Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung winderosionsbedingter Staubausträge in Agrarlandschaften Niedersachsens:
Gespeichert in:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Hannover
Geographisches Inst., Abt. Physische Geographie und Landschaftsökologie, Sekretariat
2002
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| Schriftenreihe: | Geosynthesis
12 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2002. - Mit engl. Zsfassung |
| Beschreibung: | 142 S. Ill., graph. Darst., Kt. : 30 cm |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abstract.........................................................................................................................................1
Das Wichtigste in Kürze...............................................................................................................2
Vorwort..........................................................................................................................................3
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................................5
Abbildungsverzeichnis.................................................................................................................8
Tabellenverzeichnis....................................................................................................................10
Kartenverzeichnis.......................................................................................................................11
1 Einleitung.....................................................................................................................12
1.1 Das Problem winderosionsbedingter Staubausträge........................................................12
1.2 Zielsetzung.......................................................................................................................13
2 Aspekte der winderosionsbedingten Staubdynamik................................................15
2.1 Definition und Abgrenzung der Begriffe Freisetzung und Emission..................................15
2.2 Physikalische Grundlagen der Bodenerosion durch Wind................................................16
2.2.1 Die bodennahe Grenzschicht.................................................................................16
2.2.2 Ablösung der Bodenpartikel...................................................................................17
2.2.2.1 Ablösung durch aerodynamische Kräfte...................................................17
2.2.2.2 Ablösung durch sanierende Bodenpartikel................................................19
2.2.3 Transport................................................................................................................19
2.2.3.1 Bodenkriechen.........................................................................................20
2.2.3.2 Saltation...................................................................................................20
2.2.3.3 Suspension...............................................................................................21
2.3 Mechanismen der Staubfreisetzung.................................................................................21
2.4 Dynamische Eigenschaften suspensionsfähiger Bodenpartikel........................................22
2.5 Transportkapazität der Luftströmung................................................................................23
2.6 Modellierung winderosionsbedingter Staubemissionen....................................................24
2.7 On- und Off-site Schäden durch Staubemissionen...........................................................25
3 Methodik.......................................................................................................................29
3.1 Konzeptionelles Vorgehen...............................................................................................29
3.2 Experimentelle Untersuchungen im Windkanal................................................................32
3.2.1 Physikalische Einschränkungen bei Windkanalexperimenten................................32
3.2.2 Beschreibung des Windkanals des Bodentechnologischen Instituts.......................33
3.2.3 Die Versuchsböden und ihre Vorbereitung.............................................................35
3.2.4 Beschreibung des Versuchsablaufs.......................................................................37
Inhaltsverzeichnis
3.2.5 Ermittlung aerodynamischer Parameter.................................................................37
3.2.6 Quantifizierung des Sedimenttransportes im Windkanal.........................................39
3.2.7 Berechnung vertikaler Partikelströme.....................................................................41
3.3 Feldmessungen................................................................................................................42
3.3.1 Intensivmessfläche Grönheim................................................................................44
3.3.2 Messung klimatischer Parameter...........................................................................45
3.3.3 Quantifizierung des Sedimenttransportes im Feld..................................................46
3.3.4 Bestimmung des Bodenerodierbarkeitsfaktors (K-Faktor)......................................46
