Simulation der Abflussverminderung und des Nährstoffrückhaltes in Uferstreifen:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Gießen
Inst. für Bodenkunde und Bodenerhaltung
2001
|
| Schriftenreihe: | Boden und Landschaft
34 |
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zsfassung in engl. Sprache |
| Beschreibung: | 123, XXII S. graph. Darst., Kt. : 21 cm |
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| adam_text | Titel: Simulation der Abflussverminderung und des Nährstoffrückhaltes in Uferstreifen
Autor: Zillgens, Birgit
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis.............................................................................................I
Abbildungsverzeichnis.........................................................................................................IV
Tabellenverzeichnis.............................................................................................................VI
Abkürzungsverzeichnis.....................................................................................................VIII
Kurzfassung / Abstract.........................................................................................................XI
Anhang............................................................................................................................XIII
Einführung und Zielsetzung.
2 Literaturübersicht............................................................................3
2.1 Felduntersuchungen und Sekundäranalyse...........................................................3
2.1.1 Abflussverminderung...........................................................................................6
2.1.2 Sedimentretention..............................................................................................11
2.1.3 Phosphorretention..............................................................................................14
2.2 Modellbetrachtung.............................................................................................24
2.2.1 Hydrologie des „Kentucky Filter Strip Models , VFSMOD
undGRASSF.....................................................................................................27
2.2.2 Sedimentretention des Kentucky Filter Strip Models , VFSMOD
undGRASSF.....................................................................................................30
2.2.3 Simulation der Phosphatretention mit dem Modell GRAPH...............................35
2.2.4 Modell von Edwards........................................................................................37
2.2.5 Modelle von PHILIPS zur Ermittlung des Stoflransportes...................................38
2.2.6 REMM..............................................................................................................40
2.3 Fazit..................................................................................................................43
Datengrundlage...............................................................................45
Untersuchungsgebiete........................................................................................45
Untersuchungsmethodik....................................................................................47
Datenmaterial....................................................................................................49
4 Simulation der hydrologischen Prozesse.......................................50
4.1 Modellbeschreibung HILLFLOW2D................................................................50
4.1.1 Infiltration.........................................................................................................52
4.1.2 Oberflächen- und Zwischenabfluss....................................................................56
4.1.3 Parametrisierung................................................................................................59
4.1.4 Eigene Feld-und Laboruntersuchungen.............................................................61
4.2 Ergebnisse und Diskussion................................................................................62
4.2.1 Sensitivitätsanalyse an einem standardisierten Uferstreifen................................62
4.2.2 Simulation der Abflussverminderung in Uferstreifen.........................................68
5 Simulation der Sedimentretention.................................................81
5.1 Modellbeschreibung GRASSF...........................................................................82
5.1.1 Das mathematische Modell zur Beschreibung der Sedimentretention.................82
5.1.2 Parametrisierung................................................................................................85
5.2 Ergebnisse und Diskussion................................................................................87
5.2.1 Sensitivitätsanalyse an einem standardisierten Uferstreifen................................87
5.2.2 Simulation der Sedimentretention in Filterstreifen.............................................89
III
6 Simulation der Phosphatretention.................................................93
6.1 Langmuir-Isotherme und Anwendung................................................................95
6.2 Kalkulation der Sorptionsprozesse auf der Basis der Langmuir-
Isotherme...........................................................................................................96
6 3 Berechnung der Frachtenverminderung in Filterstreifen auf
der Basis der simulierten hydrologischen Prozesse...........................................102
7 Zusammenfassende Betrachtung.................................................106
8 Zusammenfassung.........................................................................110
9 Summary.......................................................................................112
10 Literaturverzeichnis......................................................................114
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2-1: Sedimentrückhalt in Filterstreifen in Abhängigkeit von der
Abflussverminderung (eigene Auswertung).......................................................14
Abb. 2-2: Schematische Darstellung des Phosphortransportes im Oberflächen-
abfluss (nach Lee et al. 1989)............................................................................15
Abb. 2-3 Verminderung der PgeS-Frachten (%) in Abhängigkeit von der
Verminderung des Wasserinputs (%) und der Abflussverminderung
(%) (eigene Auswertung der Untersuchungen in Tab. A-2)................................18
Abb. 2-4.: Verminderung der Pg^-Frachten (%) in Abhängigkeit von der Sedi-
mentretention (%) (eigene Auswertung der Untersuchungen in Tab.
