strahler^[4] die Kanäle sind nicht als einzelner Auftrag oder Auftragsbereich definiert. Kanäle niedrigerer Ordnung verbinden sich zu Kanälen höherer Ordnung. Die zugehörigen Hangbereiche sind die Hanglagen, die direkt in die Kanäle abfallen.^[3] Niederschlag, der in den Hanglagen in das System eindringt und nicht durch Infiltration oder Verdunstung verloren geht, gelangt in die Kanäle. Die Quellgebiete sind konkave Hügelregionen, die einem einzelnen Kanal zugeordnet sind.^[4] Niederschlag, der in einen Quellbereich eindringt, der nicht durch Infiltration oder Evapotranspiration verloren geht, fließt durch den Quellbereich und tritt in den Kanal am Kopf des Kanals ein. Quellbereiche und die mit Kanälen verbundenen Hangbereiche werden durch Quellbereiche unterschieden, die durch den Kanalkopf entwässern, während die zugehörigen Hangbereiche in den Rest des Baches münden.^[3] Gemäß dem Stromordnungssystem von Strahler münden alle Quellbereiche in einen primären Kanal, durch die Definition eines primären Kanals.^[4]

BHs et al. (1991)^[5] beschreiben die Bedingungen, die für die Kanalbildung notwendig sind. Kanalbildung ist ein Konzept, das eng mit der Bildung und Entwicklung eines Entwässerungssystems verbunden ist und die Entwässerungsdichte des Einzugsgebiets beeinflusst. Die von ihnen vorgeschlagene Beziehung bestimmt das Verhalten eines bestimmten Hangs als Reaktion auf eine kleine Störung. Als Beziehung zwischen Quellgebiet, Quellneigung und dem Sedimentfluss durch dieses Quellgebiet schlagen sie folgende Gleichung vor:

{displaystyle a{frac {partial F}{partial S}}{frac {dS}{da}}=Fa{frac {partial F}{partial a}}}

^[5]

Wo F ist der Sedimentfluss, S die Steigung des Quellgebiets ist, und ein ist der Quellbereich. Die rechte Seite dieser Beziehung bestimmt die Kanalstabilität oder -instabilität. Wenn die rechte Seite der Gleichung größer als Null ist, ist der Hang stabil und kleine Störungen wie kleine erosive Ereignisse entwickeln sich nicht zu Kanälen. Umgekehrt, wenn die rechte Seite der Gleichung kleiner als Null ist, können Bras et al.^[5] bestimmen, dass der Hang instabil ist, und kleine erosive Strukturen wie Bäche neigen dazu, zu wachsen und einen Kanal zu bilden und die Drainagedichte eines Beckens zu erhöhen. In diesem Sinne wird “instabil” nicht in dem Sinne verwendet, dass die Hangneigung größer ist als der Böschungswinkel und damit anfällig für Massenverluste, sondern fluviale Erosionsprozesse wie Plattenströmung oder Kanalströmung neigen dazu, einzuschneiden und zu erodieren einen einzigen Kanal zu bilden.^[5] Daher beeinflussen die Eigenschaften des Quellgebiets oder potentiellen Quellgebiets die Drainagedichte und die Entwicklung eines Einzugsgebiets.^[5]

Bezug zum Wasserhaushalt[edit]

Die Entwässerungsdichte ist an die Wasserhaushaltsgleichung gebunden:

{displaystyle {frac {dV}{dt}}=R+G_{i}-G_{o}-G_{s}-ET-Q_{w}}

^[6]

