Modellierung von Verschlämmung und Infiltration in landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Sankt Augustin
Asgard-Verl.
2000
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| Schriftenreihe: | Bonner geographische Abhandlungen
101 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zsfassung in engl. Sprache |
| Beschreibung: | XIII, 175 S. Ill., graph. Darst. |
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Titel: Modellierung von Verschlämmung und Infiltration in landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten
Autor: Schröder, Rolf
Jahr: 2000
VI_
INHALTSVERZEICHNIS:
VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN.IX
VERZEICHNIS DER TABELLEN. XI
VERZEICHNIS DER ANLAGEN. XIII
1. EINLEITUNG. 1
1.1 Problemstellung. 1
1.2 Vorgehensweise. 2
2. LITERATURÜBERBLICK: ABFLUßBILDUNG UND MODELLIERUNG. 4
2.1 Teilkomponenten der Abflußbildung. 4
2.1.1 Fließvorgänge im Boden. 4
2.1.2 Abflußbildung des Hochwasserabflusses. 5
2.1.3 Räumliche Verbreitung der einzelnen Abflußbildungsmechanismen. 8
2.2 Simulationsmodelle zur Abflußbildung.10
2.2.1 Infiltrationsmodelle.10
2.2.2 Modelle zum Abfluß an der Oberflächen und zur Wellenakkumulation.13
2.2.3 Modelle zur lateralen Fließbewegung im Boden ("subsurface flow").15
2.3 Simulation der Abflußbildung in hydrologischen Modellen.15
3. LITERATURÜBERBLICK: INFILTRATION UND BODENVERSCHLÄMMUNG. 18
3.1 Beschreibung des Prozesses.18
3.2 Steuernde Prozeßgrößen.21
3.3 Verschlämmungsverhalten in aufeinanderfolgenden Niederschlagsereignissen.25
3.4 Modellierung des Infiltrations Verhaltens bei Bodenverschlämmung.26
3.5 Zusammenfassung und Schlußfolgerung für die Modellierung.28
4. EINZUGSGEBIETSMODELL TOPSIM.30
4.1. Modellstruktur.30
4.1.1 Modellarchitektur der Prozeßabbildung.30
4.1.2 Modellarchitektur zur Raumgliederung.33
VII
4.1.3 Kopplung von Prozeßabbildung und Raumgliederung bei Einbeziehung
des Zeitmaßstabs.36
4. ] .4 Datenorganisation der Eingabe- und Ergebnisdaten.37
4.2 Prozeßmodelle der vertikalen Abflußbildung.39
4.2.1 Verschlämmungsmodell H-KIN.,.39
4.2.2 Bodenspeichermodell nach NASIM.42
4.2.3 Sättigungsflächenkonzept nach TOPMODEL.46
4.2.4 Kopplung der Teilmodelle zum Gesamtmodell.52
4.3 Prozeßmodelle zum Oberflächenabfluß (horizontale Wellenakkumulation).53
4.3.1 Speichennodell zum Oberflächenabfluß für Hangprofile.53
4.3.2 Übertragung des Modells zum Oberflächenabfluß in den Raum.55
4.3.3 Kopplung von Oberflächenabfluß und vertikaler Abflußbildung.58
5. MEßGEBIETE ZUR MODELLANWENDUNG.59
5.1 Beschreibung der Meßgebiete.59
5.1.1 Abflußmessungen und Gebietsabgrenzung.59
5.1.2 Klimatische Verhältnisse.61
5.1.3 Nutzung.61
5.1.4 Pedologie.62
5.1.5 Zusammenfassung und Vergleich der Einzugsgebiete.62
5.2 Datengrundlage für die Modellanwendung.63
5.2.1 Klimatologische Daten.63
5.2.2 Nutzungsdaten.64
5.2.3 Topographische Daten.64
5.2.4 Parameter zur Infiltration und Bodenspeichersimulation.65
