Kurzfassung Im ersten Teil dieser Arbeit wurde versucht, die wichtigsten Abflussbildungsprozesse im Gebiet des Dürreychbaches (Nördlicher Buntsandstein­Schwarzwald) in ihrer raum­zeitlichen Dynamik zu erfassen: Die Quellen des Gebietes stellen den gesamten Basisabfluss des Gebietes. Eine direkte Kopplung von Quell­ und Bachabfluss konnte nicht nachgewiesen werden. Nur für extreme Ereignisse ( > HQ1) und hohe Grundwasserstände konnte im Unterlauf des Dürreychbaches ein nennenswerter Beitrag tieferen Grundwassers nachgewiesen werden. In allen sonstigen Fällen muss angenommen werden, dass dem Einzugsgebiet große Mengen an Grundwasser (ca. 400 mm a ­1 ) verloren gehen, eine geschlossene Wasserbilanz für den Pegel am Gebietsauslass ist somit nicht möglich. Abfluss aus der Bachaue und bachnahen Wegeflächen (Sättigungsflächenabfluss und Horton'scher Oberflächenabfluss) stellt die schnellsten Abflusskomponenten bereit. Mit maximal 1.2 % beitragender Fläche ist der Abfluss aus der Bachaue jedoch nur bei trocknen Vorbedingungen die dominierende Abflusskomponente. Sehr schnell abflussaktiv werden die gut drainierten Flächen der Hochlagen. Sie stellen für mittlere Feuchtebedingungen den Hauptanteil (50­80 %) des Abflusses am Gebietsauslass (überwiegend Sättigungsflächenabfluss). Wegen des hohen Gehaltes an DOC (braune Farbe, Schaumbildung) ist dieser Beitrag auch optisch leicht zu identifizieren. Mit zunehmender Ereignisdauer dehnen sich die abflussaktiven Flächen stark aus, auch die weniger gut ans Drainagenetz angekoppelten Plateauflächen werden abflusswirksam. Mit zunehmender Ereignisdauer kommt es auch auf den Hängen infolge einer durch Ortsteinbildung gehemmten Tiefenversickerung zu einer Zunahme der schnellen Interflowanteile. Vor allem an Hangknicken und Wegeanschnitten wird dieser Fliessvorgang im sehr makroporösen Oberboden sichtbar ("Pipe Flow"). Zunehmende Ereignisdauer und auch hohe Intensitäten verstärken den Interflowanteil am Gesamtabfluss immer mehr. Der Anteil des Abflusses von den Hochlagen sinkt hingegen. Während der Abfluss von den Hochlagen nach Ereignisende relativ schnell versiegt, bleibt die Neigung der Hänge zur Bildung von schnellem Interflow noch einige Zeit erhalten. Relativ langsamer Interflow oberhalb der Ortsteinschicht hält die hohe Sättigung der Böden aufrecht. Deutlich wurde die hohe Infiltrationsleistung der Waldböden der Hänge. Eine Abflussreaktion auf den Hängen ist deshalb nur bei sehr feuchten Vorbedingungen oder extremeren Ereignissen zu erwarten. Die Abflussbereitschaft der Hänge korrelierte sehr gut mit den Messungen in 23 und 7 cm Tiefe an einem Bodenprofil in steiler Hanglage. Dieser Standort darf somit als repräsentativ für Standorte mit schnellem Interflow angesehen werden. Auch für die Sättigungsflächen der Hochlagen existiert ein Schwellenwert, jenseits dessen Abfluss einsetzt. Vorher infiltriert aller Niederschlag. Mittels TDR­Sonden gemessene Sättigung in 20 cm Tiefe in einer Sättigungsfläche der Hochlagen korrelierte sehr gut mit dem Einsetzen von Abfluss aus diesem Einzugsgebiet. Die gute Drainage der Hochlagen führt zu einer schnellen Bereitstellung von Bodenwasser. Isotopenmessungen und der gleichmäßig hohe Gehalt an DOC ließen den Schluss zu, dass es sich dabei größtenteils um Vorereigniswasser handelt, das bei der Abflussbildung eine intensive Mischung mit dem Ereigniswasser erfährt. Das Speichervermögen dieser Flächen ist ebenfalls beträchtlich. Standorte ohne eine infiltrationshemmende Stauschicht im Unterboden zeigen durch das allgemein sehr sandige und stark makroporöse Substrat extrem hohe Infiltrationsraten. Einzig größere Mengen an Hangzuschusswasser (auch als Return Flow an Hangknicken) führen auch hier zeitweilig zu oberflächlichem Abfluss. Extrem feuchte Gebietszustände ziehen dann auch größere Erosionsvorgänge nach sich. Neben starker Subrosion (Ausspülung des Oberbodens) wurde auch Rinnenbildung in Tiefenlinien oder auf Rückegassen und eine Abspülung von Wegeschotter beobachtet. Im Zusammenhang mit dem HHQ vom 28./29.10.1998 kam es auch zu kleineren Erdrutschen und einer vollständigen Umgestaltung des Hauptgerinnes. Dabei wurde große Mengen an Steinen und Blöcken umgelagert. Auch ein vor 150 Jahren angelegter Weg wurde zerstört. Diese Vorgänge sind jedoch als äußerst selten zu betrachten, für Ereignisse < HQ5 ist das Gerinne in jedem Falle als stabil anzusehen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden drei Simulationsmodelle mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad eingesetzt, um ihre prinzipielle Eignung für die Simulation der beobachteten Prozesse zu ermitteln: Gerade bei den schnellen Prozessen (Sättigungsflächenabfluss und schneller Interflow) hatten die beiden mehr konzeptionellen Ansätze große Schwächen. Dies lag zum einen an der zeitlichen Auflösung (eines der Modelle rechnete in Tageszeitschritten), aber auch am zugrunde liegenden Konzept, das es entweder nicht erlaubte, einen echten Raumbezug herzustellen (räumliche Auflösung zu grob) oder aber die notwendigen Prozesse gar nicht erst enthielt (z.B. Interflow auf Hängen infolge Schichtung). Als sehr unbefriedigend erwies sich der TOPMODEL­Ansatz nach BEVEN & KIRKBY (1979), da hier weder die räumliche Lage der Indexwerte zum eigentlichen Abflussgeschehen passte noch Sättigungsflächenabfluss unabhängig vom Grundwasserstand simulierbar war. Als sehr flexibel erwies sich hingegen ein mehr physikalisch­begründeter Ansatz, da hier Prozess­ und Modellskale besser zusammenpassten. So ließ sich ein Zusammenhang von beobachteten Vorgängen und Simulationsergebnis herstellen. Allerdings wären hier noch umfangreiche Parameterstudien notwendig gewesen, um befriedigende Simulationsergebnisse zu erreichen. Denn es zeigte sich eine sehr große Abhängigkeit der Ergebnisse von der räumlichen Diskretisierung (v.a. Länge und Breite der einzelnen Hangelemente und Berechnungsknotenabstand). Auch fehlte diesem Modell ein geeigneter Grundwasserteil. Erst eine detaillierte Prozesskenntnis setzt den Modellierer in die Lage, die Ergebnisse eines Simulationsmodells zu bewerten. Allerdings geht mit zunehmenden Abstraktionsgrad des Modellkonzeptes der konkrete räumliche Bezug verloren. Die Verwendung von Punktmessungen, Tracerdaten oder Prozessbeobachtungen zur Modellkalibrierung tritt damit in den Hintergrund. Der Übergang von einer echten Verhaltenserklärung (durch "physikalisch­basierte" Modelle) zur einer reinen Verhaltensnachahmung ("black box"­Ansätze) ist jedoch wegen der hohen Komplexität natürlicher Systeme insbesondere für den operationellen Einsatz unumgänglich. Hier muss jedoch darauf geachtet werden, solche Modelle niemals zu Prognosezwecken (Extrapolation) einzusetzen. Abstract The first part of this work deals with the most important runoff generation processes and their spatial and temporal distribution in the study area, the catchment of the Duerreychbach, Northern Black Forest, Germany: The perennial springs generate the entire base flow in the study area. A direct interaction of base flow and surface runoff could not be proven. Only for extreme events ( > HQ1) and high ground water levels a substantial contribution of deep ground water to runoff could be measured in the lower part of the catchment. The calculation of a closed water balance for the catchment outlet is not possible: Large amounts of groundwater (approx. 400 mm a ­1 ) are exported. Runoff from the alluvial plain and the tracks near the stream (saturation excess flow and Hortonian overland flow) are the fastest runoff components. But, with a maximum contributing area of 1.2%, runoff generated in the alluvial plain dominates the hydrograph only for dry pre­event conditions. The well drained plateau area shows a fast runoff reaction. For medium moisture conditions these contributions dominate the runoff at the catchment outlet (50­80%). Caused by its high DOC concentration (brown colour, scum) water from the plateau areas can be visually detected. With longer event duration the contributing area grows and also areas with lower connectivity to the drainage network start to contribute to runoff. The abundance of iron pans in the hillslope soils (mostly Podsols) reduces the percolation rate of the soils and causes fast interflow in the macroporous humic layer for larger rainfall events. In depressions or where the soil is cut by tracks this flow process ("Pipe Flow") becomes visible. Growing event duration and high intensities rises the portion of interflow within the total runoff at the catchment outlet. However, the portion of runoff from the plateau region decreases. While runoff from the plateau region dries up quite fast, the tendency of interflow generation on the hillslopes remains for a certain time: Relatively slow interflow on top of the iron layer keeps the saturation of the soil high. The infiltration capacity of the upper horizons of the