{displaystyle {frac {dV}{dt}}}

${displaystyle {frac {dV}{dt}}}$ ist die Änderung der Reservoirspeicherung, R ist Niederschlag, ET ist Verdunstung, G_ich und G_Ö sind der jeweilige Grundwasserzufluss in und aus dem Becken, G_so ist die Grundwassereinleitung in Bäche, und Q_w ist der Grundwasserabfluss aus dem Becken durch Brunnen. Die Entwässerungsdichte bezieht sich auf die Speicher- und Abflussbedingungen. Die Entwässerungsdichte bezieht sich auf die Effizienz, mit der Wasser über die Landschaft transportiert wird. Wasser wird durch Kanäle viel schneller transportiert als über Hanglagen, da die gesättigte Überlandströmung langsamer ist, weil sie durch Vegetation oder Poren im Boden ausgedünnt und verstopft ist.^[7] Folglich wird ein Einzugsgebiet mit einer relativ höheren Drainagedichte effizienter entwässert als ein höher dichtes.^[7] Aufgrund des ausgedehnteren Entwässerungssystems in einem Becken mit höherer Dichte wird der Niederschlag, der in das Grundgebirge eindringt, im Durchschnitt eine kürzere Strecke über die langsameren Hänge zurücklegen, bevor er die schneller fließenden Kanäle erreicht und das Becken in kürzerer Zeit durch die Kanäle verlässt. Umgekehrt dauert es länger, wenn Niederschläge, die in ein Einzugsgebiet mit geringerer Entwässerungsdichte gelangen, das Einzugsgebiet verlassen, da es länger über den langsameren Hang fließt.^[7]

In seinem 1963 erschienenen Aufsatz über Entwässerungsdichte und Bachlauf stellte Charles Carlston fest, dass der Grundabfluss in Bäche umgekehrt mit der Entwässerungsdichte des Einzugsgebiets zusammenhängt:

{displaystyle Q_{baseflow}propto {D_{d}}^{-2}}

^[8]

Diese Gleichung repräsentiert den Einfluss der Drainagedichte auf die Infiltration. Mit zunehmender Entwässerungsdichte nimmt der Grundabfluss in einen Bach für ein bestimmtes Becken ab, da weniger Infiltration zum Grundabfluss beiträgt.^[8] Ein größerer Teil des Wassers, das während eines Niederschlags unmittelbar nach einem Niederschlagsereignis in das Einzugsgebiet eindringt, tritt schnell durch Bäche aus und wird nicht infiltriert, um zum Grundwasserabfluss beizutragen. Gregory und Walling (1968) fanden heraus, dass der durchschnittliche Abfluss durch ein Einzugsgebiet proportional zum Quadrat der Drainagedichte ist:

{displaystyle Q_{Abfluss}propto D_{d}^{2}}

^[9]

Diese Beziehung veranschaulicht, dass eine Umgebung mit einer höheren Drainagedichte Wasser effizienter durch das Becken transportiert.^[7] In einer Umgebung mit relativ geringer Entwässerungsdichte wären die durch diese Beziehung vorhergesagten niedrigeren durchschnittlichen Abflussergebnisse das Ergebnis davon, dass der Oberflächenabfluss mehr Zeit damit verbringt, über Hügel zu wandern und eine längere Zeit für die Infiltration zu haben. Die erhöhte Versickerung führt gemäß der Wasserhaushaltsgleichung zu einem verringerten Oberflächenabfluss.^[6]

Diese beiden Gleichungen stimmen miteinander überein und folgen der Wasserhaushaltsgleichung. Gemäß den Gleichungen wird in einem Becken mit hoher Abflussdichte der Beitrag des Oberflächenabflusses zum Bachabfluss hoch sein, während der Beitrag des Grundwassers gering sein wird. Umgekehrt hat ein Bach in einem System mit geringer Entwässerungsdichte einen größeren Beitrag des Grundabflusses und einen geringeren Beitrag des Überlandabflusses.^[8]^[9]

Bezug zu Ganglinien[edit]

Der Abfluss durch den zentralen Bach, der ein Einzugsgebiet entwässert, spiegelt die Entwässerungsdichte wider, was ihn aufgrund seiner engen Anbindung an die Ganglinie zu einer nützlichen Diagnose für die Vorhersage des Hochwasserverhaltens eines Einzugsgebietes nach einem Sturmereignis macht.^[7] Das Material, über das die Überlandströmung fließt, ist ein Faktor, der die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der Wasser aus einem Einzugsgebiet abfließen kann. Wasser fließt deutlich langsamer über Hügel im Vergleich zu Kanälen, die sich bilden, um Wasser und anderes fließendes Material effizient zu transportieren.^[7] Nach Hortons Interpretation der Hälfte des Kehrwerts der Entwässerungsdichte als durchschnittliche Länge des Überlandflusses^[2] bedeutet, dass die Überlandströmung in Umgebungen mit hoher Drainage einen schnell fließenden Kanal über eine kürzere Reichweite schneller erreichen wird. Auf der Ganglinie ist der Peak höher und tritt über einen kürzeren Bereich auf. Dieser kompaktere und höhere Peak wird oft als „auffällig“ bezeichnet.^[7]