5.2.5 Parameter zur Simulation des Oberflächenabflusses.66
6. ANWENDUNG DES VERSCHLAMMUNGSMODELLS H-KIN AUF
BEREGNUNGSVERSUCHE.68
6.1 Beschreibung der Infiltrationsversuche.68
6.2 Simulation durch das Verschlämmungsmodell H-KIN.69
6.3 Abhängigkeit des Modells von Niederschlagsenergie, Bedeckung und Bodenfeuchte.72
6.4 Ableitung repräsentativer Modellparameter für Feldhydrotope (Ackerschläge).74
6.5 Abhängigkeit des Infiltrationsmodells H-KIN von Bodenkenngrößen. 75
6.6 Vergleich mit den Beregnungsversuchen von Haider. 80
6.7 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen für die weitere Modellierung.81
7. VERHALTEN DES VERSCHLÄMMUNGSMODELLS H-KIN ÜBER NUTZUNGS-
ZYKLEN. 82
7.1 Modeilsensitivität: Einfluß von Niederschlag und Bedeckung.82
VIII_
7.3 Modellsensitivität: Einfluß von Bodeneigenschaften.87
8. SIMULATION DES OBERFLÄCHENABFLUSSES FÜR NUTZUNGSZYKLEN
IM PARZELLENMAßSTAB.89
Modellanwendung imHollmuth.89
.1 Hollmuth: gemessene Oberflächenabflüsse.89
.2 Hollmuth: Simulation mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN.90
.3 Hollmuth: Simulation mit dem Bodenspeicheransatz (NASIM).97
.4 Hollmuth: Simulation mit dem Sättigungsflächenmodell (TOPMODEL).100
8.
8.
8.
8.
8.
8.2 Modellanwendung in Scheyem.101
8.2.1 Scheyem: Gemessene Oberflächenabflüsse.101
8.2.2 Scheyem: Simulation mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN. 103
8.2.3 Scheyem: Simulation mit dem Bodenspeicheransatz (NASIM).107
8.2.4 Scheyem: Simulation mit dem Sättigungsflächenmodell (TOPMODEL).110
8.2.5 Scheyem: Modellkombination des Verschlämmungs- u. Sättigungsflächenmodells.112
8.3 Modellanwendung Weiherbach.113
8.3.1 Weiherbach: Gemessene Abflüsse.113
8.3.2 Weiherbach: Simulation mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN.114
8.3.3 Weiherbach: Simulation mit dem Bodenspeicheransatz (NASIM). 117
8.3.4 Weiherbach: Simulation mit dem Sättigungsflächenmodell (TOPMODEL). 118
8.3.5 Weiherbach: Modellkombinationen.118
9. SIMULATION DES OBERFLÄCHENABFLUSSES FÜR EINZELEREIGNISSE
IM EINZUGSGEBIETSMAßSTAB.119
9.1 Simulation des Oberflächenabflusses im Hollmuth.119
9.2 Simulation des Oberflächenabflusses im FAM. 121
9.3 Simulation der Oberflächenabflüsse am Neuenbürger Pfad, Weiherbach.125
10. VERGLEICHENDE ANALYSE DER SIMULATIONSERGEBNISSE IM
HOLLMUTH, IN SCHEYERN UND AM WEIHERBACH.131
11. ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE UND PERSPEKTIVEN.135
12. SUMMARY.138
13. LITERATUR.140
14. ANHANG. 175
IX
VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN
2.1 Elemente der Abflußbildung im Hochwasserfall. 6
2.2 Unterschiedliche Mechanismen eines "subsurface flow" (nach McDonnell. 1990). 8
3.1 Mechanismen zur Bildung einer Verschlämmungsschicht
(verändert, nach Le Bissonnais, 1990). 19
3.2 Abhängigkeit der Infiltrationsrate von der Niederschlagsenergie
(nach Morin Benyamini. 1977).22