forest soils is very high. Only for very wet pre­event conditions or extreme events a strong reaction of the hillslope can be expected. Runoff production on the hillslope showed a strong correlation to TDR­measurements in depths of 22 and 7 cm in a soil profile on a steep hillslope (Podsol). This location can be seen as representative for areas able to produce fast interflow. A threshold for runoff generation exists also for the saturation areas of the plateau region. Prior to saturation at this location, all rain infiltrates and no runoff is generated. Saturation measured by TDR­probes in 20 cm depth at one location correlates very well with the starting point of runoff at the local gauging station. A dense drainage network delivers soil water very fast. Using isotope and DOC measurements (showing a stable isotope composition and a high and stable DOC­concentration) it could be concluded that (for wet pre­event conditions) the runoff consists mainly of pre­event water which is very well mixed with event­water during the runoff process. But nevertheless the storage capacity (for dry pre­event conditions) of the plateau area is very high. Locations without horizons of low infiltration capacity sometimes show extremely high infiltration rates, caused by its sandy, macroporous soil properties (mostly Cambisols or Cambisols­Podsols). Surface runoff could only be observed in the case that large contributions of hillslope water and return flow in depressions cumulates. For these conditions different erosion processes were active: Besides subrosion (wash out within the upper soil layer) also rill and gully erosion along natural channel structures or tracks was observed. During the largest observed flood (HHQ, 28./29.10.1998) small landslides were generated. The main channel was completely rebuilt. Large amounts of stones and blocks were transported over long distances. A 150 year old track has been destroyed. The structure of the main channel remains stable for events with a recurrence interval of 5 or less years. In the second part of this study three numerical simulation models with a different degree of abstraction were applied to determine their principal suitability for the simulation of the observed processes: Concerning the fast processes (e.g. saturation excess flow and fast interflow) the two conceptual approaches showed disappointing results. On the one hand this was caused by their temporal resolution (one of the models uses daily time steps). But on the other hand this was caused by the underlying concepts which do not allow to maintain a spatial relation between model and reality (spatial resolution too coarse) or which do not reflect the real processes at all (e.g. interflow in hillslope caused by layered soil). Simulations based on the TOPMODEL­approach by BEVEN & KIRKBY (1979) were very disappointing. Neither the spatial distribution of the Index values fitted the observed runoff generation processes nor the simulation of saturation excess flow independently from the local groundwater table was possible. The physically based approach was very flexible. The relation between process and model scale was closer to reality. It was possible to find a strong correlation between observed processes and simulation results. For more satisfying simulation results further parameter studies are necessary. The results depended very much on the spatial discretisation of the model (length and width of the hillslopes; distances between simulation nodes). In addition this simulation model lacks a groundwater part. Only a detailed process knowledge enables the modeller to evaluate simulation results. But an increasing degree of model abstraction results in loss of spatial relation. This makes point measurements, tracer data or process observations less useful for model parameterisation, calibration and evaluation. Because of the high complexity of natural systems the transition from explanation of system behaviour (by "physically based" models) towards a pure behaviour imitation (by ``black box'' approaches) is necessary, especially for the operational application of models. But in this case it must be guaranteed that those models are not used for extrapolation purposes. Stichworte: Hydrologie Hydrologische Prozessforschung Abflussprozesse Abflussbildung Abflussbildungsprozesse Komponententrennung Tracerhydrologie Sättigungsflächenabfluss Interflow N-A-Modelle Hydrologische Simulation