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Modellierung der Bodenerosion

Einleitung

Infolge einer Vielzahl an Arbeiten zum Thema Bodenerosion existieren diverse Definitionen für dieses Phänomen. Für die vorliegende Untersuchung soll folgende Definition für Bodenerosion gelten (BORK 1988, S. 2):
Bodenerosion sind "die durch Eingriffe des Menschen ermöglichten und durch erosive Niederschläge oder den Wind ausgelösten Prozesse der Ablösung, des Transportes und der Ablagerung von Bodenpartikeln - losgelöst von der Problematik der rein natürlichen Abtragung ohne anthropogenen Einfluß".

Im Vordergrund dieser Arbeit stehen die aquatischen, d.h. die durch den Niederschlag und das fließende Wasser ausgelösten Bodenerosionsprozesse. Wird in den folgenden Kapiteln von Bodenerosion gesprochen, so wird der Begriff synonym für Bodenerosion durch Wasser verwandt. Sofern Winderosionsprozesse und -ereignisse Gegenstand der Betrachtung sind, wird dies explizit bemerkt.
Schäden, die durch Bodenerosion entstehen, können sowohl bei der Wassererosion als auch bei der Winderosion in Onsite- und Offsite-Schäden differenziert werden (AUERSWALD 1991, FRIELINGHAUS 1995). Unter Onsite-Schäden versteht man die negativen Folgeerscheinungen, die sich auf das betroffene Feld beschränken (z.B. Minderung der Ertragsfähigkeit, Verlagerung von Düngemittel und Pestizide innerhalb des Feldes, Freispülung von Keimlingen im Erosionsbereich, Bedeckung der Pflanzen mit Bodenmaterial im Akkumulationsbereich). Bei Offsite-Schäden sind diejenigen gemeint, die über das Feld hinaus wirken bzw. bemerkt werden (z.B. Eutrophierung von Gewässern durch eingetragene Nährstoffe, Verunreinigung von Wegen und Straßen).
Der erosive Abtrag von phosphathaltigem (Ober-)Bodenmaterial ist eine überaus wichtige Größe bei der quantitativen Bestimmung des Phosphathaushaltes von Einzugsgebieten. Durch jahrzehntelange Düngung der landwirtschaftlich genutzten Flächen ist insbesondere der Oberboden stark mit Phosphat angereichert. Durch die bereits geschilderten Prozesse der spezifischen und unspezifischen Adsorption, Fällung und biogenen Aufnahme wird Phosphat in einem für die Hauptnährstoffe besonders großen Umfang immobilisiert. Dies führt zu einer geringen Auswaschung in tiefere Bodenhorizonte oder in das Grundwasser. Phosphate können nun mit dem abgetragenen Bodenmaterial verfrachtet werden und die Oberflächengewässer belasten.
Mit einem geeigneten Modell zur Bodenabtragsbestimmung soll eine Methode entwickelt bzw. adaptiert werden, um diesen Eintragpfad erfassen zu können. Für die dieser Arbeit zugrundeliegende Fragestellung sollte das Modell schlag- bzw. hangbezogen, zeitlich hoch auflösend und dynamisch die Bodenerosion und den daran gekoppelten Stoffaustrag aus den terrestrischen Ökosystemen beschreiben. In diesem Kapitel wird dargestellt, daß eine adäquate Modellierung infolge des notwendigen Parametrisierungsaufwandes nicht möglich ist. BORK (1991) fordert ein Verfahren, das eine komplexe Analyse der Erosion mit exakten Prognosen ermöglicht, zugleich auf eine physikalische Prozeßbeschreibung zurückgreift und in einem übertragbaren, dynamischen, deterministisch-numerischen Modell realisiert wird. Dieses Vorhaben ist bis heute nicht verwirklicht. Bisher steht einer breiten Anwendbarkeit prozeßorientierter Modelle ihr hoher Informationsbedarf und somit Parametrisierungsaufwand im Weg.