Der Zeitpunkt der Ganglinie in Bezug auf die Spitze der Hyetografie wird durch die Drainagedichte beeinflusst.^[7] Das Wasser, das während eines Sturms in eine Wasserscheide mit hoher Entwässerung eintritt, wird relativ schnell einen Kanal erreichen und in den Hochgeschwindigkeitskanälen in relativ kurzer Zeit zum Auslass der Wasserscheide gelangen. Umgekehrt muss das Wasser, das in ein Becken mit geringer Entwässerungsdichte eintritt, im Durchschnitt eine längere Strecke über den Hang mit geringer Geschwindigkeit zurücklegen, um die Kanäle zu erreichen. Infolgedessen benötigt das Wasser mehr Zeit, um den Ausgang des Einzugsgebiets zu erreichen. Die Verzögerungszeit zwischen der Spitze des Hyetographen und der Ganglinie ist dann umgekehrt proportional zur Entwässerungsdichte; Mit zunehmender Entwässerungsdichte wird das Wasser effizienter aus dem Becken abgeleitet und die Verzögerungszeit nimmt ab.^[7]

Eine weitere Auswirkung der Entwässerungsdichte auf die Ganglinie ist ein steiler fallender Schenkel nach dem Sturmereignis aufgrund seiner Auswirkungen sowohl auf den Überlandabfluss als auch auf den Basisabfluss.^[7]^[10] Das fallende Glied tritt nach dem Höhepunkt der Ganglinienkurve auf und ist, wenn der Überlandfluss auf das Umgebungsniveau zurückgeht. In höher gelegenen Entwässerungssystemen erreicht die Überlandströmung die Kanäle schneller, was zu einer engeren Ausbreitung im fallenden Schenkel führt. Baseflow ist der andere Beitrag zur Ganglinie. Der Peak des Grundwassers zu den Kanälen tritt nach dem Peak des schnellen Flusses auf, da der Grundwasserfluss viel langsamer ist als der schnelle Fluss. Da die Baseflow-Spitze nach der Quick-Flow-Spitze auftritt, beeinflusst die Baseflow-Spitze die Form des abfallenden Schenkels.^[10] Nach der von Gregory und Walling dargelegten Verhältnismäßigkeit^[9] mit zunehmender Drainagedichte nimmt der Beitrag des Basisabflusses zum abfallenden Ast der Ganglinie ab. Während eines Sturmereignisses in einem Einzugsgebiet mit hoher Entwässerungsdichte gibt es wenig Wasser, das als Infiltration in den Boden eindringt, da das Wasser weniger Zeit verbringt, über die Oberfläche im Einzugsgebiet zu fließen, bevor es durch den zentralen Kanal austritt. Da nur wenig Wasser als Infiltration in das Wasser eindringt, trägt Baseflow nur einen kleinen Teil zum Herabfallen der Gliedmaßen bei. Das fallende Glied ist also ziemlich steil. Umgekehrt hat ein niedriges Drainagesystem ein flacheres fallendes Glied. Laut Gregory und Wallings Beziehung^[9] die Abnahme der Drainagedichte führt zu einer Zunahme des Grundabflusses zu den Kanälen und einer allmählicheren Abnahme der Ganglinie.

Formel für Drainagedichte[edit]

Montgomery und Dietrich (1989)[edit]

Montgomery und Dietrich (1989)^[3] haben durch Beobachtung von Einzugsgebieten im Tennessee Valley, Kalifornien, folgende Gleichung für die Drainagedichte ermittelt:

{displaystyle D={frac {w_{s}rho_{w}R_{0}}{W^{ast}rho_{s}K_{z} sin theta cos theta }}links[1-left({frac {tantheta }{tanpsi }}right)right]^{-1}}

^[3]

Wo w_so ist die mittlere Quellbreite, ρ_w ist die Dichte von Wasser, R₀ ist die durchschnittliche Niederschlagsrate, W* ist die Breite des Kanalkopfes, ρ_so ist die gesättigte Schüttdichte des Bodens, K_z ist die vertikale gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, θ ist das Gefälle am Kanalkopf, und φ ist der Bodenwinkel der inneren Reibung.

