Infiltration

Die hydrologische Komponente des Modells zur Berechnung des Oberflächenabflusses geht auf den Ansatz von Green & Ampt (1911) zurück. Dabei wird vereinfacht davon ausgegangen, dass sich der Boden wie ein in sich homogener Körper verhält, in den das Niederschlagswasser kolbenförmig infiltriert und den verfügbaren Porenraum vollständig aufsättigt. Deswegen ist dieser Teil des Modells starr und kann Veränderungen der Bodenstruktur nicht abbilden (v. Werner, 1995). Die Beschreibung dieser Prozesse sowie die entsprechenden Gleichungen sind mehrfach veröffentlicht worden und entsprechender Literatur zu entnehmen (vgl. Schmidt, 1996).

Die Menge Wasser, die in den Boden infilrieren kann, hängt sowohl von der gelieferten Niederschlagsmenge als auch von der hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens ab (Abb. 1):

Infiltration und Feuchtefront

Variiert die Leitfähigkeit über die Bodenschichten, so ist die kleinste Leitfähigkeit innerhalb der befeuchteten Bodensäule entscheidend für die Infiltrationsrate.

Die Wasserbewegung innerhalb des befeuchteten Bodens wird durch den Gradienten des hydraulischen Potenzials gesteuert, welcher von der Eindringtiefe abhängt. Das hydraulische Potenzial der Befeuchtungsfront wird aus den Eigenschaften der ensprechenden Bodenschicht bestimmt, die die Befeuchtungsfront bei einem bestimmten Zeitschritt der Simulation durchdringt (Abb. 2).

Sobald die Befeuchtungsfront die Grundwasseroberfläche erreicht, entspricht die Infiltrationsrate dem lateralen Wasserfluss, welcher von der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Aquifers und der Neigung des Wasserspiegels abhängt. Letzterer kann annährend aus der Neigung der Bodenoberfläche bestimmt werden.

An der Bodenoberfläche beeinflussen verschiedene Faktoren das Eindringen des Wassers (Abb. 3).

Aggregatverkleinerung

Aus diesem Grund wurde der Skinfaktor in das Modell integriert, der Veränderungen des Porensystems bei der Berechnung der Infiltration berücksichtigt. Der Skinfaktor wird experimentell ermittelt (siehe auch unter "Parameter"). In den Abbildungen 4 und 5 ist zu sehen, wie die Infiltrationsrate bei versiegelten oder gelockerten Böden durch den Skinfaktor gesteuert wird.

Boden mit Makroporen und Mikroporen

Der Anteil des Wassers, der nicht in den Boden infiltriert, wird oberflächlich abfließen und Bodenpartikel ablösen und transportieren. Diese Prozesse sind im Erosionsmodell beschrieben.

Literatur

  1. Green, W. H., Ampt, G. A. (1911): Studies on soil physics. I: The flow of air and water through soils. J. Agr. Sci. 4, pp. 1-24.
  2. Schmidt, J. (1996): Entwicklung und Anwendung eines physikalisch begründeten Simulationsmodells für die Erosion geneigter landwirtschaftlicher Nutzflächen. Berliner Geographische Abhandlungen, H. 61.
  3. von Werner, M. (1995): GIS-orientierte Methoden der digitalen Reliefanalyse zur Modellierung von Bodenerosion in kleinen Einzugsgebieten. Dissertation, Freie Universität Berlin, Berlin.