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Bodenerosion durch Oberflächenabfluss - Analysen zur Veränderlichkeit der Erodibilität kohäsiver Böden

Rebscher, Angela Janina (2024)
Bodenerosion durch Oberflächenabfluss - Analysen zur Veränderlichkeit der Erodibilität kohäsiver Böden.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028782
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Bodenerosion durch Oberflächenabfluss - Analysen zur Veränderlichkeit der Erodibilität kohäsiver Böden
Language: German
Referees: Schmalz, Prof. Dr. Britta ; Hinderer, Prof. Dr. Matthias
Date: 11 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 200, LXXXIV Seiten
Date of oral examination: 16 January 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028782
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In the perspective of an environmental problem, soil erosion refers to cultivation-related soil erosion, which leads to serious damage both on-site through soil loss and off-site through material and pollutant input. Thus, it is important to be able to model and estimate erosion processes on arable land by suitable modeling approaches. Such modeling is based on the comparison of the erosive effect of precipitation and surface runoff (erosivity) against a defined erosion resistance of the topsoil (erodibility). Although the variability of erodibility of a topsoil has been outlined theoretically and through measurement in the past, it is common practice in erosion modeling to parameterize it as a constant or nearly constant soil property via pedotransfer-functions. In the context of soil erosion by surface runoff, the present work poses the question of the significance of the variability of topsoil erodibility for the erosion process and in modeling of the erosion process. Several exemplary model set-ups and simulations show that measured sediment yields from a small catchment cannot be reproduced in the tested erosion models under the assumption of a constant erodibility. On the contrary, a change in erodibility parameters over a range of several orders of magnitude is required to replicate the extent of individual measured erosion events in an erosion model. Therefore, the variability of erodibility cannot be neglected in modeling of individual events or short time periods. In a theoretical model analysis, however, it is shown that there are insight and implementation deficits in erosion models, both in the simulation of the erosive force and in the description of the resisting force of the soil. Erodibility-related questions therefore cannot be adequately isolated in plot or catchment scale studies in order to provide insight into the magnitude and influences on changing erodibility. The concept of small-scale measurement apparatuses is identified as a reasonable alternative approach. Within the scope of this work, a proprietary JET erosion test was developed according to the design of G.J. Hanson. A total of 63 JET tests were carried out using 3 different soils and 3 different soil preparation techniques. After the general validity of the method has been shown, exemplary questions are discussed, which have a particular relevance for the measurement and modeling of soil erosion by surface runoff. Differences in erodibility of several orders of magnitude are again demonstrated in the context of these experiments. Differences of this magnitude can be detected both spatially along a slope and stationarily as a temporal change. The water content of a soil can be identified as a particularly relevant, time-varying influencing factor for erodibility. This relationship is shown to be partly more closely than the established relationships to soil texture. Since the JET offers the possibility to test even undisturbed soil samples, it could be shown that the erodibility also differs significantly depending on the soil structure. This demonstrates the great potential of JET tests to derive direct recommendations for soil cultivation in addition to improving the understanding of erodibility and approaches for representation of erodibility in models. In addition to already existing soil protection measures, this shows the potential to reduce cultivation-related soil erosion.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-287828
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 624 Civil engineering and environmental protection engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Engineering Hydrology and Water Management
Date Deposited: 11 Dec 2024 13:06
Last Modified: 12 Dec 2024 09:28
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28782
PPN: 524523436
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