R₀, der durchschnittliche Niederschlagsterm, zeigt die Abhängigkeit der Drainagedichte vom Klima. Bei konstanten anderen Faktoren führt eine Zunahme der Niederschläge im Einzugsgebiet zu einer Zunahme der Einzugsdichte.^[3] Eine Abnahme des Niederschlags, beispielsweise in einer ariden Umgebung, führt zu einer geringeren Entwässerungsdichte. Die Gleichung zeigt auch die Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften und der Lithologie des Einzugsgebiets. Materialien mit geringer hydraulischer Leitfähigkeit, wie Ton oder festes Gestein,^[6] würde zu einem System mit höherer Drainagedichte führen. Aufgrund der geringen hydraulischen Leitfähigkeit geht nur wenig Wasser durch Infiltration verloren, und dieses Wasser verlässt das System als Abfluss und kann zur Erosion beitragen. In einem Becken mit einer höheren vertikalen Wasserleitfähigkeit dringt Wasser effektiver in den Boden ein und trägt nicht zur gesättigten Überlandflusserosion bei, was zu einem weniger entwickelten Kanalsystem und damit zu einer geringeren Drainagedichte führt.^[3]

Verhältnis zum mittleren Jahreshochwasser[edit]

Charles Carlston (1963)^[8] eine Gleichung ermittelt, um den mittleren jährlichen Hochwasserabfluss Q2.33 für ein gegebenes Einzugsgebiet als Funktion der Einzugsdichte auszudrücken. Carlston fand bei der Aufzeichnung von Daten aus 15 Einzugsgebieten eine Korrelation zwischen den beiden Größen und stellte die folgende Gleichung auf:

{displaystyle Q_{2.33}=1,3D^{2}}

^[8]

Wo Q ist in der Einheit Kubikfuß pro Sekunde pro Quadratmeile und D_d ist in Einheiten von inversen Meilen. Aus dieser Gleichung wird geschlossen, dass sich ein Einzugsgebiet durch Erosion selbst so anpasst, dass diese Gleichung erfüllt ist.

Einfluss der Vegetation auf die Drainagedichte[edit]

Das Vorhandensein von Vegetation in einem Einzugsgebiet hat vielfältige Auswirkungen auf die Einzugsdichte. Vegetation verhindert Erdrutsche^[11] im Quellbereich eines Einzugsgebietes, die zu einer Kanalbildung führen und den Bereich der Entwässerungsdichtewerte unabhängig von der Bodenzusammensetzung verringern würden.^[11]

Die Vegetation stabilisiert den instabilen Quellbereich im Becken und verhindert die Kanalinitiierung.^[11] Pflanzen stabilisieren den Hang, in dem sie wachsen, was zu physikalischen Erosionsvorgängen wie Regenspritzern, Trockenrasen oder Gefrier- und Auftauprozessen führt.^[11] Während es zwischen den Arten erhebliche Unterschiede gibt, wachsen Pflanzenwurzeln in unterirdischen Netzwerken, die den Boden an Ort und Stelle halten. Da der Boden an Ort und Stelle gehalten wird, ist er durch diese physikalischen Methoden weniger anfällig für Erosion.^[11] Es wurde festgestellt, dass die Verbreitung von Hügeln mit der Vegetationsbedeckung exponentiell abnimmt.^[11] Durch die Stabilisierung des Hangs im Quellbereich der Becken ist die Kanalinitiierung weniger wahrscheinlich. Die Erosionsprozesse, die zur Kanalinitiierung führen können, werden verhindert. Die erhöhte Bodenfestigkeit schützt auch vor Oberflächenabflusserosion, die eine einmal begonnene Kanalentwicklung behindert.^[11]

Auf Beckenebene gibt es weniger Kanäle im Becken und die Entwässerungsdichte ist geringer als bei einem unbewachsenen System. Der Einfluss der Vegetation auf die Verringerung der Entwässerungsdichte ist jedoch nicht unbegrenzt. Bei hoher vegetativer Bedeckung nimmt der Effekt der Erhöhung der Bedeckung ab. Dieser Effekt setzt der Gesamtverringerung der Entwässerungsdichte, zu der die Vegetation führen kann, eine Obergrenze auf.^[11]