Determinierende Faktoren der Bodenerosion

Die Bodenerosion ist von mehreren Faktoren abhängig. Die wichtigsten Parameter für ein adäquates Erosionsmodell sind zunächst (BORK 1988, SCHEFFER & SCHACHTSCHABEL 1989):
  1. Energie des Regens
  2. Bodeneigenschaften
  3. Hangneigung
  4. Hanglänge
  5. Bodenbedeckung
  6. Bodenbearbeitung
  7. Rauhigkeit der Oberfläche, Mikrorelief

BORK (1988) benennt darüber hinaus, welche Bodeneigenschaften die Stabilität und somit die Erodierbarkeit des Bodens sowie den Anteil des Niederschlags, der oberflächlich abfließt, maßgeblich steuern:
  1. Korngrößenzusammensetzung
  2. Kationenaustauschkapazität
  3. Gehalt an organischer Substanz
  4. mikrobielle Aktivität
  5. Größe der Bodenaggregate
  6. Grobporenvolumen der Aggregate
  7. Kontinuität der Aggregatporen
  8. Wasserspannung in den Aggregaten

Aus dieser Übersicht wird deutlich, daß eine detaillierte, differenzierte und möglichst genaue Vorausschätzung der Bodenerosion für große Räume nicht ohne weiteres möglich ist. Die Datenerhebung für eine derartige Erosionsmodellierung wäre nur sehr zeit-, arbeits- und kostenintensiv durchzuführen. Die Übertragbarkeit der Laboranalysen auf repräsentative Bodeneinheiten ist ein weiteres Problem. Für mesoskalige Einzugsgebietsmodellierung, wie sie hier vorgesehen ist, ist eine derart aufwendige Vorausschätzung nicht realisierbar.

Wissenschaftliche Arbeiten zur Bodenerosion in Schleswig-Holstein


Die Anzahl an Veröffentlichungen zum Thema Bodenerosion durch Wasser im schleswig-holsteinischen Jungmoränengebiet ist verhältnismäßig gering. WETZEL (1940) beschreibt beobachtete Erosionsschäden aus dem Westenseegebiet bei Kiel. Lokale Geländeuntersuchungen von HASSENPFLUG (1971) und Beregnungsversuche von YÜKSEL (1977) sind Beiträge zur meßmethodischen Erfassung der Bodenerosion durch Wasser. Die Hangstabilität im Jungmoränengebiet im Raum Bordesholm wurde von FRÄNZLE (1982) untersucht. Dabei wird die Reliefentwicklung seit dem Hochglazial in Stadien unterschiedlicher Intensität differenziert. Mit Abtragsraten von 3 cm/100 a im Mittel durch Abspülung und Abpflügen wird in den letzten beiden Jahrhunderten ein zweites Stabilitätsminimum erreicht. Der Gesamteinschätzungen zur Erosionsgefährdung finden sich in RICHTER (1965) und LAMP (1985). Unter Berücksichtigung verschiedener erosionsrelevanter Informationsebenen erstellte HEMPEL (1963) eine Bodenerosionskarte im Maßstab 1:500000 für ganz Nordwestdeutschland. Zusätzlich findet sich hier eine Detailkartierung im Maßstab 1:25000 des Blattes Bad Segeberg. Im Schwerpunktraum der "Ökosystemforschung Bornhöveder Seenkette" wurde von SCHLEUSS (1992) anhand der Kolluvienmächtigkeit die Erosionsintensität abgeschätzt. Auf einer Fläche von 53 ha sind demnach 25750 t Bodenmaterial durch Erosion verlagert worden. Der Einsatz von Bodenerosionsmodellen erfolgte von JELINEK (1995) für vier Hänge am Belauer See. Die Erosivität der Niederschläge in Schleswig-Holstein wurde von NAUNIN (1990) ermittelt und in den R-Faktor des USLE-Modells umgerechnet; diese Arbeiten konnte SAUERBORN (1994) ergänzen und zur Erstellung einer Isoerodentkarte von Schleswig-Holstein nutzen.
Die Autoren sind sich einig, daß nennenswerte Abträge durch Wasser nur im Jungmoränengebiet zur erwarten sind. Hier ist die Reliefenergie am höchsten bei mäßig erosionsgefährdeten Bodenformen. Winderosionsprozesse und -ereignisse sind in der Niederen Geest und z.T. in der Hohen Geest zu erwarten. Vorteilhaft für Schleswig-Holstein wirkt sich das Knicknetz als hangverkürzendes und windgeschwindigkeitserniedrigendes Element aus.
LAMP (1985) schätzt mit Hilfe der ABAG die mittlere Abtragsrate durch Wassererosion im ostholsteinischen Jungmoränengebiet auf 0.5-2 t/ha*a. Diese Beträge werden wahrscheinlich um das Doppelte durch Beträge der Pflugerosion überlagert. LAMP (1985) bedauert zugleich, daß es in Schleswig-Holstein an Messungen zur Verifizierung der Schätzwerte fehlt.