A-2)...................................................................................................................19
Abb. 2-5: PgeS-Konzentration im Zufluss (mg/1) in Abhängigkeit von den P^
Konzentrationen im Abfluss (mg/1), (eigene Auswertung der Untersu-
chungen in Abb. 2-4).........................................................................................20
IV
Abb. 2-6: Pg^-Konzentration im Abfluss in Abhängigkeit von Pges-
Konzentration im Input und Verdünnungseffekt durch Niederschlag
im Filterstreifen (eigene Auswertung der Untersuchungen in Abb. 2-4)...............20
Abb. 2-7: Po-Frachtenverminderung (%) in Abhängigkeit von der Abfluss-
verminderung (eigene Auswertung der Untersuchungen in Tab. A-2)................22
Abb. 2-8: Po-Frachtenverminderung (%) in Abhängigkeit von der Inputver-
minderung (%) (eigene Auswertung der Untersuchungen in Tab. A-2)...............22
Abb. 2-9: Po-Konzentration im Abfluss in Abhängigkeit von Po im Zufluss,
bezogen auf den Gesamtwasserinput (eigene Auswertung der Un-
tersuchungen in Tab. A-2).................................................................................23
Abb. 2-10: Definition des Grasabstandes (aus: WARNER et al. 1984)...................................28
Abb. 2-11: Gebietsdifferenzierung des Oberflächenabflussmoduls in VFSMOD
(Munoz-Carpena et al. 1992).............................................................................29
Abb. 2-12: Die Zonen des Kentucky Filter Strip Model in VFSMOD (nach
Munoz-Carpena et al. 1992)............................................................................31
Abb. 2-13: Transport von gelöstem Po in einem Oberflächenabflusselement (aus:
LEE et al. 1989)..................................................................................................36
Abb. 2-14: Querschnitt durch einen Uferstreifen, Wasserflüsse und Phophorflüsse
und Transformationen, wie sie von REMM simuliert werden (aus
iNAMDARet al. 1999).........................................................................................42
Abb. 3-1: Übersichtskarte des untersuchten Teileinzugsgebietes der Stever,
Münsterland (BACH et al. 1997).......................................................................45
Abb. 3-2: Übersichtskarte der Standorte in Mittelfranken (BACH et al. 1997)...................46
Abb. 3-3: Versuchsaufbau zur Erzeugung von künstlichem Oberflächenabfluss
und Erfassung der Retentionsleistung von Uferstreifen (FABIS 1995).................48
Abb. 4-1: Das Modell HILLFLOW 2D zur Simulation der hydrologischen
Prozesse in Uferstreifen.....................................................................................51
Abb. 4-2: Vereinfachtes Berechnungsverfahren im 2D-Fall mit h = Wasser-
spiegelhöhe; q0 = Zufluss aus dem obenliegenden Abschnitt und qu =
Abfluss zu dem unterliegenden Abschnitt (Bronstert 1994)............................58
Abb 4-3: Einfluss der Variation wichtiger Eingabeparameter auf die Simulation
des Oberflächenabflusses...................................................................................66
Abb. 4-4: Wirkung und Interaktion der den Makroporenfluss bestimmenden
Variablen auf den Oberflächenabfluss (Symbole s. Abb. 4-3)............................66
Abb. 4-5: Simulation des Oberflächenabflusses unter der Annahme eines homo-
genen Bodens (ohne Kalibrierung).....................................................................69
Abb. 4-6. Simulierte und gemessene Oberflächenabflüsse mit kalibrierten Ma-
kroporenvolumina und Zwischenabflusswiderstandsbeiwerten...........................70
Abb. 4-7: Simulierte und gemessene Oberflächenabflüsse der Validierungs-
ereignisse...........................................................................................................72
Abb. 4-8: Simulierter und gemessener Oberflächenabfluss der Validierungsläufe
mit nach Tab 4-2 korrigierten Oberflächenabflüssen (gemessen).......................73
Abb 4-9: Gemessene und simulierte Abflussraten in der Gleichgewichtsphase.................77
Abb 4-10: Bodenwassergehaltsänderung, Zwischenabfluss und Rest Zwischen-
abfluss in % des Zuflusses und in mm (mit Oberflächenabfluss) auf
den einzelnen Standorten, 1 und 3 auf der x-Achse bezeichnen die
Sommerversuche, zwischen 1 und 3 liegen die Frühjahrsversuche, 1 u.