3.5 Allgemeine Labormethoden..............................................................................................47
3.5.1 Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Laserbeugung.................................48
3.5.2 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung.....................................................49
4 Sedimenttransport unter Standardbedingungen im Windkanal..............................50
4.1 Aerodynamische Kenngrößen der Versuchsböden..........................................................50
4.2 Bodenabträge im Windkanal............................................................................................51
4.2.1 Gesamtsedimenttransporte.....................................................................................51
4.2.2 Gesamtsedimenttransporte in Abhängigkeit vom Bodenerodierbarkeitsfaktor........52
4.2.3 Sedimenttransport in Abhängigkeit von der Schubspannungsgeschwindigkeit.......54
4.3 Korngrößenzusammensetzung der erodierten Sedimente................................................56
4.3.1 Sand- und Staubanteile an der Gesamtsedimentfracht..........................................57
4.3.2 Die vertikale Differenzierung zwischen Staub- und Sandtransport.........................59
4.4 Sand- und Staubtransporte..............................................................................................60
4.4.1 Horizontale Sand- und Staubtransporte.................................................................60
4.4.2 Vertikale Staubtransporte.......................................................................................61
4.4.2.1 Staubfreisetzung der Versuchsböden.......................................................61
4.4.4.2 Quantifizierung des potenziellen Staubaustrages.....................................62
4.5 Diskussion der Windkanalergebnisse...............................................................................64
5 Sedimenttransport auf den untersuchten Ackerflächen..........................................67
5.1 Klimatische Erosivität im Beobachtungszeitraum.............................................................67
5.1.1 Die Erosionsereignisse im Mai 1999......................................................................68
5.2 Sedimenttransport auf der Messfläche.............................................................................70
5.2.1 Die Sedimenttransporte in ihrer vertikalen Differenzierung.....................................70
5.2.2 Gesamtsedimenttransporte auf dem Messfeld.......................................................71
5.3 Korngrößenzusammensetzung der eingefangenen Sedimente........................................72
5.4 Dynamik der Sand- und Staubtransporte..........................................................................73
5.4.1 Horizontale Staub- und Sandtransporte.................................................................73
5.4.2 Erosion und Akkumulation innerhalb der Messfläche.............................................75
Inhaltsverzeichnis
5.4.3 Vertikale Suspensionstransporte............................................................................76
5.4.3.1 Freisetzung suspensionsfähiger Partikel...................................................76
5.4.3.2 Quantifizierung und Bilanzierung der Staubausträge................................77
5.5 Entwicklung des Sedimenttransportes entlang von Transekten........................................78
5.6 Diskussion der Feldmessergebnisse................................................................................81
6 Ermittlung winderosionsbedingter Staubquellstärken anhand ausgewählter
Bodeneigenschaften...................................................................................................83
6.1 Definition der Staubquellstärke.........................................................................................83
6.2 Bestimmung der Staubquellstärken für die Windkanalböden............................................84
6.2.1 Faktoren der Staubquellstärke...............................................................................85
6.3 Abschätzung von Staubfreisetzung und -austrag anhand der Staubquellstärke...............88
6.4 Anwendung der Methodik auf Feldmessergebnisse.........................................................88
7 Konzept zur flächenhaften Abschätzung von Staubausträgen...............................91
7.1 Bereitstellung der Eingangsparameter zur Abschätzung der Staubquellstärke.................91
7.1.1 Ableitung von relevanten Bodenkennwerten aus Daten der Bodenschätzung........91
7.1.2 Einbeziehung weiterer Kenngrößen der Bodenschätzung......................................94
7.2 Klassifizierung der Staubquellstärke.................................................................................95
7.3 Berechnung ereignisbezogener Staubemissionen für ausgewählte Raumausschnitte.....97
7.3.1 Modellierung des Sedimenttransportes mit Hilfe des WEELS-Modells...................97
7.3.2 Ableitung horizontaler Sedimenttransporte anhand der relativen Erodibilität........100
7.4 Arbeitsschritte zur Abschätzung der Staubausträge.......................................................100
7.5 Abschätzung der Staubaustragsraten am Beispiel eines ausgewählten
modellierten Erosionsereignisses...................................................................................102
