Einfluss unterschiedlicher Bewirtschaftungsmaßnahmen auf die Abflussbildung und -konzentration in landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war, den Einfluss von Landnutzung und -bewirtschaftung auf den Direktabfluss in der unteren Mesoskale räumlich hoch auflösend mit Hilfe eines physikalischbasierten Niederschlag-Abfluss-Modells abzubilden. Die Bewirtschaftung und damit die Bodenbearbeitung kann zum Beispiel durch langdauernde Bodenbedeckung (Anbau einer Zwischenfrucht und/oder Belassen von Ernterückständen auf der Ackerkrume) die Verschlämmungsneigung der Böden verringern und Infiltrationsleistung fördern. Pflanzenreste auf dem Boden erhöhen den Fließwiderstand und verringern die Geschwindigkeit des Oberflächenabflusses. Dieser kann durch Re-Infiltration auf ungesättigten Flächen in den Boden gelangen. Dadurch erhöhen sich wiederum die Speicherwirkung des Bodens sowie der verfügbare Wasservorrat für die Feldfrucht. Einen erheblichen Einfluss auf die Verschlämmungsneigung von erosionsgefährdeten Böden hat die Intensität und Variabilität des Niederschlags. Für das Untersuchungsgebiet Scheyern (1.4 km²) wurden daher die Niederschlagsaufzeichnungen von 4 Jahren und 13 Regenschreibern geostatistisch untersucht. Bei Starkregen trat häufig (50% der erosiven Ereignisse) ein starker Trend in Regenmenge und –intensität auf der Subskala von 1 km² auf, für den die zufällige Lage der Gewitterzellen verantwortlich sein dürfte, da die Windgeschwindigkeit und die Topographie einen untergeordneten Einfluss hatten. Zur Entwicklung des Verschlämmungsmoduls wurde aus Daten von 726 Beregnungsversuchen (insgesamt 24.384 Abflussmessungen) mehrerer Forschergruppen aus Baden-Württemberg, Bayern, Nordrhein-Westfalen, Sachsen eine umfangreiche Datenbank angelegt und publiziert. In ihr sind sowohl die Abflussganglinien (inklusive Time to Ponding und Time to Runoff), vier Regeneigenschaften, fünf Parzelleneigenschaften, 20 Bodeneigenschaften, und fünf Landnutzungseigenschaften enthalten. Durch Optimierungsalgorithmen wurden aus den gemessenen Infiltrationsraten der einzelnen Versuche die besten Parameter für ein modifiziertes Infiltrationsmodell nach Horton ermittelt. Schließlich wurde ein einfach anzuwendendes, aus allgemein verfügbaren Daten bestehendes multiples Regressionsmodell entwickelt, das die Abflussbildung hinreichend gut schätzen kann (RSME: 5.2 mm für die Abflusssumme und 0.23 mm min^-1 für die Abflussrate). Die Steinbedeckung beeinflusste am stärksten die Anfangsverluste, während die Zeit seit der letzten Bodenbearbeitung am wichtigsten für die weitere Abflussganglinie war. Dieser Bewirtschaftungsparameter wird bislang in keinem N/A-Modell berücksichtigt. In einer Modellevaluierung erwies sich das physikalisch basierte Wasserhaushaltsmodell WaSiM (früher: WaSiM-ETH) als für die Problemstellung geeignet. WaSiM wurde daher um zwei Komponenten erweitert, einem Verschlämmungsmodul (Silting Up Modul, kurz SU-Modul, abgeleitet aus den Infiltrationsversuchen), das dem Modul zur Wasserbewegung in der ungesättigten Zone vorangeschaltet ist und einem Modul zur Abflusskonzentration des Oberflächenabflusses nach dem Ansatz der kinematischen Welle (Surface Routing Modul, kurz SR-Modul). Ursprünglich im Zusammenhang mit dem Verschlämmungsmodul entwickelt, können die beiden zusätzlichen Module auch unabhängig voneinander verwendet werden. Als Input in das SR-Modul dienen die Abflüsse aus dem SU-Modul und dem Bodenmodul (sowie Direktabfluss aus dem Schneemodul). Der Oberflächenabfluss wird durch den Ansatz der kinematischen Welle je nach dynamischer Fließrichtung der nächsten Zelle zugeführt. Auf der Oberfläche verbleibendes Wasser, dass nicht in die angrenzende Zelle fließt oder nicht vom Boden aufgenommen werden kann, wird weiterhin in der Komponente Direktabfluss gespeichert. Der Oberflächenabfluss durchfließt das Modellraster Zelle für Zelle, bis eine Flusszelle erreicht wird, dann wird der Abfluss an das Routing im Gewässersystem übergeben. Das SR-Modul berücksichtigt mehrere Konfigurationen, welche Fließrichtungen erlaubt sind und welche Gradienten den Fließrichtungen zugrunde gelegt werden. Das SR-Modul bedingt einige zusätzliche Landnutzungsparameter, die vor allem die Bodenbearbeitung und die Nutzung der Fläche charakterisieren. Die Daten zur Modellevaluierung stammten aus kleinen, intensiv beprobten Einzugsgebieten (untere Mesoskale bis max. 6,3 km²) des Projektes Forschungsverbund Agrarökosysteme München (FAM, Klostergut Scheyern) und des BMBF-Projektes Prognosemodell für die Gewässerbelastung durch Stofftransport aus einem kleinen ländlichen Einzugsgebiet (Weiherbach-Projekt). Es wurden Datensätze aus konventionell, integriert (optimiert konventionell) und ökologisch bewirtschafteten Einzugsgebieten verwendet. Die Modellerweiterungen und die zugrundeliegenden Prozessbeschreibungen wurden auf verschiedenen Skalen verifiziert: Auf der Parzellenskale konnten Beregnungsversuche aus der Datenbank besser simuliert werden als ohne die Modellerweiterung. Durch die konservierende Bodenbearbeitung und die erosionsverringernde Fruchtfolge auf den Ackerflächen (Hangskale) des Klosterguts Scheyern konnte im Modell ein hoher Abflussanteil an Zwischenabfluss (Interflow) nachgewiesen werden, der durch die erhöhte Ausbildung stabiler Makroporen und als zeitlich verzögerte Abflusskomponente größeren Anteil am Gesamtabfluss hat. Bei der Simulation der konventionellen Bodenbearbeitung auf der unteren Mesoskale (Weiherbachgebiet) konnten bei einzelnen Starkregenereignissen räumlich detailliert verschlämmungsgefährdete Bereiche ausgewiesen werden. Durch das Verschlämmungsmodul und das Surface Routing können schnell reagierende Abflusskomponenten simuliert werden, die in einer Modellanwendung ohne Erweiterung langsamer reagieren.
Publications
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