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Zusammenfassung Band 39

Schmelmer, Karin: Bodenerosionsprozesse, Oberflächenabfluss- und Feststoffretention von Grasfilterstreifen – Experimentelle Untersuchungen und Anwendung von Prognosemodellen. Bonner Bodenkundl. Abh. 39 (2003), 267 S.

 

In den Jahren 1997 - 1999 wurde die Oberflächenabfluss- und Feststoffretention von Grasfilterstreifen bei konventionellem Maisanbau und 10 % Hangneigung untersucht. Die Messungen er-folgten bei natürlichen Niederschlägen und bei künstlichem Starkregen. Zur Bewertung der Erosionsdisposition und Charakterisierung des Filterstreifeneintrages wurden auch Untersuchungen zur Aggregatstabilität und zur Regentropfenerosion durchgeführt.

Die Aggregatstabilität wies ein Maximum im Sommer bei mittleren Bodenwassergehalten auf. Unabhängig von der Jahreszeit sank sie sehr stark bei einem Bodenwassergehalt um Feldkapazität. Im Winter bei niedrigen Temperaturen und hoher Bodenfeuchte war die Aggregatstabilität besonders gering. Bei Beteiligung von Luftsprengung am Aggregatzerfall neigt der Boden zu gemäßigter bis regelmäßiger Verschlämmung. Im Winter ist mit regelmäßiger Verschlämmung infolge von Schluffdispergierung zu rechnen. Die stabilsten Aggregatbruchstücke waren jene der Mittelsandfraktion. Die Abnahme der Aggregatstabilität war durch den Rückgang der Fraktion > 2 000 µm und die Zunahme der Fraktionen 63 - 200 µm und < 63 µm gekennzeichnet.

Künstlicher Starkregen löste aufgrund seiner geringeren kinetischen Energie weniger und feineres Bodenmaterial ab als natürlicher Starkregen. Für die Bodenablösung durch natürlichen Regen ist NI2 der bestimmende Niederschlagsparameter. In Abhängigkeit von der Stabilität und dem Anteil an Primärpartikeln und Aggregaten weisen einzelne Partikelgrößen des Splash-Sedimentes eine individuelle Beziehung zur Niederschlagsintensität auf. Mit Hilfe der für verschiedene Bo-denzustände ermittelten Erodibilitätskoeffizienten sind Menge und Zusammensetzung des Sedimentes prognostizierbar. Die kinetische Regenenergie ist zur Vorhersage der Splash-Sedimentmenge weniger gut geeignet. Zur Vorhersage der Sedimentzusammensetzung ist sie nicht geeignet.

Bei unverschlämmtem Boden waren 10-Minuten-Intensitäten von ≥ 50 mm/h und 30-Minuten-Intensitäten von ≥ 30 mm/h erforderlich, um Oberflächenabfluss auszulösen. Starkregen ≤ 10 mm bewirkten dann Oberflächenabfluss, wenn die hohen Intensitäten möglichst spät innerhalb des Regens bei nachlassender Infiltrationskapazität auftraten. Aufgrund der geringeren bodenverdich-tenden Wirkung künstlichen Regens war bei Beregnung eine größere Regenmenge zur Oberflächenabflussbildung auf anfangs unverschlämmtem Boden erforderlich als bei natürlichem Regen. Die größere Erosivität natürlicher Starkregen und die größere Parzellenlänge bewirkten bei einem natürlichen Abflussereignis höhere Abflussraten und Sedimentkonzentrationen sowie eine gröbe-re Sedimentzusammensetzung als bei den Beregnungen.

Die flächenbezogene Oberflächenabflussretention durch Grasfilterstreifen erreichte bei einer Bodenvorfeuchte um Feldkapazität 45 % und bei anfangs trockenem Boden bis zu 100 %. Die Verdopplung der Filterstreifenbreite bewirkte eine um 15 %-Punkte erhöhte Oberflächenabflussretention. Bei kleineren Abflussereignissen bot ein Ackerrandstreifen mit 60 % Pflanzenbedeckung einen ebenso guten Schutz wie ein Grasstreifen. Während eines größeren Ereignisses betrug die flächenbezogene Retention der Ackerrandstreifen bei 40 % und 60 % Pflanzenbedeckung nur 10 % und 44 %. Die Feststoffretention der Ackerrandstreifen war deutlich höher als die Abflussretention. Während Beregnungsversuchen senkte ein Grasfilterstreifen die Sedimentkonzentration unabhängig von der Höhe des Eintrags um ca. 85 %. Tiergänge bewirkten große Unterschiede bei der Oberflächenabflussretention, nicht bei der Feststoffretention. Die Feststoffretention der Grasstreifen lag meist zwischen 88 - 100 %. Die Feinschluff- und Tonretention betrug dabei 80 - 100 %. Die Filterstreifenbreite hatte keinen Einfluss auf die Höhe der Feststoffretention. Nach 1 m Filterstrecke enthielt das Grasfilterkolluvium bereits keinen primären Sand mehr. Mit zunehmen-der Filterstrecke reicherten sich feinere Partikel in Mittelsandaggregaten gebunden relativ an. Nach 3 m Fließstrecke nahm die Effektivität bezüglich der Sedimentablagerung stark ab. Höhere Zuflussraten führten bei natürlichen Abflussereignissen zu einer stärker konzentrierten Abflussverteilung im Filterstreifen und daher zu einer geringeren Filterausnutzung. Daher sind die bei natürlichen und künstlichen Starkregen erzielten Ergebnisse zur Abflussretention – bei sonst gleichen Randbedingungen (Bodenzustand) – nicht vergleichbar.

Das ereignisbezogene Erosionsmodell EUROSEM simuliert die Oberflächenabflussretention von Grasfilterstreifen bei hohem Anfangsbodenwassergehalt oder bei konzentriertem Filterstreifenabfluss sehr gut. Der Infiltrationsrückgang bei trockenem Boden wird überschätzt, die Retention daher unterschätzt. Das Modell berechnet die während der Beregnungen gemessene Feststoffretention etwas zu hoch. Die Feststoffretention während eines natürlichen Ereignisses wird etwas unterschätzt. Aufgrund der geringen bodenverdichtenden Wirkung des Kunstregens sind mit dem Langzeitsimulationsmodell OPUS/OPUS_2 natürliche und künstliche Abflussereignisse nicht zusammen in einer Simulation darstellbar. Das noch in der Testphase befindliche OPUS_2 simuliert die Abflussretention zufriedenstellend. Die Feststoffretention während des natürlichen Ereignis-ses (s.o.) wird überschätzt. Die Reduktion des Sedimentgehaltes durch einen Grasfilterstreifen während einer Beregnung wurde von OPUS_2 dagegen dem Messwert entsprechend berechnet.

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