Bodenerosion und Rillenentwicklung : Quantifizierung mittels Regensimulationsversuchen auf Laborparzellen mit konstanter Niederschlagsmenge und variierender Niederschlagsintensität : Diplomarbeit, philosophisch-naturwissenschaftlichen Fakultät, Universität Bern
Im IPCC1 -Report 2007 wird darauf hingewiesen, dass eine Zunahme von Starkniederschlägen in der Zukunft sehr wahrscheinlich sei. In Bezug auf diese Thematik sollten die Einfüsse solcher Extremereignisse auf die Bodenerosion und insbesondere die Rillenentwicklung untersucht und weitere Erkenntnisse gewonnen werden. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Geologie der Universität Bern und der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) in Birmensdorf (ZH) durchgeführt. Das Ziel der Arbeit war, in Laborversuchen Bodenparzellen bei variierender Niederschlagsintensität und konstanter Niederschlagsmenge zu beregnen. Dabei waren die Entwicklung von Rillennetzwerken und die Bodenerosion unter anderem mit Hilfe photogrammetrischer Aufnahmen zu quanti zieren und zu beschreiben. Die Experimente sollten Zusammenhänge aufdecken und zur Validierung von prozessorientierten Bodenerosionsmodellen beitragen. Weitere Bestandteile der Arbeit waren die Konstruktion der Versuchselemente und die Kalibrierung des Regensimulators. Beim Regensimulator handelte es sich um einen an der WSL fest installierten Schwerkraftregner mit einem untergespannten Netz zur besseren Verteilung der Regentropfen. Die grössten Schwierigkeiten entstanden aus der räumlich und zeitlich ungleichmässigen Niederschlagsverteilung. Die Intensitätsschwankungen über die Zeit konnten aber durch regelmässige Kontrollen reduziert und erfasst werden. Zudem erreichten die simulierten Niederschläge auf Grund der zu kleinen Fallhöhe im Vergleich zu natürlichen Ereignissen zu geringe kinetische Energien. Für die Versuche mussten daher höhere Intensitäten verwendet werden, um auf vergleichbare kinetische Energien zu gelangen. Insgesamt konnten aber mit einigen Einschränkungen gute und reproduzierbare Resultate erzielt werden. Für die Versuche wurde eine Holzbox mit den Massen 2 x 1 x 0,35 m auf einem verschiebbaren Rohrgestell konstruiert. Die Füllung erfolgte in der unteren Hälfte durch Mischsand und im oberen Teil mit einer im Voraus angetrockneten und gesiebten Braunerde. 1Intergovernmental Panel on Climate Change Die beiden Schichten wurden durch ein Geotextil abgetrennt und der Braunerdekörper wurde vor jedem Versuch erneuert. Vor der Beregnung erfolgte die Befeuchtung und Drainage des Boxinhaltes in zwei Durchläufen mit einem speziellen Be- und Entwässerungssystem. Für die drei Versuchsanordnungen mit 60, 90 und 120 mm/h Beregnungsintensität, einer Gesamtniederschlagsmenge von ca. 240 mm und einer Boxneigung von 20% wurden 11 Versuche durchgeführt. Während der Beregnung wurden die Sedimentfracht-, Ab uss- unDrainagemengen gemessen und mit einem TDR-System die Veränderungen des Bodenwassergehaltes aufgezeichnet. Die Ober ächenzustände wurden mit Hilfe photogrammetrischer Aufnahmen erfasst und ausgewertet. Die Resultate der Versuche zeigten, dass ein positiver, nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Beregnungsintensität und der Rillenentwicklung und Bodenerosion bestand. Zwischen 60 und 90 mm/h Beregnungsintensität war ein Schwellenwert vorhanden, welcher über die Rillenentwicklung entschied. Bei der Überschreitung dieses Grenzwertes wurden Rillennetzwerke ausgebildet, die Energie und Rillendichte nahmen zu Beginn der Beregnung stark ab und ein Gleichgewichtszustand wurde erreicht. Die schnellsten Energie- und Rillendichtenreduktionen stimmten mit den grössten Sedimentfrachtmengen überein. Bei den Erosionsprozessen dominierte zu Beginn der Beregnung die Wirkung der auftre enden Regentropfen. Nach der Ausbildung von Vertiefungen, der anschliessenden Verbindung und Bildung eines ersten Netzwerkes herrschten die Ab ussprozesse über das Erosionsgeschehen vor. Je höher die Beregnungsintensitäten waren, desto tiefer und besser ausgebildet waren die Rillennetzwerke und desto höher war die Gesamterosion. Zusammenfassend kann eine sehr positive Bilanz über das Projekt gezogen werden. Hinweise auf Abhängigkeiten konnten gewonnen werden und die photogrammetrischen Aufnahmen eigneten sich zur Quanti zierung von Rillennetzwerken. Wünschenswert wären weitere Projekte, welche die Resultate in einen grösseren Zusammenhang stellen und weitere Erkenntnisse liefern würden. Nach dem einleitenden Kapitel werden in der Arbeit die theoretischen Grundlagen zur Erosion, zu Regensimulatoren und zur Photogrammetrie erläutert (Kapitel 2). Anschliessend folgt im Methodikteil (Kapitel 3) die Beschreibung der Versuchsanordnung und -durchführung. In einem separaten Kapitel (4) wird der Regensimulator an der WSL beschrieben und in Bezug auf die durchgeführte Kalibrierung beurteilt. Die Resultate der Versuche werden im Kapitel 5 dargestellt und in der Synthese (Kapitel 6) interpretiert, zusammengefasst und ein Fazit zur Arbeit wird gezogen.
