Rebscher, Angela Janina (2024)
Bodenerosion durch Oberflächenabfluss - Analysen zur Veränderlichkeit der Erodibilität kohäsiver Böden.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028782
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Bodenerosion meint im Kontext eines Umweltproblems die kulturbedingte Bodenerosion, welche sowohl On-Site durch Bodenverlust als auch Off-Site durch Material- und Schadstoffeintrag zu gravierenden Schäden führt. Somit ist es von Bedeutung, Erosionsprozesse von Ackerflächen durch geeignete modelltechnische Ansätze nachbilden und einschätzen zu können. Eine solche Modellierung basiert dabei auf der Gegenüberstellung der erosiven Wirkung von Niederschlag und Oberflächenabfluss (Erosivität) und einem definierten Erosionswiderstand des Oberbodens (Erodibilität). Obwohl die Veränderlichkeit der Erodibilität eines Oberbodens in der Vergangenheit bereits theoretisch und messtechnisch herausgearbeitet wurde, entspricht es der Praxis in der Erosionsmodellierung, diese als konstante oder nahezu konstante Bodeneigenschaft über Pedotransferfunktionen zu parametrisieren. Die vorliegende Arbeit stellt im Kontext der Bodenerosion durch Oberflächenabfluss die Frage, welche Bedeutung die Veränderlichkeit der Erodibilität des Oberbodens für den Erosionsprozess und die Modellierung des Erosionsprozesses hat. An exemplarischen Modellierungen wird gezeigt, dass sich gemessene Sedimentabträge aus einem kleinen Einzugsgebiet unter Ansatz einer konstanten Erodibilität nicht in den getesteten Modellen reproduzieren lassen. Im Gegenteil ist eine Änderung der Erodibilitäts-Parameter über eine Spanne von mehreren Zehnerpotenzen erforderlich, um das Ausmaß individueller, gemessener Erosionsereignisse in einer Modellierung nachzubilden. Die Veränderlichkeit der Erodibilität kann in der Modellierung von Einzelereignissen oder kurzen Zeiträumen daher nicht vernachlässigt werden. In einer theoretischen Modellanalyse wird jedoch gezeigt, dass in Erosionsmodellen sowohl in der Berechnung der angreifenden Kraft als auch in der Beschreibung der Widerstandskraft des Bodens gleichermaßen Erkenntnis- als auch Umsetzungsdefizite vorliegen. Aspekte der Erodibilität lassen sich daher in Untersuchungen auf der Skala von Hängen oder Einzugsgebieten nicht ausreichend abgrenzen, um Erkenntnisse zu Ausmaß und Einflüssen auf die Veränderung der Erodibilität zu gewinnen. Als sinnvoller alternativer Ansatz wird das Konzept der kleinskaligen Messapparaturen identifiziert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein eigener JET Erosion Test nach dem Aufbau von G.J. Hanson entwickelt und mit diesem insgesamt 63 JET-Versuche mit 3 unterschiedlichen Böden und 3 unterschiedlichen Aufbereitungstechniken durchgeführt. Nachdem die grundsätzliche Validität der Methode gezeigt worden ist, werden exemplarische Fragestellungen diskutiert, welche bei der Messung und Modellierung von Bodenerosion durch Oberflächenabfluss besondere Relevanz haben. Auch im Rahmen dieser Versuche zeigen sich Unterschiede in der Erodibilität von mehreren Zehnerpotenzen. Unterschiede dieser Größenordnung können sowohl räumlich entlang eines Hangs als auch ortsfest als zeitliche Veränderung festgestellt werden. Als besonders relevante, zeitlich veränderliche Einflussgröße für die Erodibilität kann der Wassergehalt eines Bodens identifiziert werden. Diese Beziehung zeigt sich teilweise enger als die etablierten Beziehungen zur Bodenart. Da der JET es erlaubt, auch ungestörte Bodenproben zu testen, konnte gezeigt werden, dass sich die Erodibilität auch abhängig vom Bodengefüge deutlich unterscheidet. Hier zeigt sich das große Potential von JET-Versuchen, neben besseren Ansätzen für die Abbildung der Erodibilität in der Modellierung auch direkte Empfehlungen zur Bodenbearbeitung abzuleiten. In Ergänzung bereits vorhandener Bodenschutzmaßnahmen zeigt sich hier ein Ansatz, kulturbedingte Bodenerosion zu verringern.

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