Übersicht über einige Bodenerosionsmodelle

Bodenerosionsmodelle können zumeist in drei Klassen eingeteilt werden:
  1. empirisch-mathematische,
  2. physikalisch-deterministische, die BORK (1988) in deterministisch-analytische und dynamisch, deterministisch-numerische Modelle trennt und
  3. stochastische Modelle.

Aus der inzwischen großen Anzahl existierender Modelle wird in diesem Kapitel nur eine kleine Auswahl vorgestellt. Das empirische Bodenerosionsmodell USLE und ihre Modifikationen sind Grundlage der Bodenerosionsberechnung dieser Untersuchung. Die modelltechnische Weiterentwicklung wird durch CREAMS verdeutlicht, einem physikalisch begründeten Modellansatz mit einigen empirischen Komponenten. OPUS kann als physikalisch-deterministisches Modellkonzept zwar genaue, ereignisbezogene und übertragbare Ergebnisse liefern, ist durch den erforderlichen Parametrisierungsaufwand jedoch nicht praxisorientiert. Das physikalische Erosionsmodell EROSION-2D wird kurz skizziert, weil es im Forschungsvorhaben "Ökosystemforschung im Bereich der Bornhöveder Seenkette" bereits exemplarisch erprobt wurde (JELINEK 1995). Eine Übersicht über die Vielzahl an Bodenerosionsmodellen liefern GHADIRI & ROSE (1992), HATZFELD & WERNER (1989) oder BORK (1988).

USLE - ABAG

Langjährige Messungen des Bodenabtrags wurden in den USA für die Ermittlung einer Erosionsabtragsgleichung genutzt: die Universal Soil Loss Equation (USLE) (WISCHMEIER & SMITH 1965). Sie entstand auf der Grundlage erster empirischer Modellansätze der 30er und 40er Jahre in den USA (ZINGG 1940), in dem 1954 gegründeten National Runoff and Soil Loss Data Center. In den Folgejahren wurde diese Funktion wiederholt verändert (WISCHMEIER & SMITH 1978). Auf Meßparzellen wurde über mehrere Jahre der Bodenabtrag gemessen. Nach einer Korrelationsanalyse wählte man 6 Parameter aus, die den Abtrag hinreichend genau beschrieben. Das USLE-Modell verknüpft diese Parameterin einer Gleichung. Sie besteht aus folgenden multiplikativ miteinander verknüpften Faktoren:
A = R*K*L*S*C*P (7-1)
Die Gleichung besagt, daß der langfristige jährliche Bodenabtrag A eine Funktion der empirisch ermittelten Faktoren R, K, L, S, C und P sei.
Die Faktoren der USLE: Der L-Faktor und der S-Faktor bilden gemeinsam den Topographiefaktor LS.

