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Eignen sich Erosionsmodelle wie WEPP, EROSION 2D, RUSLE

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Eignen sich Erosionsmodelle wie WEPP, EROSION 2D, RUSLE oder
die ABAG zu einer Kontrolle gesetzlicher Erosions-Richtwerte?
Validierung von Modellen anhand von Oberflächenabfluss- und Bodenabtragsmessungen
von
B. Hebel*, M. Potschin* und C. Seiberth*
1. Einleitung
Mit einer „Verordnung über Belastungen des Bodens“ (VBBo; SCHWEIZERISCHER BUNDESRAT, 1998)
führt die Schweiz erstmals Richtwerte für Bodenerosion auf Ackerflächen ein (Tab. 1). Die Einhaltung der
Richtwerte wird durch die Kantone kontrolliert. Der durchschnittliche flächenhafte Bodenabtrag soll unter
Berücksichtigung von Niederschlag, Bodenerodierbarkeit, Hanglänge, Hangneigung und Fruchtfolge
abgeschätzt werden. Der durchschnittliche linienhafte Bodenabtrag soll parzellenweise aufgrund von Beobachtungen über fünf Jahre bestimmt werden. Dabei sollen die zeitliche Häufigkeit der Bildung sowie Anzahl
und Tiefe von Erosionsrinnen berücksichtigt werden. Die Schätzwerte für flächenhafte und linienhafte Bodenerosion werden zu einem gesamten durchschnittlichen Bodenabtrag summiert, welcher zur Kontrolle der
Richtwerte dienen soll.
Tab. 1: Richtwerte der VBBo für zulässige Bodenerosion auf Ackerflächen
(SCHWEIZERISCHER BUNDESRAT, 1998)
Durchwurzelbare Mächtigkeit des Bodens
[cm]
bis 70
über 70
Gesamter durchschnittlicher Bodenabtrag
[t TS ha-1 a-1]
2
4
Die genaue Methodik zur Abschätzung der durchschnittlichen Bodenabträge bleibt durch die VBBo ungeregelt. Dies drängt zu einer verstärkten Untersuchung der Zuverlässigkeit von Instrumenten zur Abschätzung
von durchschnittlichen Bodenerosionsraten und von deren Eignung zur Überprüfung der Einhaltung von
Richtwerten.
2. Aufgabenstellung und Hypothesen
Oberflächenabfluss und Bodenabtrag von zwei schwarzbrachen Erosionsparzellen in der Nordwest-Schweiz
werden mit den physikalisch orientierten Simulationsmodellen WEPP (Water Erosion Prediction Project;
FLANAGAN and NEARING, 1995) und EROSION 2D (SCHMIDT et al., 1996) sowie mit den empirischen
Erosionsmodellen RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation; RENARD et al., 1991) und ABAG (Allgemeine Bodenabtrags-Gleichung; SCHWERTMANN et al., 1990) für die Jahre 1995 bis 1998 berechnet.
Den Modellergebnissen werden Messdaten von den Parzellen über denselben Zeitraumes gegenübergestellt.
Folgende Arbeitshypothesen werden angenommen:
§ Die Messmethode auf den Erosionsparzellen liefert hinreichend genaue Werte für den Oberflächenabfluss
und den Bodenabtrag von Einzelereignissen.
§ Die statistische Korrelation zwischen Messwerten und Modellberechnungen für Oberflächenabfluss und
Bodenabtrag ist eine geeignete Methode zur Validierung von Erosionsmodellen.
§ Die Untersuchungen wurden für schwarzbrache Messparzellen durchgeführt, lassen jedoch Aussagen
über das grundsätzliche Verhalten der Modelle bei bewirtschafteten Ackerschlägen zu.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Beurteilung der Modelle im Hinblick auf einen möglichen Einsatz zur
Kontrolle der Einhaltung von gesetzlichen Richtwerten. Die Qualität des Zusammenhanges zwischen Modell- und Messergebnissen soll Aussagen über die Eignung und Zuverlässigkeit der Modelle ermöglichen
und so einen Beitrag zur Diskussion über Schätzmethoden für die Richtwertkontrolle liefern.