7.6 Diskussion der Ergebnisse.............................................................................................105
8 Fazit............................................................................................................................107
8.1 Methodisches Fazit........................................................................................................107
8.2 Ausblick..........................................................................................................................109
9 Zusammenfassung....................................................................................................111
Summary.............................................................................................................................115
10 Literaturverzeichnis..........................................................................................................119
Abkürzungen und Symbole.........................................................................................................127
Anhang.....................................................................................................................................128
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Schematische Darstellung der Einzelprozesse der bodennahen winderosions-
bedingten Staubdynamik............................................................................................15
Abb. 2: Modellhafte Darstellung der Kräfte, die auf ein erodierbares Teilchen in einem
Windstrom einwirken..................................................................................................18
Abb. 3: Schwellenschubspannungsgeschwindigkeiten u»t für den Bewegungsbeginn
durch Strömungseinwirkung und durch direkte Partikelanstöße
in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser..................................................................19
Abb. 4: Transportformen von Bodenpartikeln während der Bodenerosion durch Wind............20
Abb. 5: Transportformen suspensionsfähiger Partikel in Abhängigkeit von Schub-
spannungsgeschwindigkeit und Partikeldurchmesser.................................................23
Abb. 6: Modellvorstellung zur Entwicklung von Sanderosion und Staubaustrag mit zuneh-
mender Einwirkstrecke des Windes bei homogenen Oberflächeneigenschaften.........24
Abb. 7: Schematische Darstellung der verschiedenen Teilprozesse der winderosions-
bedingten Stoffflüsse im Agrarökosystem: Emission - Transport - Deposition...........26
Abb. 8: Staubfahne während eines Erosionsereignisses im Untersuchungsgebiet
Grönheimer Feld.........................................................................................................27
Abb. 9: Konzeptionelle Vorgehensweise zur Verwirklichung der postulierten Arbeitsziele.......31
Abb. 10: Skizze des transportablen Grenzschichtwindkanals des Bodentechnologischen
Instituts Bremen..........................................................................................................34
Abb. 11: Isotachenfelder (Linien gleicher Strömungsgeschwindigkeit) im Windkanal-
querschnitt..................................................................................................................34
Abb. 12: Im Windkanal gemessenes Windprofil über einem schwach aggregierten Boden
(Grönheimll)...............................................................................................................38
Abb. 13: Im Windkanal und in den Feldversuchen eingesetzte passive Sedimentfalle
BOSTRA (BOttle Sediment TRAp)..............................................................................40
Abb. 14: Im Windkanal eingesetzte zeitlich hochauflösende Sedimentfalle SUSTRA
(SUSpended Sediment TRAp)....................................................................................40
Abb. 15: Flächenhafte Verteilung der wichtigsten winderosionsrelevanten
Bodeneigenschaften auf der Intensivmessfläche Grönheimer Feld.............................44
Abb. 16: Sedimentfalle mit 7 übereinander angeordneten Flaschenfallen (BOSTRA -
Einfanghöhen 4,11,18,25,45,70 u. 100 cm) im Feldeinsatz....................................46
Abb. 17: Vertikales Transportprofil durch die Einfangmassen aus sechs Einfanghöhen im
Windkanal (Boden Grönheim II)..................................................................................51
Abb. 18: Integrierte mittlere Gesamttransporte (Zo -100 cm) der 11 Versuchsböden.
Gemittelte Werte aus drei Wiederholungen.................................................................52
Abb. 19: Beziehung zwischen berechneter Bodenerodierbarkeit (K-Faktor) und im Wind-
kanal gemessenem Gesamtsedimenttransport...........................................................53
Abb. 20: Sedirnerrttransportraten Q in Abhängigkeit von der Schubspannungsgeschwindig-
keit ermittelt in Windkanalversuchen vier ausgewählter Testböden............................55
Abbildungsverzeichnis
Abb. 21: Quarzkorn (ca. 350 im) mit Anhaftungen von Tonmineralen (Einfanghöhe 10 cm).... 56
Abb. 22: In 4 cm Höhe transportiertes ca. 1800 um großes Aggregat aus einzelnen Quarz-
kömem und Tonmineralen..........................................................................................56
Abb. 23: In 70 cm Höhe transportiertes Mikro-Aggregat aus vorwiegend Tonmineralen.