3.3 Einfluß des Tongehaltes auf den Verfallsmechanismus und die Verschlämmungsneigung. 24
4.1 Modellkonzeption des Modells TOPSIM. 31
4.2 Anteil der dominierenden Nutzung an der Gesamtfläche des Rasterelementes.35
4.3 Datenorganisation der Eingabedaten im NA-Modell TOPSIM. 38
4.4 Verlauf der potentiellen Infiltrationsrate im Modell H-KIN.39
4.5 NASIM Bodenfeuchtemodell: Zu- und Abflüsse in den Bodenspeicher in Abhängigkeit
zur Bodenfeuchte. 44
4.6 Speicheranordnung in TOPMODEL.49
4.7 Abflußbeziehung im Gitternetz beim „multiple floW'-Algorithmus.56
4.8 Basislänge zur Berechnung des Gefälles zwischen Rasterelementen.57
4.9 Wichtung des Abflusses zu Nachbarelementen in Abhängigkeit zur ,.Länge der
Berührkanten". 57
6.1 Anpassung des Verschlämmungsmodells H-KIN an Beregnungsversuche in Scheyern.69
6.2 Beziehungen zwischen den Modellparameter des Infiltrationsmodells H-K.IN für die
Beregnungen in Scheyem.71
6.3.a Infiltrationsverläufe bei Beregnungen mit unterschiedlicher Beregnungsintensität.72
6.3.b Infiltrationsverläufe für Beregnungen mit unterschiedlicher Bedeckung.72
6.3.c Infiltrationsverläufe bei Beregnungen von Parzellen mit unterschiedlicher
Anfangsbodenfeuchten.73
6.4.a Beziehung zwischen der Endinfiltration und Bodenkenngrößen, Beregnungsversuche
Gut Scheyem.76
6.4.b Beziehung zwischen der Endinfiltration und Bodenkenngrößen. Beregnungsversuche
Gut Scheyern.77
6.4.c Beziehung zwischen Anfangsinfiltrationsrate und Bodenkenngrößen.79
7.1.a Niederschlagsmenge und -intensität für das Jahr 1994 in Scheyern. 84
7.1.b Simulierte potentielle Infiltrationsraten und Oberflächenabflüsse für Schwarzbrache
(Beispieljahr 1994).84
7.1 x Bedeckung, simulierte Infiltrationsraten und Oberflächenabflüsse für Ackerschläge
mit erosionsmindemdem Anbau (Scheyern, Beispieljahr 1994).84
8.1 .a Gemessene Oberflächenabflüsse der Meßparzellen im Hollmuth bei unterschiedlicher
Vegetation [mm pro Abflußereignis].90
8.1 .b Gemessene Oberflächenabflüsse der Feldmeßpunkten im Hollmuth (Jeweils Mittelwerte
von zwei Meßpunkten, [mm pro Abflußereignis]).91
8.2 a Simulierte Oberflächenabflüsse bei unterschiedlichen Modellansätzen für die
Schwarzbracheparzelle / Hollmuth [mm pro Abflußeignis].92
8.2.b Oberflächenabflüsse der Feldmeßpunkte bei Simulation mit dem Verschlämmungs-
modell H-KIN [mm pro Abflußereignis].95
8.3 Gemessene und simulierte Bodenfeuchten im Hollmuth (Bodenfeuchtemodell NASIM). 99
8.4 Gemessene Abflüsse in Scheyem für ausgewählte Einzugsgebiete [mm pro Ereignis].101
8.5 Berechnete Oberflächenabflüsse für unterschiedliche Modellansätze in Scheyern,
Beispiel Einzugsgebiet E2 [mm pro Abflußereignis]. 104
8.6 Verteilung des ln(A/tanB)-Index für die Einzugsgebiete El - E7 des Kehrfeldes.111
8.7 Gemessene Abflüsse im Einzugsgebiet Weiherbach (Pegel Menzingen und Neuenbürger
Pfad) [mm pro Abflußereignis]. 113
8.8 Simulierte Oberflächenabflüsse für unterschiedliche Modellansätze, Neuenbürger Pfad,