Die Vegetation schränkt auch den Bereich der Entwässerungsdichtewerte für Einzugsgebiete unterschiedlicher Bodenzusammensetzung ein.^[11] Unbegrünte Becken können eine große Bandbreite an Entwässerungsdichten aufweisen, von niedrig bis hoch. Die Entwässerungsdichte hängt mit der Leichtigkeit zusammen, mit der sich Kanäle bilden können. Nach der Gleichung von Montgomery und Dietrich ist die Drainagedichte eine Funktion der vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit. Grobkörniges Sediment wie Sand hätte eine höhere hydraulische Leitfähigkeit und wird von der Gleichung vorhergesagt, um ein System mit einer relativ höheren Entwässerungsdichte zu bilden als ein System aus feinem Schluff mit einer geringeren hydraulischen Leitfähigkeit.^[6]

Waldbrände spielen eine indirekte Rolle bei der Entwässerungsdichte eines Einzugsgebietes. Sowohl natürliche als auch unnatürliche Waldbrände zerstören einen Teil oder die gesamte vorhandene Vegetation, wodurch die Stabilität der Pflanzen und ihrer Wurzeln verloren geht. Ein neu destabilisierter Hang im Becken ist dann anfällig für Kanalbildungsprozesse, und die Entwässerungsdichte des Beckens kann zunehmen, bis die Vegetation wieder in den vorherigen Zustand zurückwächst. Die Art der Pflanzen und die damit verbundene Tiefe und Dichte der Pflanzenwurzeln bestimmen, wie stark der Boden gehalten wird sowie die Intensität des Waldbrandes beim Abtöten und Entfernen der Vegetation. Computersimulationsexperimente haben bestätigt, dass die Entwässerungsdichte in Regionen mit häufigeren Waldbränden höher sein wird.^[11]

Bezug zur Hochwasserganglinie[edit]

Der Abfluss durch den zentralen Bach, der ein Einzugsgebiet entwässert, spiegelt die Entwässerungsdichte wider, was ihn aufgrund seiner engen Anbindung an die Ganglinie zu einer nützlichen Diagnose für die Vorhersage des Hochwasserverhaltens eines Einzugsgebietes nach einem Sturmereignis macht.^[7] Das Material, über das die Überlandströmung fließt, ist ein Faktor, der die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der Wasser aus einem Einzugsgebiet abfließen kann. Wasser fließt deutlich langsamer über Hügel im Vergleich zu Kanälen, die sich bilden, um Wasser und anderes fließendes Material effizient zu transportieren. Nach Hortons Interpretation der Hälfte des Kehrwerts der Entwässerungsdichte als durchschnittliche Länge des Überlandflusses^[2] bedeutet, dass die Überlandströmung in Umgebungen mit hoher Drainage einen schnell fließenden Kanal über eine kürzere Reichweite schneller erreichen wird. Auf der Ganglinie ist der Peak höher und tritt über einen kürzeren Bereich auf. Dieser kompaktere und höhere Peak wird oft als „auffällig“ bezeichnet.^[7]

Der Zeitpunkt der Ganglinie in Bezug auf die Spitze der Hyetografie wird durch die Drainagedichte beeinflusst.^[7] Das Wasser, das während eines Sturms in eine Wasserscheide mit hoher Entwässerung eintritt, wird relativ schnell einen Kanal erreichen und in den Hochgeschwindigkeitskanälen in relativ kurzer Zeit zum Auslass der Wasserscheide gelangen. Umgekehrt muss das Wasser, das in ein Becken mit geringer Entwässerungsdichte eindringt, im Durchschnitt eine längere Strecke über den Hang mit niedriger Geschwindigkeit zurücklegen, um die Kanäle zu erreichen. Infolgedessen benötigt das Wasser mehr Zeit, um den Ausgang des Einzugsgebiets zu erreichen. Die Verzögerungszeit zwischen der Spitze des Hyetographen und der Ganglinie ist dann umgekehrt proportional zur Entwässerungsdichte; Mit zunehmender Entwässerungsdichte wird das Wasser effizienter aus dem Becken abgeleitet und die Verzögerungszeit nimmt ab.^[7]