Max. Durchmesser ca. 100 um...................................................................................56
Einzelkörner mit Tonanhaftungen. Mittl. Größe 63 um. Einfanghöhe 70 cm.............56
Exemplarische Darstellung der Beziehung zwischen der Einfanghöhe und dem
prozentualen Anteil an Partikeln 63 um für 6 Einfanghöhen und drei verschie-
dene Böden................................................................................................................59
Im Windkanal ermittelte mittlere Sand- Qs und Staubtransportraten QD (g m 1s 1)
der verschiedenen Versuchsböden.............................................................................61
Im Windkanal ermittelte Staubfreisetzung an der Bodenoberfläche
FD(zo)in ugcmV......................................................................................................62
Vertikale Staubausträge FE in (ug cm 2 s 1) an der oberen Referenzhöhe der
Saltationsschicht.........................................................................................................63
Klimatische Erosivität in den Monaten April bis Juni für den Beobachtungs-
zeitraum 1998 - 2000 angegeben als potenzielle Erosionsstunden............................67
Zeitlicher Verlauf ausgewählter Klimaparameter im Monat Mai 1999..........................69
Vertikales Sedimenttransportprofil für den Fallenstandort 25, Erosionsereignis
vom 18.5.1999, Intensivmessfeld Grönheimer Feld....................................................71
Massenanteile der einzelnen Korngrößenklassen in Abhängigkeit von der
Transporthöhe. Fallenstandort 25...............................................................................73
Entwicklung des Sedimenttransportes und des Staubaustrages entlang eines Tran-
sektes in Windrichtung über die Testfläche, Erosionsereignis vom 18.05.1999..........80
Auf Basis der im Windkanal ermittelten Transportmassen berechnete
Staubquellstärken, a (cm1), der 10 Versuchböden.....................................................84
Beziehung zwischen der Staubquellstärke a und der Summe der Ton- und
Schiuffgehalte der im Windkanal getesteten Böden....................................................86
Beziehung zwischen der gemessenen und der anhand der Bodenkennwerte und
dem gemessenen horizontalen Gesamttransport berechneten Staubfreisetzung an
den Fallenstandorten der Messfläche. Erosionsereignis vom 18.05.1999...................90
Mittelwerte und 95 % Konfidenzintervalle der berechneten Staubquellstärken in Ab-
hängigkeit von der Bodenartengruppe und der Zustandsstufe der Bodenschätzung... 94
Mittelwerte und 95 % Konfidenzintervalle der berechneten Staubquellstärken der
einzelnen StaubquellstärkekJassen.............................................................................96
Modellstruktur des WEELS-Winderosionsmodells......................................................99
Vorgehensschema zur Abschätzung von Staubausträgen auf Basis von modeliierten
Sandtransportmassen am Beispiel des WEELS Winderosionsmodell.......................101
Abb. 24:
Abb. 25:
Abb. 26:
Abb. 27:
Abb. 28:
Abb. 29:
Abb. 30:
Abb. 31:
Abb. 32:
Abb. 33:
Abb. 34:
Abb. 35:
Abb. 36:
Abb. 37:
Abb. 38:
Abb. 39:
Abb. 40:
10 Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: On- und Off-site Schäden durch den winderosionsbedingten Austrag suspensions-
fähiger Bodenpartikel und anhaftender Nähr- und Schadstoffe...................................26
Tab. 2: Ausgewählte Kenngrößen zu den Windkanal-Versuchsböden....................................36
Tab. 3: Bodenphysikalische Kenngrößen zu den Versuchsböden...........................................36
Tab. 4: Winderodierbarkeitsklassen in Abhängigkeit von der berechneten Boden-
erodierbarkeit (K-Faktor).............................................................................................47
Tab. 5: Allgemeine bodenphysikalische Labormethoden zur Charakterisierung der
Versuchsböden...........................................................................................................47
Tab. 6: Aerodynamische Rauhigkeitshöhen und Schwellengeschwindigkeiten der im