Zu beachten ist, daß die Gleichung den mittleren, langjährigen Bodenabtrag berechnet. Die Abträge einzelner Jahre oder Regenereignisse können daher deutlich abweichen. Zur Bestimmung der Abträge von Einzelereignissen sollten andere Erosionsmodelle zum Einsatz kommen.
Bei der Anwendung der USLE müssen einige Bedingungen beachtet werden, auf die WISCHMEIER (1976) noch einmal ausdrücklich hingewiesen hat:
  1. Wird das Modell außerhalb der geographischen Gebiete eingesetzt, für die die Faktoren determiniert wurden, ist es notwendig, das Modell an die spezifische Situation anzupassen.
  2. Ein komplexes Einzugsgebiet muß in homogene Bereiche eingeteilt werden. Die Mittelwertbildung der Eingabeparameter führt zu unkorrekten Ergebnissen.
  3. Die USLE berücksichtigt keine zeitlich veränderbaren Zustände während eines Ereignisses (z.B. Änderung der Bodenfeuchte und dadurch veränderte Scherfestigkeit des Bodens).
  4. Die USLE gilt nur für den Hangbereich zwischen im Mittel einsetzender Erosion und beginnender Akkumulation bzw. Eintritt in den Vorfluter (hier: "erosive Hanglänge").
  5. Die USLE wurde für (horizontal) gerade Hänge entwickelt. Konkave oder konvexe Hänge müssen in Gefällerichtung in Hangabschnitte annähender Gleichförmigkeit bezüglich ihrer Hanglänge und Hangneigung eingeteilt werden.

Modifikationen der USLE
Aufgrund des empirischen Charakters des USLE-Modells war für den Einsatz in Deutschland eine Anpassung an deutsche (bayerische) Verhältnisse notwendig (SCHWERTMANN et al. 1987). In der entwickelten Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG) wurden die regional variablen Eingangsparameter unter deutschen Boden-, Klima-, und Anbaubedingungen bestimmt. Das Modell kann als hinreichend validiert gelten und sollte auch in Norddeutschland gute Ergebnisse liefern.
Durch Kombination der ABAG mit einem GIS (ARC/INFO) konnten Erosionswerte für Einzugsgebiete mit differenziertem Relief errechnet werden. Dieses Modell wird differenzierte Allgemeine Bodenabtragsgleichung (dABAG) genannt (AUERSWALD et al. 1988, FLACKE et al. 1990). Das durch ein Digitales Höhenmodell (kurz: DHM) beschriebene Relief wird durch Triangulation in Dreiecke vermascht. Die Hangneigung und Exposition wird ermittelt und für eine Kaskadierung genutzt. So können Einzelflächen hinsichtlich ihres Reliefs untergliedert und entsprechend ihrer topologischen Situation vernetzt sein.
In Braunschweig wurde das Konzept der MUSLE87 entwickelt (BORK 1988, HENSEL & BORK 1988, HENSEL 1991). Die Modifikation zur USLE besteht darin, daß die Mängel der USLE, keine Akkumulation und keine Bodenerosion für Einzugsgebiete zu berechnen, im MUSLE87-Modell behoben werden. Erosions- und Akkumulationsmengen können für Kartenblätter berechnet werden. Die räumliche Bezugsgröße ist die Rastergröße des Digitalen Höhenmodells. Basisdaten mit einer anderen räumlichen Diskretisierung (Boden- und Flächendaten) werden durch Überlagerung mit dem Rastergitter, der sog. "Flächenverschneidung", gerastert. Für jedes Rastereinzugsgebiet werden gewichtete Mittelwerte verwendet, um den Bodenabtrag zu berechnen. Die Erosions- und Akkumulationsbilanz erfolgt durch Differenzbildung. Dabei werden die Erosionswerte eines betrachteten Rastereinzugsgebiet als Akkumulationswerte des topologisch dahintergeschalteten Rasters angenommen. Für dieses Raster werden alle Faktoren der USLE neu berechnet und für das Rastereinzugsgebietes gewichtet. Durch Differenzbildung zwischen beiden Rastern können Erosions- und Akkumulationsbereiche differenziert werden.

