Parameter

Erosion 3D benötigt eine überschaubare Anzahl an Eingangsparametern, von denen die meisten direkt messtechnisch erhoben oder aus frei verfügbaren Daten abgeschätzt werden können. Die Eingabeparameter werden unterteilt in Boden-, Relief- bzw. Niederschlagsparameter.

Als Ausgabeparameter liefert das Modell flächenbezogene Informationen zur Erosion [kg/m²; t/h] und Deposition [kg/m², t/ha] der einzelnen Rasterzellen und deren Zelleinzugsgebieten. Die querschnittsbezogenen Parameter beschreiben den Wasser- und Sedimenttransport [m³/m; kg/m] für Zelleinzugsgebiete.

Eingabeparameter

Boden


Lagerungsdichte [kg/m³]

Aufgrund mechanischer Eingriffe bei der Bodenbearbeitung unterliegt die Lagerungsdichte der Oberböden großen räumlichen und zeitlichen Schwankungen. Diese Dynamik ist umso ausgeprägter, je intensiver die Bodenbearbeitung erfolgt (Michael, 2000).

Anfangsbodenfeuchte [Vol.-%]

Dieser Parameter beschreibt den Wassergehalt des Bodens unmittelbar vor einem Niederschlagsereignis (Michael et al., 1996). Aufgrund der Abhängigkeit von der Witterung (Niederschlagssumme, Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Strahlungsbilanz) und den Bodenbedingungen (Bodenart, Corg-Gehalt, Lagerungsdichte, Bodenbedeckung, Fruchtart und Bodenbearbeitung) ist dieser Parameter hoch variabel (Schmidt et al., 1996, Michael, 2000). Da Messdaten zur Bodenfeuchte zumeist nicht kontinuierlich und flächendeckend verfügbar sind, muss die Anfangsbodenfeuchte ggf. unter Verwendung geeigneter Wasserhaushaltsmodelle (WaSIM-ETH) geschätzt werden (Hölzel, 2010).

Organischer Kohlenstoffgehalt [Gew.-%]

Der organische Kohlenstoffgehalt ist maßgeblich für den Zusammenhalt der Bodenaggregate verantwortlich (Bronick und Lal, 2005; Zhang et al., 2007). Böden mit einem hohen Anteil an organischem Kohlenstoff besitzen infolge größerer Aggregate und Makroporen durch Wurzelröhren verbesserte Infiltrationsleistungen (Michael, 2000; Schmidt et al., 1996). Der Corg-Gehalt wird maßgeblich durch die Menge an Pflanzenresten bestimmt, die nach der Ernte auf der Bodenoberfläche verbleiben. Das ist vor allem von der angebauten Kultur und dem angewendeten Bodenbearbeitungsverfahren abhängig (Chivenge et al., 2007). Eine intensive Belüftung, wie sie vor allem bei konventionellen Bodenbearbeitungsverfahren auftritt, fördert den schnellen Abbau organischer Substanz und mindert damit die Aggregatstabilität (Michael, 2000).

Bodenbedeckungsgrad [%]

Der Bedeckungsgrad beschreibt das Verhältnis der durch Pflanzen, Mulch und Steine bedeckten Fläche zur Gesamtfläche des Bodens. Die Bodenbedeckung bietet den wirksamsten Schutz vor Erosion, da sie den Tropfenaufschlag auf die Bodenoberfläche verhindert sowie die Interzeptionsleistung und Oberflächenrauigkeit erhöht. Deshalb neigen bedeckte Böden zu höheren Infiltrationsraten und niedrigeren Bodenabträgen als unbedeckte (Bradford und Huang, 1994; Engel et al., 2009; Marques et al., 2007). Er ist zeitlich hoch dynamisch und vor allem von der angebauten Kultur, deren Wachstumsstadium und der Fruchtfolge abhängig (Michael, 2000; Schmidt et al., 1996).

