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_, Geomorphology for Society, Conference proceedings

Mit dem Kartoffelanbau in Hanglagen sind erhebliche Erosionsgefahren verbunden. Insbesondere die Dammformung, das Absieben und der späte Bestandsschluss sind dafür verantwortlich. Zur Beurteilung der Erosionsgefährdung von Kartoffelflächen wurde ein Zusatzmodul für das Modell Erosion-3D entwickelt. Mit diesem Modul lassen sich besonders gefährdete Flächen identifizieren sowie Schutzmaßnahmen wie Hanglängenverkürzung durch Grünstreifen, Schlagteilung und Richtungsänderung der Kartoffeldämme vorab in ihrer Wirksamkeit bewerten. Der Bericht erläutert die Funktionsweise des Zusatzmoduls und seine beispielhafte Anwendung in Praxisbetrieben.

Im Projekt wurde eine Methodik entwickelt, um mit dem Modell EROSION 3D sachsenweit für erosionsauslösende Starkniederschlagsszenarien den partikelgebundene Phosphoreintrag in Oberflächenwasserkörper abzuschätzen. Mit dieser Abschätzung und der Identifikation wassererosionsgefährdeter Ackerflächen bzw. Feststoffeintragspfade in Gewässer lassen sich zur erfolgreichen Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie zielgerichtete Maßnahmen zum Erosionsschutz ableiten. Die Modellierungen mit EROSION 3D zeigen, dass eine konsequente Umstellung auf konservierende Bodenbearbeitung die P-Austräge in Sachsen signifikant um 80-90 % senken würde. Die Projektergebnisse liefern wichtige Grundlagen zur P-Anreicherung im Feinbodenanteil von Ackerböden und geben einen Einblick in das Prozessverständnis der partikelgebundenen P-Austragsdynamik.

The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi

Für die Erstellung von Bewirtschaftungs- und Maßnahmenplänen (FFH, EU-WRRL) ist es erforderlich, den bislang noch sehr hohen Aufwand für die Datenbeschaffung und -generierung im Rahmen der Modellierung mit EROSION 3D zu senken. Erreicht werden soll eine schnellere sowie effizientere Abschätzung von Landnutzungsänderungen, Landschaftseingriffen, des Klimawandels usw. auf Oberflächenabfluss, Bodenabtrag sowie Sedimenteintrag in Gewässer mit EROSION 3D. Im vorliegenden Projekt ist es gelungen, Parametrisierung und Modellanwendung so zu kombinieren, dass eine Bodenabtragssimulation mit dem Modell EROSION 3D flächendeckend für Sachsen mit vertretbarem Zeitaufwand durchführbar ist. Der korrigierte und angepasste Geo-Basisdatensatz liefert die Primärinformationen zur Datenbankabfrage der Parametrisierungssoftware DPROC. Durch eine interaktive Flächenauswahl, kombiniert mit einem Flächendatenzuschnitt, können Landnutzungs- und Bearbeitungsszenarien für hydrologische Einzugsgebiete oder Oberflächenwasserkörper schnell parametrisiert werden. Die grundlegend korrigierte und erweiterte Datenbank des DPROC erlaubt die verbesserte Abschätzung erosionsrelevanter Bodenparameter, besonders für die dauerhaft konservierende Bodenbearbeitung und die Direktsaat. Die umfangreiche Dokumentation der Arbeitsschritte und die Transparenz der Datenbank ermöglichen es, jederzeit Aktualisierungen (Geo-Basisdaten) und Erweiterungen (DPROC-Datenbank) vorzunehmen. Von den Projektergebnissen profitieren vor allem die Anwender des Programms EROSION 3D. Beim Druck des Dokumentes ist zu beachten, dass die Karten im Format DIN A3 erstellt wurden.

Das LfULG nutzt seit mehreren Jahren das Prozessmodell EROSION 3D im Rahmen seiner fachlichen Forschungs- und Beratungstätigkeit zur Untersuchung abfluss- und bodenschutzbezogener Fragestellungen. In einem Forschungsprojekt wurden in der Entwicklung befindliche Prozesskomponenten des Modells EROSION 3D bezüglich der Simulation des hochwasserrelevanten Oberflächenabflusses geprüft. In drei sächsischen Einzugsgebieten wurden der Mehrschicht-Infiltrationsansatz und der Abflussretentions- und -translationsansatz der EROSION 3D-Versionen 3.11 und 3.14 anhand realer Niederschlags-Abfluss-Ereignisse getestet. Gleichzeitig werden Möglichkeiten einer Weiterentwicklung aufgezeigt, um eine operationalisierte Nutzung des Modells in der planerischen Praxis in Zukunft im Bereich der Oberflächenabflussabschätzung zu ermöglichen. Das primäre Ziel der Validierung lag in der Aufdeckung von Modellsensitivitäten und möglichen Fehlerquellen, die entweder durch die Parametrisierung, die Prozessabbildung oder unvollständiges Anwenderwissen bedingt sind. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Optimierung der Modellergebnisse durch Verbesserung der Eingangsdaten. Das vorliegende Heft der Schriftenreihe enthält die Ergebnisse des Forschungsprojektes und wendet sich vorrangig an Anwender des Programms EROSION 3D.

Connectivity has been embraced by the geosciences community as a useful concept to understand and describe hydrological functioning and sediment movement through catchments. Mathematical modelling has been used for decades to quantify and predict erosion and transport of sediments, e.g. in scenarios of land use change or conservation measures. Being intrigued by both models and the connectivity concept, as a group of modellers we aimed at investigating what different models could tell us about connectivity. Therefore, we evaluated the response of contrasted spatially-distributed models to landscape connectivity features and explained the differences based on different model structures. A total of 53 scenarios were built with varying field sizes and orientations, as well as the implementation of soil conservation measures. These scenarios were simulated, for two rainfall intensities, with five event- and process-based water and soil erosion models – EROSION3D, FullSWOF_2D, LandSoil, OpenLISEM and Watersed. Results showed that rainfall amount plays the most important role in determining relative export and connected area of runoff and sediment in all models, indicating that functional aspects of connectivity were more important than structural connectivity. As for the role of structural landscape elements, there was no overall agreement between models regarding the effects of field sizes, crop allocation pattern, and conservation practices; agreement was also low on the spatial patterns of connectivity. This overall disagreement between models was unexpected. The results of this exercise suggest that the correct parameterization of runoff and sediment production and of routing patterns may be an important issue. Thus, incorporating connectivity functions based on routing would help modelling forward. Our results also suggest that structural connectivity indices may not suffice to represent connectivity in this type of catchment (relatively simple and monotonous land cover), and functional connectivity indices should be applied., Geomorphology, 367, ISSN:0169-555x, ISSN:1872-695X