Eine weitere Auswirkung der Entwässerungsdichte auf die Ganglinie ist ein steiler fallender Schenkel nach dem Sturmereignis aufgrund seiner Auswirkungen sowohl auf den Überlandabfluss als auch auf den Basisabfluss.^[7]^[10] Das fallende Glied tritt nach dem Höhepunkt der Ganglinienkurve auf und ist, wenn der Überlandfluss auf das Umgebungsniveau zurückgeht. In höher gelegenen Entwässerungssystemen erreicht die Überlandströmung die Kanäle schneller, was zu einer engeren Ausbreitung im fallenden Schenkel führt. Baseflow ist der andere Beitrag zur Ganglinie. Der Peak des Grundwassers zu den Kanälen tritt nach dem Peak des schnellen Flusses auf, da der Grundwasserfluss viel langsamer ist als der schnelle Fluss.^[10] Da die Baseflow-Spitze nach der Quick-Flow-Spitze auftritt, beeinflusst die Baseflow-Spitze die Form des fallenden Gliedes.4 Gemäß der von Gregory und Walling dargelegten Proportionalität^[9] mit zunehmender Drainagedichte nimmt der Beitrag des Basisabflusses zum abfallenden Ast der Ganglinie ab. Während eines Sturmereignisses in einem Einzugsgebiet mit hoher Entwässerungsdichte gibt es wenig Wasser, das als Versickerung in den Boden eindringt, da das Wasser weniger Zeit verbringt, über die Oberfläche im Einzugsgebiet zu fließen, bevor es durch den zentralen Kanal austritt. Da nur wenig Wasser als Infiltration in das Wasser eindringt, trägt Baseflow nur einen kleinen Teil zum Herabfallen der Gliedmaßen bei. Das fallende Glied ist also ziemlich steil. Umgekehrt hat ein niedriges Drainagesystem ein flacheres fallendes Glied. Laut Gregory und Wallings Beziehung^[9] die Abnahme der Drainagedichte führt zu einer Zunahme des Grundabflusses zu den Kanälen und einer allmählicheren Abnahme der Ganglinie.

Einfluss des Klimawandels auf die Entwässerungsdichte[edit]

Die Entwässerungsdichte kann auch durch den Klimawandel beeinflusst werden. Langbein und Schumm (1958)9 schlagen eine Gleichung für den Sedimentabfluss durch das Einzugsgebiet in Abhängigkeit von der Niederschlagsrate vor:

{displaystyle P={frac {aR^{alpha}}{1+bR^{gamma}}}}

^[12]

Wo P ist die Sedimentausbeute, R ist der durchschnittliche effektive Niederschlag, α ~ 2.3, γ ~ 3.33, und ein und b variieren je nach einheit. Der Graph dieser Gleichung hat ein Maximum zwischen 10 und 14 Zoll und scharfe Abnahmen auf beiden Seiten des Peaks. Bei geringeren effektiven Niederschlägen ist der Sedimentabfluss geringer, da weniger Niederschläge den Hang erodieren. Bei effektiven Niederschlägen von mehr als 10-14 Zoll wird die Abnahme der Sedimentausbeute als Ergebnis einer zunehmenden Vegetationsdecke interpretiert.^[12] Zunehmende Niederschläge unterstützen eine dichtere Vegetationsbedeckung und verhindern Überlandabflüsse und andere Methoden der physikalischen Erosion. Dieser Befund stimmt mit den Befunden von Istanbulluoglu und Bras über die Wirkung der Vegetation auf Erosion und Kanalbildung überein.^[11]

Die Caineville Badlands[edit]

Badlands am Blue Gate, Utah

Die Badlands von Caineville, Utah, werden oft als eine Region mit extrem hoher Entwässerungsdichte bezeichnet. Die Region zeichnet sich durch steile Hänge, Hochreliefs, ein trockenes Klima und eine völlige Vegetationslosigkeit aus.^[13]^[7] Da die Hangneigungen oft größer sind als der Böschungswinkel, ist der vorherrschende Erosionsprozess in den Badlands von Caineville Massenverschwendung.^[13] Es gibt keine Vegetation, die den Hängen Stabilität verleiht, den Böschungswinkel erhöht und Massenverschwendung verhindert. Die Regionen unterhalb des Böschungswinkels weisen jedoch im Allgemeinen immer noch einen signifikanten Winkel auf, und die Hangausbreitung ist gemäß der folgenden Beziehung immer noch eine bedeutende Erosionsquelle:

{displaystyle {frac {partial z}{partial t}}=K_{s}{frac {partial^{2}z}{partial x^{2}}}}

${displaystyle {frac {partial z}{partial t}}=K_{s}{frac {partial^{2}z}{partial x^{2}}}}$

Wo K_so ist ein Diffusivitätskoeffizient des Hangs, z ist die Höhe des Hügels, und x ist horizontaler Abstand.

Der Bereich der Entwässerungsdichten in den Caineville Badlands veranschaulicht die komplizierte Natur der Entwässerungsdichten in Umgebungen mit geringen Niederschlägen.^[11] Alan Howard (1996) stellte in einer Studie über die Region fest, dass der Effekt zunehmender Reliefwinkel in verschiedenen Becken keinen konstanten Einfluss auf die Drainagedichte hatte.^[13] Für Regionen mit relativ geringem Relief sind Drainagedichte und Relief positiv korreliert. Dies geschieht, bis ein Schwellenwert bei einem höheren Entlastungsverhältnis erreicht wird, wenn eine Erhöhung des Neigungsverhältnisses mit einer Abnahme der Drainagedichte einhergeht.^[13] Dies wird von Howard als Ergebnis des kritischen Quellbereichs interpretiert, der benötigt wird, um eine Kanalvergrößerung zu unterstützen. Bei einem höheren Gefälle wird die Erosion schneller und effizienter durch weniger Kanäle geleitet.^[13] Die geringere Anzahl von Kanälen führt zu einer geringeren Entwässerungsdichte für das Becken.

Eine topografische Karte der Badlands von Caineville, Utah, erstellt mit QGIS und GRASS GIS unter Verwendung des SRTM-Höhenkarten-Datensatzes der USGS

Diese qualitative topografische Karte eines Abschnitts eines Abschnitts der Caineville Badlands zeigt das ausgedehnte Entwässerungsnetz in der ariden Umgebung. In Bezug auf Montgomery und Dietrichs Definition der elementaren Teile eines Einzugsgebietes,^[3] der Sourcebereich für jeden der Kanäle ist relativ sehr klein, was zur Bildung einer großen Anzahl von Kanälen führt. Das Bild der Caineville Badlands zeigt den Mangel an Vegetation und zahlreiche Kanäle. Die Caineville Badlands liegen in einer trockenen Umgebung und erhalten durchschnittlich 125 mm Niederschlag pro Jahr.^[13] Dieser niedrige Niederschlag steht im Gegensatz zu Montgomery und Dietrichs Gleichung der Entwässerungsdichte, die vorhersagt, dass die Entwässerungsdichte bei geringen Niederschlägen niedrig sein sollte.^[3] Dieses Verhalten stimmt eher mit Langbeins und Schumms Darstellung der Erosionsrate als Funktion des Niederschlags überein.^[12] Der Gleichung zufolge wird die Erosion mit dem Niederschlag bis zu einem Punkt zunehmen, an dem der Niederschlag die Stabilisierung der Vegetation unterstützen kann. Das Fehlen von Vegetation im Bild der Caineville Badlands deutet darauf hin, dass die Niederschlagsrate dieser Region unter der kritischen Niederschlagsmenge liegt, die die Vegetation unterstützen kann.

Verweise[edit]

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Externe Links[edit]

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Kehrwert der Drainagedichte als physikalische Größe[edit]

Elementare Bestandteile von Entwässerungsbecken[edit]

Bezug zum Wasserhaushalt[edit]

Bezug zu Ganglinien[edit]

Formel für Drainagedichte[edit]

Montgomery und Dietrich (1989)[edit]

Verhältnis zum mittleren Jahreshochwasser[edit]

Einfluss der Vegetation auf die Drainagedichte[edit]

Bezug zur Hochwasserganglinie[edit]

Einfluss des Klimawandels auf die Entwässerungsdichte[edit]

Die Caineville Badlands[edit]

Verweise[edit]

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