*
Universität Basel, Departement Geographie, CH-4055 Basel, Spalenring 145
3. Material und Methoden
Zur Validierung der Modellergebnisse dienen Messdaten von zwei Erosionsparzellen namens T1 (nahe Möhlin; HEBEL und SIEGRIST, 1998) und T50 (Länenbachtal, nahe Rothenfluh), die im Rahmen einer
langjährigen Erfassung von Stofftransport-Prozessen in unterschiedlichen Maßstäben seit 1973 (T1) bzw.
1984 (T50) betrieben werden. Die Parzellen wurden während des Untersuchungszeitraumes durch manuelle
Unkrautbekämpfung kontinuierlich schwarzbrach gehalten. Auf den Parzellen wurde jeweils im Mai und
November durch Umspaten und Rechen ein Saatbettzustand hergestellt. Tab. 2 stellt charakteristische
Kennwerte der beiden Erosionsparzellen dar:
Tab. 2: Charakterisierung der Erosionsparzellen T1 und T50
Kennwert
Mittlerer Jahresniederschlag (1976-96) [mm]
Seehöhe [m NN]
Bodentextur
Gefälle [%]
Abmessungen (Breite x Länge) [m]
T1 (Möhlin)
995
300
Lt2
14
3 x 10
T50 (Länenbachtal)
1087
540
Lt3
21
3 x 20
Die Parzellen wurden mit Kunststoffblechen abgegrenzt. Die abfließende Wasser-Sediment-Suspension
wurde mit je drei Abfluss-Trichtern aufgefangen und in drei 150 l Sammelfässer aus Kunststoff weitergeleitet.
Oberflächenabfluss und Bodenabtrag wurden zumindest einmal wöchentlich bestimmt, nach grösseren Niederschlagsereignissen wurden zusätzliche Zwischenmessungen eingeschoben. Die Standorte waren mit Regenschreibern ausgestattet. Luftfeuchtigkeit sowie aktuelle, maximale und minimale tägliche Lufttemperatur
wurden kontinuierlich aufgezeichnet.
Grundsatz für die Simulationen war eine praxisnahe Anwendung der Modelle. Für den Modellinput wurden
nur Daten herangezogen, die mit einfachem Messaufwand oder mit Hilfe von Funktionen aus den Modelldokumentationen erstellt werden können. Die Boden-Eingangsparameter für die Modelle wurden in Laborversuchen (Textur, organischer Kohlenstoff, Lagerungsdichte, Wassergehalt) und mit Hilfe von Pedo-Transferfunktionen (organische Substanz, Kationenaustauschkapazität, Albedo, Erodierbarkeit, kritische hydraulische
Schleppspannung, gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, Sättigung) ermittelt. Die Klima-Inputdaten für die
Modelle wurden mit erhobenen Messdaten und mit Daten der Schweizerischen Meteorologischen Anstalt
(SMA, Stationen Rünenberg und Möhlin: Globalstrahlung, Lufttemperatur) erstellt.
Frühere Untersuchungen (HEBEL und SIEGRIST, 1998) hatten gezeigt, dass eine Kalibrierung der Modelle
meist den Zusammenhang zwischen Modell- und Messergebnissen nicht verbessern konnte. Da zudem in der
Praxis meist keine Modellkalibrierung möglich ist, wurden alle Modelle unkalibriert verwendet.
4. Ergebnisse
Die WEPP-Simulationen wurden im kontinuierlichen Modus über den gesamten Zeitraum von 1995 bis1998
durchgeführt. Mit EROSION 2D wurden nur die erosiven Ereignisse in diesem Zeitraum simuliert. Mit
RUSLE und der ABAG wurden mittlere jährliche Bodenabträge der Jahre 1995 bis 1998 errechnet, welche
durch die Erosivität EI30 aller Niederschlagsereignisse während eines Jahres mit mehr als 10 mm
Niederschlagshöhe oder mehr als 10 mm h-1 maximaler Niederschlagsintensität hervorgerufen werden.