2 = 5mFB, 2u. 3= 10mFB..............................................................................78
Abb. 5-1: Fallstrecke eines Sedimentpartikels in Zone D (nach Tollner et al.
1976).................................................................................................................83
Abb. 5-2: Korrekturfaktor C(dsej) in Abhängigkeit von der Höhe der abgela-
gerten Sedimentschicht (dsj) in Zone D (nach WILSON et al. 1981)...................84
Abb 5-3: Simulierte und gemessene Sedimentretention (%) unter
Berücksichtigung der Gesamtfraktion und der Fraktion 0,004 mm..................91
Abb. 5-4: Simulierte und gemessene Sedimentretention (%) unter Berück-
sichtigung der Gesamt fraktion und der Fraktion 0,004 mm.............................92
Abb. 6-1: Unterschied in der Anwendung des Ansatzes von Sharpley bei
Sharpley et al. (1981) und Lee (1987) (Querschnitt, stark vereinfacht
und in veränderten Größenrelationen)................................................................94
Abb 6-2: Berechnete und gemessene Po-Konzentrationen der Sommerversuche
in Münsterland und Mittelfranken mit kalibrierter EDI......................................98
Abb. 6-3: Geschätzte und gemessene Po-Konzentrationen der Frühjahrs versuche
in Münsterland und Mittelfranken......................................................................98
Abb. 6-4: Geschätzte und gemessene Po-Frachten aller Versuche in Münsterland
und Mittelfranken..............................................................................................99
Abb. 6-5: Vergleich mittlerer gemessener Po-Konzentrationen (Po-konz) im
Abfluss und im Zufluss (mg/1) der Versuche in Münsterland und in
Mittelfranken, auf 5 und 10 m breiten Standorten bei variierenden
Standortfaktoren (z.B. Gehalten an Ton, pH und P im Boden, Tab. A-
3, Tab. A-4).....................................................................................................100
Abb. 6-6: Vergleich gemessener Po-Frachten im Abfluss mit den auf der Basis
von Inputkonzentrationen berechneten Po-Frachten im Abfluss der
Versuche in Münsterland und Mittelfranken, auf 5 und 10 m breiten
Standorten bei variierenden Standortfaktoren (z.B. Gehalten an Ton,
pH undP im Boden, Tab. A-3, Tab. A-4).........................................................101
Abb. 6-7: Verminderung der Phosphatfrachten auf den 5 m-Parzellen unter
Berücksichtigung der Abflussverminderung (PoA) und unter Be-
rücksichtigung von Bypass- und Zwischenabflüssen (PoBl, PoB2: bei
PoBl entspricht die Konzentration im Zwischenabfluss die Kon-
VI____________________________________________________________________________
zentrationen im Oberflächenabfluss, bei PoB2 wird angenommen,
dass 100% der Frachten im Zwischenabfluss zurückgehalten werden).............104
Abb. 6-8: Verminderung der Phosphatfrachten auf den 10 m-Parzellen unter Be-
rücksichtigung der Abflussverminderung (PoA) und unter Berücksich-
tigung von Bypass- und Zwischenabflüssen (PoBl, POB2: bei POB1
entspricht die Konzentration im Zwischenabfluss die Konzentrationen
im Oberflächenabfluss, bei PoB2 wird angenommen, dass 100% der
Frachten im Zwischenabfluss zurückgehalten werden).....................................105
Tabellenverzeichnis
Tab. 3-1: Versuchsprogramm (BACH et al. 1997)..............................................................48
Tab. 3-2: Verminderung des Oberflächenabflusses und der Sediment- und
Phosphatfrachten in Uferstreifen in Mittelfranken und im Münsterland
(in % der eingeleiteten Zuflussmenge) (nach Bach et al. 1997).........................49