Korngrößenzusammensetzung [%]

Die Korngrößenzusammensetzung des Bodens ist der Feinbodenanteil (≤ 2mm) unterteilt in die jeweilige Fein-, Mittel-, und Grobbestandteile der Ton-, Schluff-, und Sandfraktion. Die genaue Separierung der Tonfraktion ist sehr zeitaufwendig, weshalb auf diese Unterscheidung meist verzichtet wird. Die Korngrößenzusammensetzung beeinflusst sowohl die Infiltrationskapazität eines Bodens als auch die Erodierbarkeit und Transportierbarkeit von Bodenpartikeln.

Erosionswiderstand [N/m²]

Der Erosionswiderstand beschreibt die Summe aller Kräfte (Kohäsion, Adhäsion, Reibung, Erdanziehung), die die Einzelpartikel an die Bodenmatrix binden. Da der Erosionswiderstand eines Bodens von einer Vielzahl physikalisch-chemischer Bodeneigenschaften (Textur, Aggregatstabilität, Corg-Gehalt, Wurzeldichte, Gefügestruktur, Bodenbedeckung) abhängig ist, unterliegt er einer hohen räum­lichen und ggf. auch zeitlichen Dynamik. Neben der Bodenart sind besonders die Kohäsion der Bodenpartikel untereinander und die Schwerkraft entscheidend. Da die Kohäsion mit sinkendem und die Schwerkraft mit wachsendem Partikeldurchmesser zunehmen, sind Schluff- und Feinsandböden leichter erodierbar als Ton- bzw. Sand- und Kiesböden (Knapen et al., 2007; Michael, 2000; Schmidt, 1996).
Eine instabile Gefügestruktur, hervorgerufen durch sehr feine Saatbettbereitung und geringe Gehalte an organischem Kohlenstoff, führt zu einer Verringerung des Erosionswiderstandes. Aus diesem Grund sind besonders Böden unter konventioneller Bearbeitung erosionsanfälliger als Böden unter konservierender Bearbeitung und Direktsaat (Rimal und Lal, 2009; Strauss et al., 2003).

Hydraulische Rauigkeit [s/m1/3]

Die Rauigkeit einer Bodenoberfläche beschreibt die Minderung der Fließgeschwindigkeit durch Strömungshindernisse im Bereich des Mikroreliefs (Michael, 2000; Schmidt et al., 1996). Eine erhöhte Rauigkeit führt zur Verringerung der Fließgeschwindigkeit und somit zur Abnahme des strömungsimmanenten Impulsstromes und folglich zur Abnahme der Transportkapazität des Oberflächenabflusses. Die Rauigkeit ist zeitlich und räumlich hoch variabel und wird bestimmt durch die Größe der Bodenaggregate und durch Art und Struktur der Bodenbedeckung. Demzufolge weisen sehr fein bearbeitete oder verschlämmte Böden ohne Mulchauflagen die geringsten und voll entwickelte Pflanzenbestände die höchsten Rauigkeitsbeiwerte auf (Michael et al., 1996; Schindewolf, 2010).

Skinfaktor [-]

Abhängig von Landnutzung und Bodenbearbeitung ist die Infiltrationsrate räumlich und zeitlich dynamisch. So fördert zum Beispiel eine sehr feine Bodenbearbeitung die Ausbildung einer nur wenige Millimeter mächtigen Verschlämmungsschicht an der Bodenoberfläche, deren hydraulische Leitfähigkeit deutlich verringert ist (Assouline und Ben-Hur, 2006; Fohrer et al., 1999; Römkens et al., 1997). Andererseits können z. B. biogene Makroporen, die vor allem unter Wald, Grünland aber auch bei konservierender Bodenbearbeitung vorkommen die Infiltrationseigenschaften des Bodens deutlich verbessern (Schmidt et al., 2001). Diese Dynamik wird im Modell mit dem so genannten Skinfaktor abgebildet, der die Infiltrationsrate über die Multiplikation mit der hydraulischen Leitfähigkeit kalibriert (Schmidt, 1996). Ein Skinfaktor von 1 gibt an, dass die berechnete Infiltrationsmenge der gemessenen entspricht. Skinfaktoren <1 beschreiben eine in Bezug auf die Berechnung gehemmte Infiltration z. B. durch Verschlämmung oder Luftpolstereffekte. Skinfaktoren >1 kennzeichnen eine gegenüber der Berechnung erhöhte Infiltration z. B. durch Makroporen.