Windkanal getesteten Böden......................................................................................50
Tab. 7: Statistische Parameter der Kurvenanpassung für den Sandtransport der 10
Versuchsböden...........................................................................................................58
Tab. 8: Statistische Parameter der Kurvenanpassung für den Staubtransport der 10
Versuchsböden...........................................................................................................59
Tab. 9: Korrelationskoeffizienten zwischen der Staubquellstärke, a und den verschiedenen
Bodenkennwerten.......................................................................................................85
Tab. 10: Partielle Korrelationskoeffizienten zwischen der Staubquellstärke, a und unabhän-
gigen Bodenkennwerten unter Ausschluss des Einflusses der Summe von T U......86
Tab. 11: Bodenarten des Oberbodens und errechnete Staubquellstärken der 170 ausge-
wählten Leitprofile der Bodenschätzung.....................................................................92
Tab. 12: Ergebnis der Varianzanalyse für den Zusammenhang zwischen der berechneten
Staubquellstärke und den Bodenartengruppen des Oberbodens aus den Profil-
beschreibungen der Bodenschätzung.........................................................................93
Tab. 13: Berechnete Staubquellstärken der Bodenschätzungsprofile nach Bodenart des
Oberbodens und Zustandsstufe..................................................................................95
Tab. 14: Staubquellstärkenklassen abgeleitet aus den Bodenarten und der Zustandsstufe
der Bodenschätzung...................................................................................................95
Tab. 15: Ergebnisse der Varianzanalyse zur Klassifikation der Staubquellstärkenklassen........96
Kartenverzeichnis
11
Kartenverzeichnis
Karte 1: Entnahmestellen der Windkanalböden und Lage der Messfläche
„Grönheimer Feld innerhalb der Bodengroßlandschaften Niedersachsens................35
Karte 2: Nutzungsstruktur und potenziell winderosionsgefährdete Flächen im
Untersuchungsgebiet Grönheim.................................................................................43
Karte 3: Flächenhafte Verteilung des Gesamtsedimenttransportes Q in g m 1 auf dem
Intensivmessfeld Grönheimer Feld, Erosionsereignis vom 18.05.1999.......................72
Karte 4: Flächenhafte Verteilung des Sandtransportes Qs in g m 1 auf dem Intensivmess-
feld Grönheimer Feld, Erosionsereignis vom 18.05.1999............................................74
Karte 5: Flächenhafte Verteilung des Staubtransportes QD in g m 1 auf dem Intensivmessfeld
Grönheimer Feld, Erosionsereignis vom 18.05.1999..................................................74
Karte 6: Erosions- und Akkumulationsbereiche für Sand in g m 2 auf dem Intensivmessfeld
Grönheimer Feld, Erosionsereignis vom 18.05.1999..................................................76
Karte 7: Flächenhafte Verteilung der Freisetzung suspensionsfähiger Partikel (Staubfrei-
setzung) FD in g m 2 auf dem Intensivmessfeld Grönheimer Feld, Erosions-
ereignis vom 18.05.1999.............................................................................................77
Karte 8: Flächenhafte Verteilung der Emission suspensionsfähiger Partikel (Staubemission)
FE in g m 2 auf dem Intensivmessfeld Grönheimer Feld, Erosionsereignis vom
18.05.1999..................................................................................................................78
Karte 9: Staubquellstärkeklassen der Ackerflächen im Untersuchungsgebiet Grönheim.
Klassifizierung auf Grundlage der Bodenartangabe aus Bodenschätzungsdaten.....103
Karte 10: Modellierter Gesamtsedimenttransport für das Erosionsereignis vom 4. und
5. April 1989.............................................................................................................104
Karte 11: Berechnete vertikale Staubausträge für das Erosionsereignis
vom 4. und 5. April 1989...........................................................................................105
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