Tab. 3 fasst Niederschlagssummen und EI30-Summen für die einzelnen Jahre und für die erosionswirksamen
Ereignisse, sowie die Abfluss- und Abtrags-Jahressummen von Messungen und Berechnungen zusammen.
Abb. 1 stellt gemessene und berechnete (EROSION 2D und WEPP) Bodenabträge der Einzelereignisse auf
den Parzellen T1 und T50 (zusammengefasst) in Korrelationsdiagrammen gegenüber.
Abb. 2 zeigt die berechnete Niederschlagsenergie (EI30) und gemessene und berechnete Bodenabträge von
den beiden Erosionsparzellen als Mittelwerte aus den Jahressummen 1995 bis 1998. Die ABAG überschätzte
den Jahresbodenabtrag im Mittel um 111 % (T1) bzw. 129 % (T50), die Ergebnisse nach RUSLE lagen im
Mittel um 92 % (T1) bzw. 77 % (T50) über den Messwerten. Bei den physikalisch orientierten Modellen
WEPP und EROSION 2D lagen die Mittelwerte der berechneten jährlichen Abtragssummen um rund 35 bis
90 % unter den gemessenen Bodenabträgen. WEPP berechnete die Jahressummen der Abträge im Mittel um
78 % (T1) bzw. 34 % (T50) niedriger als die gemessenen Werte, EROSION 2D unterschätzte sie um 58 %
(T1) bzw. 52 % (T50).
Tab. 3: Mess- und Modellergebnisse für Oberflächenabfluss und Bodenabtrag von den Erosionsparzellen
T1 und T 50 (Messungen teilweise SIEGRIST, 1997)
Anzahl Summe erosive Ereign.: gemessener berechnete Abflüsse: gemessemer berechnete Abträge:
Jahressummen:
Niederschlag NS-Energie erosive Niederschlag NS-Energie Abfluss
WEPP Erosion2D
Abtrag ABAG RUSLE WEPP Erosion2D
[mm]
[N/h]
Ereign.
[mm]
[N/h]
[mm]
[mm]
[mm]
[t/ha]
[t/ha] [t/ha] [t/ha]
[t/ha]
Parzelle T1 (Möhlin):
1995
1134
147.8
9
194.5
98.7
63.1
21.6
65.8
45.5 52.3
42.6
3.4
15.4
1996
744
28.1
12
0
0
0
0
0
0
9.9
8.7
0
0
1997
815
58.1
9
238.4
1.2
8.8
20.5
12.5
6.6 20.6
19.5
1.7
2.4
1998
901
111.0
1
226.6
4.0
19.4
21.5
34.4
5.8 39.3
40.4
7.8
6.3
Summe
3593
345
31
659.5
103.9
91.2
63.6
112.7
57.9 122.1 111.2 12.9
24.1
Stdabw.
170
53.5
111.5
48.5
28.0
10.6
28.8
20.9 18.9
16.4
3.3
6.8
Mittel
898
86.3
164.9
26.0
22.8
15.9
28.2
14.5 30.5
27.8
3.2
6.0
1976-96
995
Parzelle T50 (Länenbachtal):
1995
1178
211.3
9
185.8
151.5
32.8
62.6
86.8
127.3 147.1 107.6 55.0
38.9
1996
916
84.1
0
172.8
39.1
6.4
11.7
43.0
13.8 58.5
49.3
7.5
19.6
1997
891
96.8
10
194.4
30.6
4.1
14.0
21.9
3.4 67.4
53.8 16.6
7.6
1998
957
83.6
12
51.9
25.0
0.2
19.2
5.8
0 58.2
44.8 16.0
2.7
Summe
3942
475.8
31
604.9
246.2
43.4
107.5
157.5
144.5 331.2 255.5 95.1
68.7
Stdabw.
