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Niedrigwasser, Index

Untersuchungen zu Niedrigwasserbedingungen können auf ein breites Spektrum von Indikatoren zurückgreifen (PYRCE 2004). Tab.28 bis Tab.30 folgen der Klassifikation von OLDEN & PAFF (2003) mit den folgenden Oberbegriffen: Ausmaß, Häufigkeit und Dauer der Niedrigwasserverhältnisse. Da die meisten Indices auf statistischen Auswertungen beruhen, beziehen sich viele Angaben auf Perzentile. So basiert der Index Q90 auf dem 90. Perzentil, d. h. 90% der Abfluss-Messwerte (z.B. der jährlichen Tagesmittelwerte) befinden sich darunter und 10% befinden sich darüber.

Häufig verwendete Indices sind der Basisabflussindex und Indices der 7Q10-Familie. Beide werden nachfolgend detaillierter betrachtet.

Tab.28: Ausmaß der Niedrigwasserbedingungen

Index [Einheit]
Anmerkung
Quellen
Monatliches Abflussminimum [m3/s]
Minimaler Abflusswert im Monat
WOOD et al. (2000)
Jährliches Abflussminimum [m3/s]
Quotient aus dem Mittelwert der niedrigsten Tageswerte eines Jahres und dem Median der durchschnittlichen Tagesabflusswerte aller Jahre
WOOD et al. (2000)
Jährliches Abflussminimum [m3/s]
Quotient aus dem Median der niedrigsten Tageswerte eines Jahres und dem Median der durchschnittlichen Tagesabflusswerte aller Jahre
CLAUSEN et al. (2000)
Jährliche minimale Abflussspende [m3/s*km2]
Quotient aus dem mittleren jährlichen Abflussminimum und der Einzugsgebietsgröße
CLAUSEN et al. (2000)
Niedrigwasser Index [-]
Quotient aus dem Mittelwert der niedrigsten Tagesabflüsse eines Jahres und dem Mittel-wert des durchschnittlichen Tagesabflusswertes aller Jahre
POFF & WARD (1989)
Basisabflussindex [-]
Quotient aus der Basisabflussmenge und der Gesamtabflussmenge
CLAUSEN et al. (2000)
Basisabflussindex [-]
Quotient aus der niedrigsten Sieben-Tage-Abflussmenge und dem Mittelwert der durchschnittlichen Tagesabflusswerte aller Jahre
RICHTER et al. (1998)
Basisabflussindex [-]
Mittelwert des Quotienten aus dem niedrigsten Tagesabfluss eines Jahres zum mittleren jährlichen Tagesabfluss (*100), gemittelt über alle Jahre
POFF (1996)

Tab.29: Häufigkeit der Niedrigwasserbedingungen

Index [Einheit]
Anmerkung
Quellen
Niedrigwasser Impulszählung [y/r]
Anzahl jährlicher Ereignisse, bei denen der Abfluss unter einem definierten Schwellenwert bleibt
RICHTER et al. (1996)
Häufigkeit von Niedrig-wasser Perioden [y/r]
Quotient aus Gesamtzahl der Niedrigwasser-Perioden (Schwellenwert: 5% der mittleren Tagesabflussmenge) und der Zeitreihenlänge
HUGHES & JAMES (1989)