Tab. 4-1: Abflussvolumen und Sensitivitätsparameter für die Sensitivitäts-
analyse der Eingabeparameter in HILLFLOW 2D..............................................64
Tab. 4-2: Werte für Makroporenvolumen (MP) und Zwischenabflusswider-
standsbeiwert (Zw) und mittlere Geschwindigkeit (v2) des Zwischen-
abflusses............................................................................................................71
Tab 4-3: Im Feld geschätzte prozentuale Anteile des Abflusses durch
Maulwurfs- und Mäusegänge am Gesamtabfluss der Sommerversuche
(Bachetal. 1997)...............................................................................................72
Tab. 4-4: : Effizienzkoeffizienten E, getrennt nach Merkmalsklassen und nach
Standorten (mit n=Stichprobenumfang, E ges=Effizienzkoeffizient für
alle Versuche einer Merkmalsklasse).................................................................75
Tab. 4-5: Durchschnittliche Abweichung der Aufsättigungsphasen von ge-
messenem zu simuliertem Abfluss .....................................................................77
Tab. 4-6: Poren 50(xn% 50-lOnm, 50fim (=Feldkapazität), Gesamtporen-
volumina (GPV) der Standorte in Mittelfranken (eigene Nach-
untersuchungen) und gesättigte Bodenfeuchte in der Bodenmatrix (6s)
der Simulationsläufe (geschätzt)........................................................................80
Tab. 5-1: Eingabeparameter des Modells GRASSF zur Berechnung der Sedi-
mentation...........................................................................................................86
Tab. 5-2: Sedimentfrachten am Auslass und Sensitivitätsparameter für die
Sensitivitätsanalyse der Eingabeparameter in GRASSF......................................87
Tab. 5-3: Absoluter und relativer Sedimentrückhalt bei homogenen Sediment-
frachten verschiedener Körnungen.....................................................................89
__________VII
Anhang
Tab. A-l: Untersuchungen zur Verminderung des Oberflächenaflusses und der
Sedimentretention in Filterstreifen..................................................................XIII
Tab. A-2: Untersuchungen zur Verminderung des Phosphors in Filterstreifen...................XV
Tab A-3: Die Standorteigenschaften der Untersuchungsstandorte im Münster-
land (nach Bach et al. 1997)..........................................................................XVII
Tab. A-4: Die Standorteigenschaften der Untersuchungsstandorte in Mittel-
franken (nach Bach et al. 1997)....................................................................XVIII
Tab. A-5: Eingabeparameter für den standardisierten Uferstreifen der Sensi-
tivitätsanalyse.................................................................................................XIX
Tab. A-6: Dichte des abgelagerten Sedimentes (USDA 1975).........................................XIX
Tab. A-7: Korngrößenverteilung in den Zu- und Abflüssen der Uferstreifen in
Mittelfranken und im Münsterland (in %; S=Sand, g+mU= Grob-und
Mittelschluff, fU= Feinschluff, T=Ton)...........,................................................XX
Tab. A-8. Zuflüsse, Abflüsse, und Sedimentkonzentrationen der Versuchsläufe
(Zu- und Abflüsse beziehen sich auf 6 m Fließquerschnitt) ............................XXI
Tab. A-9: Zuflüsse, Abflüsse, und Phosphatkonzentrationen der Versuchsläufe
(Zu- und Abflüsse beziehen sich auf 6 m Fließquerschnitt) ...........................XXII
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