Weiherbach [mm pro Abflußereignis]. 116
9.1 Vergleich gemessener und simulierter Abflüsse für die Meßparzelle P7 im Hollmuth
(Schwarzbrache, 2-m Länge). 120
9.2 Einfluß des Manning-Rauheitsbeiwertes auf den simulierten Abfluß (Beispiel Ereignis
27. 5. 1993, Einzugsgebiet E2, Scheyern). 122
9.3 Simulierte Schichtdicke des Oberflächenabflusses für das Einzugsgebiet E2, Scheyen
während des Ereignis vom 27. 5. 1993. 124
9.4 Simulierte und gemessene Hochwasserabflüsse, Pegel Neuenbürger Pfad.126
9.5 Simulierte Schichtdicken des Oberflächenabflusses für drei Ereignisse im Einzugsgebiet
Neuenbürger Pfad, Weiherbach. 128
XI
VERZEICHNIS DER TABELLEN
2.1 Klassifizierung von Infiltration und Oberflächenabfluß und deren Simulation in
hydrologischen Modellen. 17
4.1 Nutzungsaufteilung bei einheitlicher Nutzung je Rasterelement. 35
5.1 Jahresniederschläge in den Meßgebieten. 61
5.2 Bodenparameter für den Bodenspeicheransatz in den Meßgebieten. 65
5.3 Ausgewählte Manning-Rauheitsbeiwerte nach Haider (1996) und Gerlinger (1997). 67
6.1 Statistische Kenngrößen der Parameter zum Infiltrationsmodell H-KJN aus
57 Beregnungen in Scheyem. 71
6.2 Modellparameter zum Verschlämmungsmodell für die Feldhydrotope in Scheyem. 74
6.3 Multiple Regression zwischen den Parametern von H-KIN und Bodenkenngrößen.78
6.4 Beregnungsversuche durch Haider (1994): gemessene Bodenkenngrößen und
approximierte Modellparameter. 81
7.1 Modellsensitivität bei unterschiedlicher Nutzung.86
7.2 Modellsensitivität bei unterschiedlicher Nutzung: Extremereignisse, nach Jahreszeit
sortiert. 87
7.3 Modellsensitivität bei Veränderung der Bodenparameter.88
8.1.a Gemessene Abflüsse an den Meßparzellen im Hollmuth (in mm).94
8.1 .b Simulierte Abflüsse im Verschlämmungsmodell H-KIN an den Meßparzellen im
Hollmuth.94
8.2 Gemessene und simulierte Abflüsse der Feldmeßpunkte im Hollmuth [mm]. 96
8.3 Kenngrößen der Wasserbilanz bei Simulation mit dem Bodenfeuchtemodell (NASIM).98
8.4 Simulierte Oberflächenabflüsse im Bodenfeuchtemodell (NASIM) an den Meßparzellen. 98
8.5 Gemessene Abflüsse in Scheyem [mm]. 102
8.6.a Simulierte Oberflächenabflüsse mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN. 106
8.6.b Simulierte Oberflächenabflüsse in Scheyem für unterschiedliche Modellansätze. 108
8.7 Sensitivität des Bodenspeichermodells ("NASIM) / Scheyem. 109
8.8 Simulierte Oberflächenabflüsse für das Einzugsgebiet Neuenbürger Pfad. 114
8.9 Simulierte Oberflächenabflüsse am Neuenbürger Pfad für unterschiedliche Anbaufrüchte. 115
9.1 Simulation des Oberflächenabflusses im Parzellenmaßstab (Hollmuth): Einfluß variabler
Infiltrationsraten und Parzelienlängen.121
9.2 Einfluß von Manning-Rauheitsbeiwert und der effektiven Abflußbreite auf den
Oberflächenabfluß für das Ereignis vom 27. 5. 1993.122
9.3 Ao-Infiltration des Oberflächenabflusses im Einzugsgebiet E6 in Abhängigkeit zum