CREAMS

CREAMS (a field scale Chemicals, Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems) beschreibt im Gegensatz zur USLE die fundamentalen Umlagerungsprozesse von Bodenpartikeln: den Abtrag, den Transport und die Akkumulation (KNISEL 1980). Es ist ein modular aufgebautes deterministisch-analytisches Modell mit empirischen Komponenten (BORK 1988). Es liegt im Projektzentrum als Version 1.8 vor.
Die drei Module des Modells, die sequentiell abgearbeitet werden, beschreiben feldbezogen die Hydrologie, die Erosion und den daran gekoppelten Nährstoff- und Pestizidtransport.
Das Hydrologiemodul simuliert die Evapotranspiration, die Infiltration und die Bodenwasserbewegung. Die Ergebnisse werden als Eingangsdaten für das Erosionsmodul genutzt. Dort findet die Berechnung von Abtrag und Sedimentation bei flächenhaften und linienhaften Erosionsformen anhand von teilweise empirischen Gleichungen statt. Das Chemikalienmodul schätzt die an den Bodenabtrag gekoppelte Verlagerung von Nährstoffen (Stickstoff und Phosphat) und Pestiziden ab. Für die Berechnung des Phosphataustrags werden die Parameter P-Gehalt im Oberboden, Düngermenge, Düngerzeitpunkt und Effektivität der Düngerbearbeitung benötigt.
Die zeitliche Auflösung von Einzelereignissen bis hin zu Einzeljahren ist allerdings günstig für eine Detailstudie der Erosion und des Stofftransportes. Die räumliche Einschränkung des Modells auf einzelne Hänge und die fehlende Möglichekeit der GIS-Kopplung lassen einen einzugsgebietsbezogenen Einsatz nicht zu.

OPUS

Als Weiterentwicklung von CREAMS konzipiert, weist OPUS (An Advanced Simulation Model for Non-Point Source Pollution Transport at the Field Scale) allerdings kaum noch Gemeinsamkeiten mit diesem Modell auf. Aus diesem Grund wurde auch der geplante Name CREAMS2 verworfen. Als physikalisch-deterministisches Modell beruhen die meisten Berechnungsgleichungen auf gegenwärtig bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die die Übertragbarkeit des Modells erhöhen (BORK 1988). Die modulare Konzeption mit starker Vernetzung der Teilmodelle ermöglicht eine teilweise dynamische Modellierung, die in keinem anderen Modell zu finden ist. So kann die Veränderung des Mikroreliefs durch Erosion und Sedimentation sowie die Oberflächenverdichtung simuliert werden.
Die Teilmodelle von OPUS dienen zur Simulation
  1. der Wasserbewegung an der Oberfläche,
  2. des Wassertransports im Wurzelraum,
  3. der Bodenerosion, des Transports und der Sedimentation von Bodenpartikeln,
  4. der Nährstoffdynamik (C, N und P) und der Pestiziddynamik,
  5. des Bodenwärmestroms,
  6. des Pflanzenwachstums,
  7. und der Zersetzung von Pflanzenrückständen.

Nachteilig auf die Anwendbarkeit wirken sich jedoch der überaus hohe Parameteraufwand und die feldbezogene Flächenbegrenzung aus.