Tab.30: Dauer der Niedrigwasserbedingungen

Index [Einheit]
Anmerkung
Quellen
Minimum der Tagesabflussmenge eines Jahres [m3/s]
Umfang des Abflussminimums eines Jahres bezogen auf die Dauer von 1, 3, 7, 30 und 90 Tagen
RICHTER et al. (1996)
Mittelwert der täglichen Minimalabflüsse [-]
Quotient des Mittelwertes der Minimalabflüsse für 1, 7 bzw. 30 Tage eines Jahres und dem Median der Abflussmenge
CLAUSEN et al. (2000)
NM7Q [m3/s]
Das niedrigste arithmetische Mittel des Abflusses an sieben aufeinanderfolgenden Tagen
GÖRGEN et al. (2010)
Unterschreitungs-wahrscheinlichkeit [-]
Quotient der mittleren Dauer von Abflüssen, die das 70iger und 90iger Perzentil der Werte überschreiten und dem Q50 über alle Jahre (Q75/Q50, Q90/Q50)
CLAUSEN et al. (2000), CLAUSEN & BIGGS (1997)
Dauer von Niedrig-wasserbedingungen [d]
Mittlere Dauer des Auftretens von Niedrigwasser
RICHTER et al. (1996)
Anzahl der Tage ohne Abfluss [y/r]
Mittelwert der Tage ohne Abfluss pro Jahr
RICHTER et al. (1997), POFF (1996), POFF & WARD (1989),
Prozent der Monate ohne Abfluss [%]
Prozent der Monate ohne Abfluss
PUCKRIDGE et al. (1998)
FDC_Q90
niedriger Abfluss, der in 90% der Zeit des Bezugszeitraumes überschritten wird
GÖRGEN et al. (2010)
Q95
Häufig verwendeter Index zur Beschreibung von Niedrigwasserbedingungen
THARME (2003), SMAKHTIN (2001), BRILLY et al. (1997), RIGGS et al. (1980)
Q95
Beurteilung von Grenzwerten, bezogen auf Wasserentnahmen bzw. -einleitungen
SMAKHTIN & TOULOUSE (1998), HIGGS & PETTS (1988),
Q90
Häufig verwendeter Index zur Beschreibung von Niedrigwasserbedingungen
SMAKHTIN (2001), SMAKHTIN et al. (1995)
Q90
Schwellenwert zur Warnung vor kritischen Wasserständen
RIVERA-RAMIREZ et al. (2002)
Monatlicher Q50
Zur Planung und Verwaltung von Wasserressourcen
RIES & FRIESZ (2000), RIES (1997)
Monatlicher Q50
Zur Empfehlung saisonaler Mindestwerte für Flüsse, die zur Wasserkrafterzeugung genutzt werden
METCALFE et al. (2003)

Basisabfluss, Index

Der Basisabfluss-Index (base flow index, BFI) wird als Maß zur Beschreibung der Fließeigenschaften in einem Einzugsgebiet verwendet. Er bietet die Möglichkeit, den Anteil des Basisabflusses im Gesamtabfluss zu ermitteln (vgl. Abflussganglinie), weshalb er häufig für Niedrigwasserstudien herangezogen wird (WMO 2008). Es existieren verschiedene Ansätze, um den Basisabfluss zu berechnen.

Siehe "Abflussganglinie"

7Q10-Index

Der 7Q10-Index ist ein häufig eingesetzter Index. Er wurde ursprünglich verwendet, um einen Schwellenwert für Abwassereinleitungen festlegen zu können (DIAMOND et al. 1994, RIGGS et al. 1980, CARTER & PUTNAM 1978). Heute wird er aber auch generell zum Schutz aquatischer Systeme eingesetzt (U.S EPA 1999). Der Index basiert auf der Betrachtung der niedrigsten Abflusswerte, die an 7 aufeinander folgenden Tagen mit einer 10-jährigen Wiederkehrrate auftreten (SINGH 1974). Je nach Fragestellung wurde der Index auch für andere Wiederkehrraten abgewandelt (z. B. 7Q1, 7Q2, 7Q5, 7Q20 und 7Q25).