Infiltrationsvermögen der Grasmulde für das Ereignis vom 27. 5. 1993.123
XII
9.4 Simulierte und gemessene Abflußspitzen / Einzugsgebiet Neuenbürger Pfad.125
9.5 Einfluß der Infiltration des Oberflächenabflusses (Ao-Infiltration) auf den Gebietsabfluß
im Einzugsgebiet Neuenbürger Pfad.127
9.6 Ao-Infiltration in einzelne Feldhydrotope im Einzugsgebiet Neuenburger Pfad bei
Simulation mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN. 129
9.7 Ao-Infiltration in einzelne Feldhydrotope im Einzugsgebiet Neuenbürger Pfad bei
Simulation mit dem Bodenfeuchtemodell (NASIM). 130
10.1 Einsatzmöglichkeiten einzelner Modellansätze zur Simulation des Oberflächenabflusses
in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umweltbedingungen. 134
XIII
VERZEICHNIS DER ANLAGEN
A-l.l.a Hollmuth: Lage der Meßparzellen (nach Dikau, 1986).155
A-l.l.b Hollmuth: Lage der Feldmeßpunkte (nach Dikau. 1986). 155
A-1.2.a Scheyem: Topographie und Einzugsgebiete mit Abflußmeßstellen. 156
A-I.2.b Scheyern: Einzugsgebiete der Abflußmeßstellen im Kehrfeld. 156
A-1.2.C Scheyem: Ackerschläge im Kehrfeld. 157
A-1.2.d Scheyern: Lage der Beregnungsparzellen (nach Kainz Auerswald). 157
A-l .3 Weiherbach: Lage der Klimastationen, der Pegel Neuenbürger Pfad und Menzingen
sowie der Einzugsgebietsgrenzen (nach Merz, 1996).158
A-2 Gemessene Niederschläge an der Hollmuth, in Scheyern und am Weiherbach.159
A-3.1 Bedeckungsgrade für unterschiedliche Nutzungen (nach Dikau, 1986).161
A-3.2 Bedeckung durch Anbaupflanzen und Mulch, Pflanzenrückstände. Steine u. ä. für Acker-
schläge A15-A18 im Klostergut Scheyern (nach Kaemmerer, unveröffentlicht). 162
A-4.1.a Hollmuth: Gemessene Abflüsse der Schwarzbracheparzellen nach Dikau. 1986
[mm pro Abflußereignis]. 163
A-4.1.b Hollmuth: Gemessene Abflüsse der Grasparzellen [mm pro Abflußereignis].164
A-4.1.C Hollmuth: Gemessene Abflüsse der Waldparzelle [mm pro Abflußereignis].164
A-4.2 Scheyern: Gemessene Abflüsse an Meßstellen El - E7 (nach Weigand. unveröffentlicht)
[mm pro Abflußereignis].165
A-5 Modellparameter für die Modellanwendung im Hollmuth. in Scheyern und am
Weiherbach.167
A-6.a Scheyern: Simulierte Abflüsse mit dem Verschlämmungsmodell H-KIN im Kehrfeld bei
einheitlichem Boden und variabler Nutzung [mm pro Abflußereignis]. 168
A-6.b Scheyern: Simulierte Abflüsse im Verschlämmungsmodeli H-KIN für die einzelnen
Feldhydrotope des Kehrfeldes bei variabler Nutzung und variablen Böden. 169
A-7 Fließwege zwischen Rasterelementen beim "multiple flow"-Prinzip.
Beispiel Einzugsgebiet E6. Klostergut Scheyern. 12.5-m-Raster. 170
A-8 Weiherbach: Fließtiefen des Oberflächenabflusses. Ereignis 27. 8.1994. 171
A-9.a Modellparameter Verschlämmungsmodell H-KIN. 172
A-9.b Modellparameter im Bodenspeichermodell NAS1M. 172
A-9.C Modellparameter im Sättigungsflächenmodell TOPMODEL. 172
A-10 Herleitung des TOPMODEL-Modellansatzes. 173 |
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