EROSION-2D

Das Modellsystem EROSION-2D basiert auf physikalischen Prinzipien. In mathematischen Funktionen wird der Einfluß des Oberflächenabflusses, der Regentropfen und der Bodeneigenschaften umgesetzt. Die Anwendbarkeit ist auf Hänge mit Flächenerosion begrenzt (SCHMIDT 1990). Der Modellansatz berücksichtigt im Gegensatz zur USLE (ABAG) neben der Erosion ebenfalls die Sedimentation und die daraus resultierenden Änderungen der Hanggeometrie. Es ist im Projektzentrum im Rahmen der Diplomarbeit von JELINEK (1995) zum Einsatz gekommen, um das Retentionsvermögen der Uferzone hinsichtlich erosiver Einträge bei Einzelniederschlagsereignissen zu charakterisieren. An der Universität Köln wird der Einsatz mit Hilfe eines GIS und Fernerkundungsdaten getestet (HUTH 1993).
Die Impulse des Regenaufpralls und des Oberflächenabflusses wirken dem Scherwiderstand des Bodens entgegen. Bei der Erosionsmodellierung wird die Loslösung der Bodenpartikel auf einer Einheitsfläche über den kritischen Impulsstrom (als Oberflächenabflußrate, bei der Erosion initialisiert wird) beschrieben. Die Impulsströme werden zur dimensionslosen Erosionskennzahl E verknüpft, die durch eine Regressionsbeziehung den Feststoffaustrag determiniert (SCHMIDT 1991). Dem die Erosion bestimmenden kritischen Impulsstrom wirkt die vertikale Impulsstromkomponente entgegen. Durch Bilanzierung der Impulsstromverhältisse in jedem Segment ergibt sich die Sedimentation, sofern die Transportkapazität in diesem Segment überschritten wird.
Als Eingangsparameter werden Reliefinformationen (Hanglänge und -geometrie in Form von x-, y-Koordinaten), Niederschlagsinformationen (Niederschlagsdauer, -intensität) und Bodeninformationen (Dichte und Anteil an organischer Substanz des Oberbodens, Infiltrationsrate, Erosionswiderstand, Rauhigkeitsbeiwert nach MANNING, Bedeckungsgrad und Körnung) benötigt (JELINEK 1995).

Zusammenfassung

Anhand des dargestellten Überblicks über Bodenerosionsmodelle wird die Vielfalt an Methoden auf diesem Gebiet ersichtlich. Die Modellentwicklung geht in Richtung rein physikalisch-deterministischer Ansätze, da hier die Übertragbarkeit gewährleistet ist. Durch die Komplexität des Erosionsprozesses ist dies jedoch bis jetzt nicht realisiert. Hier sind als Problempunkte insbesondere die zeitliche Dynamik und räumliche Heterogenität der erosionsrelevanten Parameter zu nennen. Daneben steigt der Parametrisierungsaufwand mit zunehmender Prozeßorientierung, wodurch der Modelleinsatz in der Praxis unwahrscheinlicher wird. Aufwendige Forschungsmodelle wie OPUS sind allerdings für das Prozeßverständnis des Erosionsvorgangs wichtig. Es ist auch denkbar, Ergebnisse solcher Modelle zur Kalibrierung anwendungsorientierter empirischer Modelle zu nutzen.
Das USLE-Modell bzw. die ABAG ist nach wie vor das einzige Erosionsmodell, das für den Einsatz auf größeren Flächen bei vertretbarem Parametrisierungsaufwand eingesetzt werden kann (BORK 1991).
Ein wichtiger Aspekt für die Auswahl eines Modells stellt der Anpassungsaufwand dar. Auch hier bietet sich die USLE an, da durch SCHWERTMANN et al. (1987) bereits die Gültigkeit des Modells in Mitteleuropa bestätigt wurde und eine Dokumentation zu Parametererhebung und -anpassung besteht.
Für die vorliegende Arbeit boten sich zum USLE-Modell keine Alternativen an, um die langjährige Bodenerosion im Arbeitsgebiet abzuschätzen. Die ABAG und das USLE-Modell werden im weiteren Verlauf der Arbeit einheitlich als USLE bezeichnet.
Zum nächsten Teilkapitel - Bestimmung der USLE-Faktoren -

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