131
61.9
66.8
60.2
14.9
24.0
35.1
61.1 43.1
29.4 21.2
16.1
Mittel
985
119.0
151.2
61.5
10.9
26.9
39.4
36.1 82.8
63.9 23.8
17.2
1976-96
1087
Simulation mit Erosion2D
Simulation mit WEPP
60
60
55
45
n=48
Se=9.3mm
y = 0.25x + 1.21
50
R2 = 0.66
berechneter Abtrag [t/ha]
berechneter Abtrag [t/ha]
55
n=48
Se=6.9mm
y = 0.25x + 1.11
50
40
35
30
25
20
15
45
35
30
25
20
15
10
10
5
5
0
R2 = 0.37
40
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
gemessener Abtrag [t/ha]
gemessener Abtrag [t/ha]
Abb. 1: Gegenüberstellung von gemessenen und berechneten Bodenabträgen durch Einzelereignisse auf den Erosionsparzellen T1 und T50 (zusammengefasst)
Niederschlagsenergie und Bodenabtrag
Mittelwerte aus Jahressummen 1995 - 1998
140
0
86
26
100
100
150
80
83
60
40
20
50
119
31
200
250
36
28
14
64
24
3
17
6
350
400
0
Parze lle T1 (Möhlin)
Parzelle T50 (Länenbachtal)
Linke Ordinate (Bodenabtrag):
Messung
300
NS-Energie EI30 [N/h]
Bodenabtrag [t/ha]
120
62
ABAG
RUSLE
Rechte Ordinate (NS-Energie):
WEPP
Erosion2D
EI30 (Jahressummen)
EI30 (eros. Ereign.)
Abb. 2: Mittelwerte (1995-1998) der Jahresniederschagsenergien (EI30; Gesamtsumme bzw. Summe der erosiven Ereignisse) sowie der gemessenen und
berechneten Jahresabträge
Mit Hilfe der ABAG für mittlere Jahresniederschlagsmengen (1976-96; s. Tab. 2) abgeschätzte langjährige
durchschnittliche jährliche Bodenabtragsraten auf den Parzellen betragen 29 t ha-1 a-1 (T1) bzw. 61 t ha-1 a-1
(T50). Im Vergleich dazu wurden mit Hilfe des von MOSIMANN und RÜTTIMANN (1995) entwickelten
Verfahrens zur Abschätzung der Erosionsgefährdung für Einzelschläge im Kanton Basel-Landschaft durchschnittliche jährliche Bodenverluste von 2,7 mm a-1 (T1) bzw. 1,1 mm a-1 (T50) errechnet, was Bodenabtragsraten von rund 41 t ha-1 a-1 (T1) bzw. 17 t ha-1 a-1 (T50) entspricht. Diese aus der ABAG abgeleitete Methode wird für die gesamte Schweiz erweitert und soll zur Kontrolle der gesetzlichen Richtwerte herangezogen werden (EIDG. DEPARTEMENT DES INNEREN, 1997).
5. Schlußfolgerungen
§ Die Jahressummen der Abträge wurden von den WEPP und EROSION 2D zwar im Mittel etwa um die
Hälfte unterschätzt, der Korrelationskoeffizient zwischen gemessenen und berechneten Werten von
Einzelereignissen ist jedoch hoch. RUSLE überschätzte die jährlichen Bodenabträge zwar stark, die
prozentualen Abweichungen der mehrjährigen Mittelwerte von Messungen und Berechnungen ist jedoch
gering. Dies lässt den Schluss zu, dass sich diese Modelle gut für eine Abschätzung der relativen
Erosionsgefährdung verschiedener landwirtschaftlicher Standorte oder der relativen Wirkungen
unterschiedlicher Bewirtschaftungvarianten im Rahmen von Planungsaufgaben (Erosionsschutz) eignen.
Bei der Berechnung des Oberflächenabflusses lieferten beide physikalischen Modelle ungenügende
Ergebnisse.