Tab.31: Abwandlungen des 7Q10-Index für 7 aufeinander folgende Tage

7Q-Index
Anmerkung
Quelle
7Q1
Trockenwetterabfluss
SMAKHTIN (2001)
7Q1
Wird für die Vergabe von Entnahmerechten verwendet
SMAKHTIN (2001), SMAKHTIN & TOULOUSE (1998)
7Q2
Häufig verwendeter Index
SMAKHTIN (2001), SMAKHTIN & TOULOUSE (1998)
7Q2
Aufrechterhaltung eines Minimalabflusses. Repräsentiert eine Periode des Wasserstresses, die eine gewisse Reduktion der Population bewirkt
ONTARIO MINISTRY OF NATURAL RESOURCES (1994)
7Q2
Index zur Genehmigung einer Abwassereinleitung
TORTORELLI (2002)
7Q5
Kritische Niedrigwassermenge bezogen auf die Wasserqualität in der Fischzucht
SOUTH DAKOTA DEPARTMENT OF ENVIRON-MENT AND NATURAL RESOURCES (1998)
7Q20
Index für die Mindestabflussmenge, die benötigt wird, um ein Ökosystem aufrechtzuerhalten
ONTARIO MINISTRY OF NATURAL RESOURCES ET AL. (2003)
7Q20
Limitierender Faktor für die Abwassereinleitung in einen Vorfluter
ONTARIO MINISTRY OF THE ENVIRONMENT (2000)
7Q25
Index zur Beschreibung der kritischen Niedrigwasserbedingungen für hochwertige Fischereigewässer
SOUTH DAKOTA DEPARTMENT OF ENVIRON-MENT AND NATURAL RESOURCES (1998)

Andere Niedrigwasser-Indices

Tab.32: Abwandlungen des 7Q10-Index für unterschiedliche Zeiträume

7Q-Index
Nutzung
Quelle
30Q10
Dimensionierung der Schmutzfracht-einleitung, Aufrechterhaltung der Wasserqualität
U.S EPA (1999), OHIO EPA DIVISION OF SURFACE WATER (1997)
30Q10
Schutz von Trinkwasserressourcen vor Belastung
NEW YORK STATE DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL CONSERVATION (1996)
4Q3
Zuweisung der Schmutzfracht von Punktquellen, Kriterien für aquatisches Leben
MINNESOTA OFFICE OF THE REVISOR OF STATUTES (2004)
4Q3
Ausarbeitung einer täglichen Gesamtbelastung durch verschiedene Wasserinhaltsstoffe
WALTEMEYER (2002)
90Q10
Kriterium für die Umweltbelastung von Fließgewässern
MINNESOTA OFFICE OF THE REVISOR OF STATUTES (2004), MICHIGAN DEPART-MENT OF ENVIRONMENTAL QUALITY (2002)
1Q10
Maximumkriterium für Schmutzfracht-zuweisungen
MINNESOTA OFFICE OF THE REVISOR OF STATUTES (2004), OHIO EPA DIVISION OF SURFACE WATER (1997)
30Q5
Berechnung der stetigen Gesundheitsbelastung für Menschen durch Schmutzfracht
VIRGINIA DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL QUALITY (2004)
Harmonisches Mittel der Abflussmenge
Abschätzung der Auswirkungen von verschmutztem Grundwasser
MINNESOTA OFFICE OF THE REVISOR OF STATUTES (2004), SCHREFFLER (1998)
3Q20
Bestimmung der zulässigen Abwassermenge, die über die Flüsse des amerikanischen Bundesstaates Tennessee entsorgt werden darf
BINGHAM (1986)
Bingham, R.H. (1986): Regionalization of low-flow characteristics of Tennessee streams. - U.S. Geological Survey Water Resources Investigations Report No.85-4191, 88p. Brilly, M., Kobold & M., & Vidmar, A. (1997): Water information management system and low flow analysis in Slovenia. FRIEND '97 - Regional Hydrology: concepts and models for sustainable water resource management. – Proc. Int. Conf., 246: 117-124. Carter, R. F. & Putnam, S. A. (1978): Low flow frequency of Georgia streams. - U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report No.77-127, 104p. Clausen, B. & Biggs, B. J. F. (1997): Relationships between benthic biota and hydrological indices in New Zealand streams. - Freshwater Biology, 38: 327-342. Clausen, B., Iversen, H. L., & Ovensen, N. B. (2000): Ecological flow indices for Danish streams. - In: Nilsson, T. (ed), Nordic Hydrology Conference, Uppsala, Sweden, p. 3-10. Diamond, J. M., Hall, J. C., Pattie, D. M. & Gruber, D. 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