RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Erosion

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken

Bestimmung der Erosionsgefährdung

Allgemeine Bodenabtragsgleichung

Vorlesung 10

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen:

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/


Bestimmung der Erosionsgefährdung

R: Regenfaktor (Erosivität Regen)

K: Bodenerodierbarkeitsfaktor (Anfälligkeit des Bodens)

LS: Topographiefaktor

C: Bodenbedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor

P: Erosionsschutzfaktor

A = R x K

x LS

x C

x P [t / ha x a]

Basis: Allgemeine Bodenabtragsgleichung („ABAG“)



Gewässer Einzugsgebiet

50 [N/(h*a)] 60

[N/(h*a)]

R-Faktor

Der Regenfaktor ist ein Maß für die gebietsspezifische

Erosionskraft des Regens.

Mit dem Faktor werden die Einflüsse der kinetischen

Energie sowie der Niederschlagsintensität aller

erosionswirksamen Einzelregen berücksichtigt.

Als Datenquelle kann die Isoerodentenkarte des

Geologischen Dienstes NRW herangezogen werden.

Regenfaktor R



Intensität

[mm/h]

medianer

Durchmesser

[mm]

Fallge-

schwindigkeit

[m/s]

kinetische

Energie

[kJ/m² x h]

Sprühregen 0,2 0,10 0,200

Nieselregen 0,5 1,00 4,200

Leichter Regen 1,0 1,20 4,900

Starker Regen 15,0 2,10 6,900

Gewitterregen 100,0 3,00 8,400

10-3

100

101

103

104

Niederschlag und kinetische Energie

Video: Splash-Effekte - Erosion durch Wassertropfen

http://www.youtube.com/watch?v=fFEv_3I2SWs


Gewässer Einzugsgebiet

K-Faktor [(t*h)/(ha*N)]

0.0 - 0.1 0.1 -

0.2 0.2 - 0.3 0.3

- 0.4 0.4 - 0.5

0.5 - 0.6

Der Faktor beschreibt die Erosionsanfälligkeit des Bodens.

Er ist abhängig von:

• der Körngrößenverteilung

• dem Anteil an organischer Substanz

• der Aggregatklasse des Oberbodens

• der Durchlässigkeit

Die Informationen sind aus den digitalen Bodenkarten

des Geologischen Dienstes zu entnehmen.

Bodenerodierbarkeitsfaktor K



Mit dem Faktor wird das Verhältnis des Abtrags eines

Hangs vorgegebener Neigung zu einem Standardhang

abgebildet.

In die Berechnung gehen die Hanglänge und die Gelände-

neigung ein.

LS = (L/22)m (65,41 sin² + 4,56 sin + 0,065)

Gewässer Einzugsbebiet

S-Faktor

0.07 – 0.11 0.11 – 0.30

0.30 – 0.96 0.96 – 2.86

>2.86

Topografiefaktor S




C-Faktor

0.001 0.004

0.200 0.250

Der Faktor beschreibt die Boden-nutzung sowie die

Bepflanzung.

Die Wertzuweisung erfolgt beispielsweise anhand von

ATKIS-Kategorien:

Bebaute Fläche = 0,0

Grünland = 0,004

Wald = 0,002

Ackerfläche = 0,25

Mit dem Erosionsschutzfaktor P können Erosionsschutzmaßnahmen berücksichtigt werden.

Im Regelfall liegen keine belastbaren Informationen vor, so dass der Parameter als neutrale Größe in die Berechnung eingeht (P = 1,0).

Bodenbedeckungsfaktor C und Erosionsschutzfaktor P




Potenzieller Abtrag [t/(ha*a)]

0 - 1 (geringe Gefährdung) 1 - 5 (mittlere

Gefährdung) >5 (starke Gefährdung)

Ergebnis der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung

Mittleres Abtragspotenzial

des Einzugsgebietes:

1,11 t/(ha*a)

auf den erosions-

relevanten Nutzflächen.

Die Methode liefert grundsätzlich plausible Werte; der

Aufwand für die praktische Anwendung hält sich in

Grenzen.

Als Defizit ist die generelle Informationslücke bei den

Erosionsschutzmaßnahmen anzusehen.

Ergebnis der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung



Beispielhafte Probleme bei der Anwendung der ABAG

Das vorhandene landesweite DGM5

wiesen diverse Lücken auf, die durch

Informationen des DGM 25 aufgefüllt

werden mussten.

Die Höhenangaben an den Modell-

rändern stimmten nicht überein,

so dass gesonderte Methoden zum

Randabgleich notwendig wurde.



Modellergebnis für den Aachener Kessel

Höhenmodell [mNN]

-44,25 - 36,37 36,38 -

117,00 117,01 - 197,63

197,64 - 278,26 278,27 -

358,89 358,90, -439,52

439,53 - 520,15 520,16 -

600,78 600,79 - 681,41



Bröl (Nebenfluss der Sieg)

Einzugsgebiet: 217 km2

Lauflänge: 45 km

Höhenlage: 67 - 398 m

Mittleres Gefälle: 6 ‰

Vergleich von CORINE und ATKIS Daten als Basis für die ABAG



CORINE (CORINE LAND COVER)

CORINE Land Cover Daten werden auf der Basis der computerunterstützten visuellen Photointerpretation von Satellitendaten mit Hilfe topografischer & thematischer Karten erstellt.

Das Ziel ist die Ermittlung der Landnutzung im Arbeitsmaßstab 1:100.000.



(Amtliches topographisch-kartographisches

Informationssystem)

Die ATKIS Daten werden auf der Grundlage der

DGK5 Orthophotos erstellt.

Dabei ergibt sich eine

Digitalisierungsgenauigkeit von 3 m.

Das Ziel ist die Schaffung von Geobasisdaten

im Arbeitsmaßstab 1:15.000

ATKIS Datenbasis



CORINE

Gegenüberstellung ATKIS / CORINE




ATKIS



Siedlung

Acker

Grünland

Wald

sonstige LW

Corine

ATKIS

12

6

49

32

03

0

66

23

7




ATKIS

CORINE a

CORINE b

Obergrenze 30 [t/(ha*a)]

ohne Obergrenze

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

[t/(

ha

*a)]

1

2,2

0,1

1

3,6

0,1

Auswirkungen auf ABAG Berechnungen



•Bei der Anwendung von CORINE Daten für Mittelgebirgseinzugs-gebieten ist auf Grund der Lageungenauigkeit der

Daten mit einer fehlerhaften Lokalisierung von Belastungsquellen und Maßnahmen zu rechnen.

•Die Flächenbilanzen weisen Abweichungen von bis zu 75 % gegenüber den ATKIS Daten auf. Hierdurch entstehen

quantitative Fehler bei der Ermittlung von Belastungen.

•Als Basis für die Einbindung der Daten in die Berechnung der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung sind die CORINE

Daten nicht geeignet.

Ergebnis für das Fallbeispiel Mittelgebirgseinzugsgebiet



Schwalm

Einzugsgebietsgröße: 254 km²

Lauflänge in NRW: 33 km

Höhenlage: 28 - 85 m

Mittleres Gefälle: 1,7 ‰

Fallbeispiel 2: Tieflandeinzugsgebiet




Siedlung

Acker

Grünland

Wald

Corine

ATKIS

21

43

8

27

15

57

2

25


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