§ Die ABAG-Modellgleichung lieferte bezüglich der mehrjährigen Mittelwerte und vor allem bezüglich der
Streuung der einzelnen Jahreswerte für beide Standorte ungenügende Ergebnisse bezüglich der eingangs
formulierten Fragestellung. Dies führt zu dem Schluss, dass die ABAG selbst für eine Abschätzung
relativer Unterschiede des langfristigen mittleren Bodenabtrages von unterschiedlichen Standorten oder
Bewirtschaftungsvarianten nur bedingt eingesetzt werden kann.
§ Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass sich sowohl die beiden physikalischen Modelle WEPP und
EROSION 2D, als auch das empirische RUSLE-Modell als ergänzende Kontrollinstrumente für gesetzliche Erosions-Richtwerte eignen. Eine vorherige Adaptierung der Modelle für regionale Verhältnisse ist
dabei jedoch unerlässlich. Ein zuverlässiger Einsatz von Modellen erfordert zudem grosse Erfahrung des
Anwenders mit der Inputerstellung und dem Verhalten des jeweiligen Modells. Als Grundsatz für eine
Verwendung von Modellen kann gelten: Es sollten nur langjährige Abschätzungen für die Kontrolle von
Erosionsrichtwerten herangezogen werden und nicht Ergebnisse einzelner Jahre oder gar Ereignisse. Die
ABAG-Modellgleichung und die Methode nach MOSIMANN und RÜTTIMANN (1995) erscheinen
aufgrund der grossen Abweichungen zwischen Mess- und Modellergebnissen für eine Verwendung zur
Richtwert-Kontrolle als nicht ausreichend zuverlässig.
Literaturverzeichnis:
EIDG. DEPARTEMENT DES INNEREN, 1997: Erläuterungen zur Verordnung über Belastungen des Bodens (VBBo), Bern, Oktober 1997, 23 S.
FLANAGAN, D.C., and NEARING, M.A. (1995): USDA-Water Erosion Prediction Project (WEPP), - Technical Documentation.
NSERL Report No. 10, National Soil Erosion Research Laboratory, USDA-ARS-MWA, West Lafayette, IN.
HEBEL, B., and S. SIEGRIST (1998): Plot Size Application and Validation of WEPP for Swiss Conditions. In: Wiener Mitteilungen, - Experiences with Soil Erosion Models. No. 151, Ed. University of Agricultural Sciences, Department of Hydraulics
and Rural Water Management, Vienna, pp 149-160.
MOSIMANN, T., und RÜTTIMANN (1995): Bodenerosion selber Abschätzen, - Ein Schlüssel für Betriebsleiter und Berater. Hg.
Volkswirtschafts- und Sanitätsdirektion des Kantons Basel-Landschaft, Sissach, 17 S.
RENARD, K.G., G.R. FOSTER, G.A. WEESIS, and J.P. PORTER (1991): RUSLE: Revised Universal Soil Loss Equation. In:
Journal of Soil and Water Conservation, No. 46 (1), pp. 30-33.
SCHMIDT, J., M. v. WERNER, und A. MICHAEL (1996): Erosion 2D/3D, - Ein Computermodell zur Simulation der Bodenerosion
durch Wasser. Ed. Freistaat Sachsen: Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft und Sächsisches Landesamt für Umwelt
und Geologie; Dresden und Freiberg, 223 S.
SCHWEIZERISCHER BUNDESRAT (1998): Verordnung über Belastungen des Bodens (VBBo), 814.12, Bern, 1. Juli.
SCHWERTMANN, U., VOGL, W., und KAINZ, M. (1990): Bodenerosion durch Wasser, - Vorhersage des Abtrags und Bewertung
von Gegenmaßnahmen. 2. Aufl., Ulmer Verlag, Stuttgart, 64 S.
SIEGRIST, S. (1997): Untersuchungen zur Erodierbarkeit einer langjährigen Erosionsparzelle im Länenbachtal (CH). In: Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, Nr. 83, S. 467-470.
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