Datenstruktur: Die Bodenparameter werden über eine Karte den Landnutzungseinheiten im Untersuchungsgebiet zugewiesen. Um für EROSION 3D ein komplettes Soil Dataset zu erstellen, werden drei Eingangsdateien benötigt:

  • Ein Landnutzungs-Rasterfile (im ASCII-Format), dass normalerweise in einem GIS aus einem Shapefile erstellt wurde. Jedem Landnutzungspolygon wird eine ID zugewiesen, die bei der Konvertierung auf der entsprechenden Rasterzelle abgespeichert wird.
  • Eine "Lookup"-Tabelle, in der die Landnutzungs-ID einer bestimmten Nutzung zugeordnet wird (CSV-Datei).
  • Eine Parametertabelle, in der für jede Nutzungsart ein Set mit den oben beschriebenen Bodendaten abgespeichert wird (CSV-Datei).

Relief


Die Reliefparameter werden aus offiziellen DGM oder vorliegenden Vermessungsdaten abgleitet. Hierbei werden jeder X-Y-Koordinate Höhenwerte zugeordnet. Die räumliche Auflösung kann dabei variiert werden.

Datenstruktur: In EROSION 3D werden die Reliefparameter im ASCII-Format eingelesen. Die Datei muss im Kopf Informationen über die Zahl der Spalten und Zeilen, die Koordinaten der linken oberen Ecke, die Zellgröße und den no-data-Wert enthalten. Im Körper der Datei steht pro Rasterfeld ein Höhenwert, wobei darauf zu achten ist, dass Dezimalzahlen mit Punkten getrennt werden.

Niederschlag


Niederschlagsdauer und Niederschlagsintensität

Die Niederschlagsdaten können durch Messung bereitgestellt werden, wobei die zeitliche Auflösung 10 Minuten nicht unterschreiten sollte. Sie können jedoch auch aus statistischen Daten (z.B. KOSTRA) abgeleitet werden.

Datenstruktur: Für EROSION 3D werden die Niederschlags-Dateien mit externen Programmen wie z.B. einem Texteditor erstellt und im CSV-Format gespeichert. Dabei muss jedoch das Dateiformat von EROSION 3D eingehalten werden. Dieses besteht aus einem fünfzeiligen Kopf und einem Datenabschnitt. Die Spalten sind durch Komma getrennt. Die ersten fünf Spalten enthalten optionale Informationen zu der Niederschlagsmessstation. Obwohl die Informationen optional sind, müssen die Zeilen jedoch unbedingt vorhanden sein. Dezimalzahlen werden durch Punkt getrennt.

Ausgabeparameter

Flächenbezogene Parameter

  • Erosion, Deposition (Sedimentbilanz)
  • Sedimentkonzentration
  • Nettoerosion im Einzugsgebiet des Vorfluternetzes
  • Durchschnittlicher Abtrag innerhalb des jeweiligen Zelleinzugsgebietes
  • Durchschnittliche Deposition innerhalb des jeweiligen Zelleinzugsgebietes
  • Durchschnittlicher Austrag (Nettoerosion) aus dem jeweiligen Zelleinzugsgebiet
  • Nettoerosion im Einzugsgebiet des Vorfluternetzes

Querschnittsbezogene Parameter

  • Oberflächenabflussvolumen
  • Zufluss aus dem jeweiligen Einzugsgebiet
  • Sedimentzufluss aus dem jeweiligen Einzugsgebiet
  • Tonanteil des transportierten Sediments
  • Schluffanteil des transportierten Sediments
  • Gesamtaustrag aus dem Zelleinzugsgebiet, differenziert nach 9 Bodenarten
  • Zelleinzugsgebiet
  • Vorfluterabflussvolumen
  • Transportiertes Sediment im Vorfluter

Literatur:

  1. Assouline, S., Ben-Hur, M. (2006): Effects of rainfall intensity and slope gradient on the dynamics of interrill erosion during soil surface sealing. CATENA 66 (3), S. 211-220.
  2. Bradford, J. M., Huang, C.-H. (1994): Interrill soil erosion as affected by tillage and residue cover. Soil and Tillage Research 31(4), S. 353-361.
  3. Bronick, C. J., Lal, R. (2005): Soil structure and management: a review. Geoderma 124(1-2): S. 3-22.
  4. Chivenge, P. P., Murwira, H. K., Giller, K. E., Mapfumo, P., Six, J. (2007): Long-term impact of reduced tillage and residue management on soil carbon stabilization: Implications for conservation agriculture on contrasting soils. Soil and Tillage Research 94(2), S. 328-337.
  5. Engel, F. L., Bertol, I., Ritter, S. R., Paz González, A., Paz-Ferreiro, J., Vidal Vázquez, E. (2009): Soil erosion under simulated rainfall in relation to phenological stages of soybeans and tillage methods in Lages, SC, Brazil. Soil and Tillage Research 103(2), S. 216-221.
  6. Fohrer, N., Berkenhagen, J., Hecker, J. M., Rudolph, A. (1999): Changing soil and surface conditions during rainfall: Single rainstorm/subsequent rainstorms. CATENA 37 (3-4), S. 355-375.
  7. Hölzel, H. (2010): Analyse und Parametrisierung von Landnutzungseigenschaften zur Modellierung von Abfluss, Bodenerosion und Sedimentation im Einzugsgebiet des Wahnbaches (Bergisches Land). Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn, Bonn, 173 S.
  8. Knapen, A., Poesen, J., Govers, J., Gyssels, G., Nachtergaele, J. (2007): Resistance of soils to concentrated flow erosion: A review. Earth-Science Reviews 80, S. 75-109.
  9. Marques, M.J., Bienes, R., Jiménez, L., Pérez-Rodríguez, R. (2007): Effect of vegetal cover on runoff and soil erosion under light intensity events. Rainfall simulation over USLE plots. Science of The Total Environment 378(1-2), S. 161-165.
  10. Michael, A (2000): Anwendung des physikalisch begründeten Erosionsprognosemodells EROSION 2D/3D - Empirische Ansätze zur Ableitung der Modellparameter. Dissertation, Technische Universität Bergakademie Bergakademie Freiberg.181 S.
  11. Michael, A., Schmidt, J., Schmidt, W. (1996): Band II - Parameterkatalog Sachsen, Anwendung. In: Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft (Hrsg.): EROSION 2D/3D – Ein Computermodell zur Simulation der Bodenerosion durch Wasser. Freiberg.
  12. Rimal, B. K., Lal, R. (2009): Soil and carbon losses from five different land management areas under simulated rainfall. Soil and Tillage Research 106 (1), S. 62-70.
  13. Römkens, M. J. M., Prasad, S. N., Gerits, J. J. P. (1997): Soil erosion modes of sealing soils: a phenomenological study. Soil Technology 11 (1), S. 31-41.
  14. Schindewolf, M., Schmidt, W. (2010): EROSION 3D Sachsen, Schriftenreihe des Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Heft 9/2010, Dresden. 115 S.
  15. Schmidt, J., von Werner, M., Michael, A. (1996): EROSION 2D/3D. Ein Computermodell zur Simulation der Bodenerosion durch Wasser, Dresden/Freiberg.
  16. Schmidt, W., Zimmerling, B., Nitzsche, O., Krück, St. (2001): Conservation tillage - A new strategy in flood control. 287-293. In: J. Marsalek et al. (Hrsg.): Advances in urban stormwater and agricultural runoff source controls. NATO Science series 74. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London.
  17. Strauss, P., Swoboda, D., Blum, W. E. H. (2003): How effective is mulching and minimum tillage to control runoff and soil loss–a literature review, Proceedings from ‘25 years of Assessment of Erosion’. Ghent.
  18. Zhang, G. S., Chan, K. Y., Oates, A., Heenan, D. P., Huang, G. B. (2007): Relationship between soil structure and runoff/soil loss after 24 years of conservation tillage. Soil and Tillage Research 92(1-2), S. 122-128.